一種車輪空氣室諧振器降噪測試方法

徐世文，楊小禹，王毅剛，李明磊，劉偉東，沈 哲

(1. 中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島，066011；2.同濟大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804)

0 引 言

汽車行駛過程中，因路面不平和車輪旋轉(zhuǎn)不平衡導(dǎo)致對車輪的激勵，繼而激發(fā)車輪內(nèi)的空氣室產(chǎn)生聲共振，該共振經(jīng)過輪軸、懸架系統(tǒng)傳至車身結(jié)構(gòu)，繼而向車內(nèi)輻射噪聲。該噪聲以低頻窄帶為主，量值較高，對車內(nèi)乘坐環(huán)境形成噪聲干擾。對該噪聲的控制有眾多研究[1-5]，也形成了多種專利?？刂品椒ㄖ饕捎梦暱刂圃恚ㄟ^車輪空氣室內(nèi)安裝吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)，從源頭消除空氣室的聲共振，繼而降低車內(nèi)噪聲。其中赫姆霍茲共振吸聲結(jié)構(gòu)(本文定義為諧振器)應(yīng)用最為廣泛，效果良好。

在諧振器研發(fā)過程中，設(shè)計效果的檢驗通常采用將諧振器安裝于輪胎內(nèi)進行振動測量或?qū)嵻嚋y試[1,4-5]，比較安裝前后的輪轂振動或車內(nèi)聲響應(yīng)結(jié)果以評價諧振器的降噪效果。這兩種方法對于諧振器研發(fā)過程中的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化需要多次測試，過于復(fù)雜。同時，輪胎的振動響應(yīng)測試無法獲得其聲響應(yīng)效果，還需要進一步進行實車測試；實車測試也會過于耗時耗力。為此，本文提出了一種利用聲學(xué)管道測量諧振器吸聲效果的測量方法，可以有效測量諧振器的聲插入損失，用于評價諧振器的吸聲效果，對諧振器研發(fā)過程中的優(yōu)化設(shè)計既有效又方便易行。

1 車輪空氣室的共振現(xiàn)象及控制

汽車在行駛過程中路面對輪胎的作用力會因路面不平而隨時間變化，輪軸運轉(zhuǎn)的不平衡對輪轂也會產(chǎn)生沖擊振動，這兩種作用在車輪上隨時間變化的力，當(dāng)其頻率和車輪空氣室聲模態(tài)特征頻率一致時，空氣室會發(fā)生聲共振現(xiàn)象。兩種作用力可以分解成如圖1所示的整個輪胎所受到的垂直和水平方向的激勵力。在車輪行駛中空氣室處于被壓縮狀態(tài)時，空氣室變?yōu)椴灰?guī)則形狀，水平方向被拉伸，垂直方向被壓縮，使得水平方向激發(fā)出第一階聲模態(tài)共振，垂直方向激發(fā)出第二階聲模態(tài)共振。

圖1 輪胎受到垂直和水平方向激勵力示意圖Fig.1 The excitation force acted on tire in the vertical and horizontal directions

圖2為本研究測量的某車行駛速度為60 km·h-1和70 km·h-1時，車內(nèi)主駕駛耳旁噪聲的頻譜，峰值即為共振現(xiàn)象。這種共振現(xiàn)象的表現(xiàn)就是在頻率為190 Hz和229 Hz時出現(xiàn)峰值噪聲，且峰值遠高于附近其他頻率下的聲壓值。從圖2中也可以看出兩種車速下，229 Hz的峰值差較大。從其他實測數(shù)據(jù)可以看出，車速較低時，通常較低共振頻率的峰值明顯，而較高共振頻率對應(yīng)的峰值不明顯，有時也會出現(xiàn)多個峰值，其原因一是單個車輪在行駛狀態(tài)下車輪空氣室不規(guī)則，使空氣室出現(xiàn)多個模態(tài)，尤其第一和第二模態(tài)響應(yīng)能量最強；其二，四個車輪若變形量不同也會出現(xiàn)不同的共振模態(tài)，對應(yīng)不同的峰值，使較寬頻帶內(nèi)的峰值增多。由于汽車車輪直徑變化范圍較小，其決定了空氣室的聲模態(tài)頻率大小，通常聲共振的第一階和第二階模態(tài)均在180～250 Hz頻段附近(后續(xù)研究結(jié)果描述選取頻率范圍為150～350 Hz)。當(dāng)外界激勵頻率和模態(tài)頻率一致時出現(xiàn)窄帶的能量峰值，而且，能量較大的峰值出現(xiàn)在第一階和第二階共振頻率上，其他模態(tài)頻率上的響應(yīng)能量較低。這種噪聲的頻率較低，能量較強，人感受明顯，乘坐時間越長人會越感覺不舒服。這種共振現(xiàn)象通常在路面比較粗糙、行駛速度較低時更為顯著。

圖2 某車輪空氣室共振時的車內(nèi)噪聲響應(yīng)Fig.2 Interior noise generated by resonance of wheel air chamber in a car

汽車車輪空氣室共振現(xiàn)象引起車內(nèi)乘坐舒適性變差，一直以來都是汽車開發(fā)中較為重視、且著力解決的問題。20世紀(jì)末就已對這種現(xiàn)象認(rèn)識充分，并有針對性的控制措施。自美國于1990年有專利產(chǎn)品后，日韓及歐洲等也陸續(xù)推出各自的專利產(chǎn)品，國內(nèi)僅在近兩年才推出不多的專利產(chǎn)品。這些控制方法中的核心技術(shù)主要是采用車輪空氣室內(nèi)布放吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)來消除聲共振現(xiàn)象。因吸聲材料的價格、尺寸、重量、耐久性等缺陷，其使用率不高。而以赫姆霍茲共振吸聲原理設(shè)計的諧振器，因原理簡單、效果明顯，生產(chǎn)成本低、安裝方便、重量輕、耐久時間長等優(yōu)勢得到普遍應(yīng)用。諧振器開發(fā)過程中其降噪效果優(yōu)化需要通過不斷的測試結(jié)果進行比較，因此研制方便有效的測試平臺，避免輪胎振動測試或?qū)嵻嚋y試的復(fù)雜性，就顯得十分必要。

2 降噪效果聲學(xué)管道測試平臺設(shè)計

2.1 聲學(xué)管道測試原理

諧振器安裝于輪胎空氣室的作用是吸收空氣室在共振狀態(tài)下的聲能量，以達到降低空氣室聲共振，進而避免其向車輪及車身結(jié)構(gòu)進一步傳遞振動的目的。諧振器吸收聲能的能力可以通過其使用前后的聲壓變化(插入損失)進行評價。為此，本研究提出一套聲學(xué)管道系統(tǒng)，其一端利用揚聲器發(fā)射平面聲波，另一端進行消聲處理，使試驗段區(qū)域形成可傳播平面波的管道，可將諧振器放入管道內(nèi)或安裝在管壁上，通過諧振器后壁面上安裝的傳聲器測量有無諧振器時的聲壓級，獲取插入損失，即可評價諧振器的吸聲能力。

2.2 聲學(xué)管道設(shè)計

2.2.1 設(shè)計原則

根據(jù)2.1節(jié)描述的測試原理、車輪空氣室聲共振特征及管道聲學(xué)性質(zhì)，測試平臺應(yīng)遵循下述設(shè)計原則：

(1) 鑒于共振現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率范圍為180～250 Hz，在150～300 Hz頻段設(shè)計的管道內(nèi)能夠形成平面聲波；(2) 管道壁面光滑；(3) 為了避免管道末端聲反射，應(yīng)采用強吸聲設(shè)計；(4) 聲源為低頻揚聲器，低頻截止頻率小于100 Hz；(5) 管道壁要有一定的隔聲量，可采用鋼板制作；(6) 管壁上設(shè)計傳聲器安裝孔，試件安裝接口；(7) 形成的管道可以測量插入損失。

2.2.2 管道聲學(xué)設(shè)計的理論基礎(chǔ)

管道平臺聲學(xué)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)主要包括管道內(nèi)平面波的形成、管道末端無反射和管道界面尺寸的確定。為了使管道內(nèi)形成平面聲波傳播，可以根據(jù)管道內(nèi)傳播平面聲波的公式進行計算?？紤]到方形截面管道容易安裝試驗件，本設(shè)計采用方形截面管道，其能傳播平面波的條件為[6]

式中：f為管道內(nèi)傳播平面波的上限頻率，c為聲速，l為矩形截面的最大邊長。該公式較容易設(shè)計滿足180～250 Hz頻段的管道內(nèi)傳播平面波。但考慮到諧振器尺寸較小，吸聲量不大，管道截面尺寸不能過大?？梢越Y(jié)合式(2)確定管道截面大小[7]。

考慮到吸聲尖劈加空腔在低頻具有較強的吸聲能力，采用此結(jié)構(gòu)布置于管道末端避免其聲反射。尺寸設(shè)計依據(jù)見式(3)。

其中：al為吸聲尖劈長和空腔深度之和。尖劈的基礎(chǔ)長和尖劈長之比為1:4，選取尖劈吸聲材料的容重為85 ～90 kg·m-3，空腔深度為150 mm，尖劈總長為350 mm，滿足200 Hz頻率附近較高的吸聲特性，上述參數(shù)的確定參考文獻[8]。

傳聲器在壁面上的安裝及位置，揚聲器、試件和傳聲器的相對位置等的確定依據(jù)參考文獻[9]。

2.2.3 詳細(xì)設(shè)計

根據(jù)上述設(shè)計原則和關(guān)鍵技術(shù)，測試平臺詳?shù)募?xì)尺寸和結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。圖3中的長度單位均為mm。制作成實物平臺如圖4所示(含測試儀器)。管道上增加了一個傳聲器測點，也可以用于測量試件的傳聲損失。

圖3 測試平臺詳細(xì)尺寸和結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Detailed dimension and structure diagram of the test platform

圖4 測試平臺實物照片(含測試儀器)Fig.4 Photos of the test platform (including test instruments)

2.3 測試方法及效果評價

為了適應(yīng)上述聲學(xué)管道的測試方法，利用該聲學(xué)管道，通過不同試件的安裝位置，獲取試件的傳聲損失或插入損失，并進行數(shù)據(jù)分析，探討有效的測試方法。測試方法中聲源聲信號采用寬帶偽隨機信號，諧振器選擇為某車設(shè)計的諧振器，其共振頻率為200 Hz，該頻率為某車車輪行駛壓縮變形后其空氣室的第一階共振頻率。

2.3.1 傳聲損失測量

將諧振器安裝于壁面的試件安裝口上，如圖5所示，通過壁面上兩個傳聲器測量的聲壓級求其插入損失：

圖5 諧振器安裝于測試管道壁面Fig.5 The resonator mounted on the wall of the test pipe

圖6分別為安裝諧振器前后兩個傳聲器測量的150～350 Hz頻段內(nèi)的聲壓級。黑色實線為諧振器前端測點聲壓級曲線(安裝諧振器前后測量結(jié)果相同)，灰色實線和虛線分別為無諧振器和有諧振器時諧振器后面測點的聲壓級曲線。

圖6 某諧振器前后測點聲壓級頻譜Fig.6 Sound pressure spectrums at the front and back measurement points of a resonator

從圖6中可以看出，無諧振器時該聲學(xué)管道兩測點之間的聲壓級差異較大，裝上諧振器后兩者的差異由管道和諧振器共同產(chǎn)生。所以，利用式(4)計算的值并不能反映諧振器的傳聲損失，而灰實線和虛線的差異卻能反映安裝諧振器前后的差異，這與后續(xù)的插入損失結(jié)果一致。

2.3.2 插入損失測量-管壁安裝試件

管壁安裝試件如圖5所示，通過安裝于諧振器后的傳聲器(圖5右側(cè)傳聲器)測量諧振器安裝前后聲壓級的差值(見式(4))，計算插入損失。諧振器安裝于壁面的試件安裝口。圖7中黑色實線和虛線分別為無諧振器和有諧振器時諧振器后面測點的150～350 Hz頻段內(nèi)的聲壓級曲線。從圖7可以看出，在設(shè)計的諧振器降噪頻率200 Hz附近有一定的插入損失(最大超過1.2 dB(A))，且有一定的降噪頻帶寬度，說明了這種方法可以對諧振器的降噪效果進行評價。管壁安裝諧振器時聲波為掠入射，所以，這種方法測量的傳聲損失量值和實際車輪空氣室內(nèi)安裝同種諧振器相比會偏小。

圖7 某諧振器在管壁安裝前后的聲壓級頻譜Fig.7 Sound pressure spectrums with and without resonator on pipe wall

2.3.3 插入損失測量-管道內(nèi)放置試件

為了近似模擬車輪空氣室內(nèi)聲波近似垂直入射諧振器的狀態(tài)，將諧振器放入管道內(nèi)，如圖8所示，諧振器放入前后通過傳聲器測量的聲壓級差值，計算插入損失。圖9為諧振器放入前后其后面?zhèn)髀暺鲀纱螠y量得到的150～350 Hz頻段內(nèi)的聲壓級。黑色實線和虛線分別為無諧振器和有諧振器時諧振器后面測點的聲壓級曲線。從圖9可以看出，在設(shè)計的諧振器降噪頻率200 Hz附近有一定的插入損失(最大約2 dB(A))，且有一定的降噪頻帶寬度。與管壁安裝諧振器的方法相比，其降噪效果更加明顯。而且，它也包括了諧振器幾何效應(yīng)對聲場的影響，和車輪空氣室安裝諧振器的情況較為一致，說明了這種方法對諧振器降噪效果的評價更為合理。

圖8 諧振器放入管內(nèi)測量Fig.8 The resonator laid into the tube for measurement

圖9 某諧振器在管道內(nèi)安裝前后的聲壓級頻譜Fig.9 Sound pressure spectrums with and without resonator in pipe

從上述圖6中的測量結(jié)果可以看出，傳聲損失測量結(jié)果因聲學(xué)管道內(nèi)的聲響應(yīng)不同，其結(jié)果不能反映諧振器的真實傳聲損失。管壁安裝試件時的插入損失測量有一定的測量精度，能夠反映諧振器的降噪大小和頻譜特性。管道內(nèi)放置試件的插入損失測量也能夠達到管壁安裝試件方法的效果，而且，因為避免了管壁安裝試件要設(shè)計連接件、彎曲性諧振器較難管壁安裝的缺點，其放置于管道內(nèi)的諧振器更近似于諧振器安裝于車輪空氣室的情況。所以，管道內(nèi)放置試件的插入損失測量方法較好。

3 與其他測量方法的對比

如前所述，車輪空氣室諧振器的降噪效果通常采用車輪振動測量方法和路試方法。本文也進行了相關(guān)測試。

3.1 輪胎振動響應(yīng)測量

通過錘擊法測量諧振器安裝前后輪胎水平和垂直激勵時的加速度響應(yīng)，以此評價諧振器的吸聲減振能力。如圖10所示，選取了適合諧振器的某實車用的車輪，兩諧振器對稱安裝于輪轂上，利用橡皮繩將車輪懸掛使其處于自由狀態(tài)。加速度傳感器安裝于靠近輪軸附近的輪轂上，如圖11(a)所示，利用敲擊錘在輪胎面上分別進行水平和垂直激勵，如圖11(b)所示。

圖10 諧振器安裝和車輪測試狀態(tài)Fig.10 Installation of resonator and the wheel in test status

圖11 加速度傳感器的安裝、測點及激勵方式Fig.11 Installation of acceleration sensor and the measurement points and excitation modes

圖12和圖13分別為垂直和水平激勵下1#和2#加速度傳感器的響應(yīng)。

圖13 2#加速度傳感器的響應(yīng)曲線(水平激勵)Fig.13 Response curve of 2# acceleration sensor(horizontal excitation)

從圖12、13可以看出，在諧振器設(shè)計頻率200 Hz附近加速度降低顯著，垂直激勵下最大降低量超過10 dB，水平激勵下最大降低量超過20 dB。說明了輪胎振動響應(yīng)測量方法可以評價諧振器的減振效果，但其反映諧振器的吸聲效果還不直觀。同時，由于自由狀態(tài)下車輪空氣室形狀和車輪行駛時被壓縮狀態(tài)有一定的差異，自由狀態(tài)下輪胎振動響應(yīng)測量方法在水平和垂直激勵時第一階響應(yīng)頻率相同(190 Hz)，而實際行駛車輪會被壓扁，其空氣室形狀在水平方向被拉長，垂直方向被壓短，有第一階(183 Hz)和第二階(198 Hz)兩個響應(yīng)頻率，這些頻率在量值上都不同。所以，輪胎振動響應(yīng)測量方法有其局限性。

3.2 道路測試

本文將前述有降噪效果的諧振器安裝在適應(yīng)于某車的車輪空氣室內(nèi)，每個輪子一對，安裝方式同圖10(a)，四個車輪共計4對(8 個)諧振器。在車內(nèi)主駕駛耳旁及副駕駛手套箱下方靠近地面各安裝一個傳聲器，測點位置如圖14所示。測量汽車在行駛狀態(tài)下安裝諧振器前后車內(nèi)的噪聲變化，以檢驗諧振器的降噪效果。經(jīng)多次測量發(fā)現(xiàn)在車速較低、粗糙路面情況下，車內(nèi)呈現(xiàn)的車輪空氣室聲共振顯著。安裝諧振器后這些共振峰值都得到了有效降低，結(jié)果如圖15和圖16所示。

圖14 測點位置Fig.14 Locations of measuring points

圖15 主駕駛座椅耳旁聲壓譜(石子路面，車速15 km·h-1)Fig.15 Thesoundpressure spectrums besidethe driver′s ear at the speedof15km·h-1ongravelroad

圖16 副駕駛靠近地面處聲壓譜(水泥粗糙路面，車速40 km·h-1)Fig.16The soundpressure level spectrumsnearthe groundofco-pilot at the speedof40km·h-1 on rough cement pavement

圖17為道路測試和管道測試獲得的諧振器的降噪量。管道測試選用了一個諧振器，實車路試每個車輪安裝4個諧振器，共16個。由于管道安裝諧振器數(shù)量少，其降噪量偏小，但在需要降噪的200 Hz附近頻段，都呈現(xiàn)出一致的降噪趨勢。

3.3 三種測量方法對比

從2.3節(jié)的管道測試結(jié)果可以看出，在設(shè)計頻率195Hz附近諧振器有明顯的降噪效果，也有一定的降噪帶寬。3.1節(jié)的輪胎振動測量顯示，諧振器有一定的降噪減振效果。但因自由狀態(tài)下輪胎空氣室的第一階固有頻率(190 Hz)高于輪胎行駛時被壓縮后空氣室的第一階固有頻率(183 Hz)，低于第二階固有頻率(198 Hz)，所以，輪胎振動測量的輪胎固有特征和實際行駛時有一定的差距，不能準(zhǔn)確反映實際車輛行駛時的響應(yīng)特征，只能近似反映該特征，因此，該方法有其局限性。而3.2節(jié)路試結(jié)果既反映了實車行駛車輪空氣室的共振特征，又說明了和設(shè)計頻率及聲學(xué)管道測試結(jié)果相一致。所以，聲學(xué)管道盡管不能在降噪量值上和實車相當(dāng)，但在降噪特征上兩者一致。因此，它可以成為諧振器研制過程測量其降噪效果簡單易行且準(zhǔn)確可靠的測試平臺。

4 結(jié) 論

本文針對在汽車車輪空氣室安裝的諧振器降噪效果評估中，常用輪胎振動測量方法和路試測量方法較為復(fù)雜繁瑣的問題，提出了一套聲學(xué)管道測量方法，介紹了這種測量方法的原理、測試平臺的設(shè)計原則、設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)及測量評價方法。利用建成的一套測量平臺，對不同的測量方法進行研究，提出了適合車輪空氣室諧振器降噪效果評估的方法，并通過對輪胎振動測量和路試測量結(jié)果進行比較，說明該聲學(xué)管道測量方法是諧振器研制過程中測量其降噪效果簡單易行、且準(zhǔn)確可靠的測試方法。