某SUV后視鏡鏡臂氣動噪聲試驗

劉海軍, 郭航,彭興芝, 吳楊

(1.河北大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002；2.長城汽車股份有限公司 河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000)

車速超過100 km/h時，氣流流經(jīng)車身表面段差、縫隙、空腔及凹凸不平處發(fā)生分離，產(chǎn)生湍流壓力脈動，進(jìn)而形成主要?dú)鈩釉肼曉?該噪聲源是破壞司乘人員舒適性的關(guān)鍵因素，進(jìn)而影響顧客對乘車的滿意度.因此，氣動噪聲的研究具有重要意義.

國外學(xué)者對氣動噪聲的研究較早,英國科學(xué)家Lighthill[1-2]將流體的連續(xù)性方程和運(yùn)動方程聯(lián)立，推導(dǎo)出了聲學(xué)的基本方程，同時將復(fù)雜的聲學(xué)問題分為聲場和流場分別進(jìn)行求解，這就是經(jīng)典的聲類比方法的思想.目前運(yùn)用聲類比方法，可以解決氣流由車表面分離產(chǎn)生的噪聲問題，Marie[3]利用該方法對車外氣動噪聲源傳遞至車內(nèi)噪聲進(jìn)行預(yù)測，并評估了湍流噪聲和壁面壓力脈動噪聲對車內(nèi)影響貢獻(xiàn)的權(quán)重.針對外氣動噪聲源的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)后視鏡、A柱、門把手和雨刮器等是形成氣動噪聲源的主要外部附屬部件[4-7].這些噪聲源所在的車外某些區(qū)域(A柱-側(cè)窗及后視鏡區(qū)域，前風(fēng)擋-通風(fēng)蓋板及A柱區(qū)域和前輪區(qū)域)是影響車內(nèi)噪聲的關(guān)鍵區(qū)域[8].在后視鏡、A柱及側(cè)窗噪聲關(guān)鍵區(qū)域，Richard、Hartmann等[9-10]使用聲學(xué)風(fēng)洞對汽車外后視鏡產(chǎn)生的氣動噪聲進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)后視鏡產(chǎn)生的氣動聲源對車內(nèi)聲學(xué)環(huán)境影響較大.Terakado等[11]使用氣動聲學(xué)風(fēng)洞對A柱雨水槽產(chǎn)生的氣動噪聲進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)雨水槽填平可以減少氣流的分離.車外關(guān)鍵區(qū)域的氣流分離后產(chǎn)生壓力脈動和湍流噪聲，經(jīng)玻璃傳遞至車內(nèi)從而影響司乘人員的舒適性.因此，研究高速氣流形成的氣動噪聲對車內(nèi)噪聲的影響至關(guān)重要.

國內(nèi)學(xué)者對氣動噪聲的研究起步較晚，大部分主要研究了后視鏡、雨刮器和門把手等關(guān)鍵部位的噪聲問題[12-13]，同樣發(fā)現(xiàn)外后視鏡產(chǎn)生的噪聲源是對車內(nèi)噪聲影響較大的外附屬物，汽車研發(fā)過程中造型階段，通過優(yōu)化控制后視鏡的結(jié)構(gòu)可以改善車外流場分布，進(jìn)而改善車內(nèi)的噪聲水平.陳鑫等[14]對汽車外后視鏡產(chǎn)生氣動噪聲源的問題進(jìn)行了研究.賀銀芝等[15-16]利用聲學(xué)風(fēng)洞和螺旋形聲陣列對車輛的氣動噪聲源進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)后視鏡對車內(nèi)噪聲環(huán)境的影響較為突出.劉海軍等[17]采用數(shù)值仿真的方法對某SUV的外后視鏡對車內(nèi)聲場的響應(yīng)進(jìn)行了研究，得出外后視鏡的導(dǎo)流筋和雨水槽可以起到抑制聲源的作用進(jìn)而提高了車內(nèi)司乘人員的舒適性.陳鑫等[18]提出仿生外后視鏡的鏡罩在一定程度上可以改善前側(cè)窗上壓力的分布，對整車的氣動噪聲都有積極的影響.Duan等[19]使用仿真的方法對后視鏡區(qū)域的外流場進(jìn)行計算，得到車表面的壓力脈動分布.唐榮江等[20]對某商用車外后視鏡區(qū)域氣動噪聲源進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)中低頻噪聲為主要的氣動噪聲源.袁海東等[21]采用求解擾動量方程的方法，研究了高速行駛的汽車前側(cè)窗表面的壓力分布，得到后視鏡是低頻激勵的主要貢獻(xiàn)者.王毅剛等[22]使用渦聲理論的方法研究了經(jīng)A柱的氣流流場分布，得到通過優(yōu)化車外流場可以改善車內(nèi)司乘人員用車的舒適性.

綜上所述，國內(nèi)外均對氣動噪聲進(jìn)行了相關(guān)研究，多數(shù)關(guān)注的是后視鏡和A柱的氣動噪聲外流場的分布規(guī)律，少數(shù)人研究了后視鏡對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)，至今很少見到采用試驗的方法研究后視鏡鏡臂長度參數(shù)對車內(nèi)噪聲影響的文獻(xiàn).

因此，本文采用試驗的方法研究了后視鏡鏡臂不同長度參數(shù)(垂直于側(cè)窗方向)對車內(nèi)噪聲環(huán)境影響的變化規(guī)律，為后視鏡鏡臂長度的設(shè)計提供理論依據(jù).

1 試驗風(fēng)洞與模型

1.1 試驗風(fēng)洞

圖1 整車氣動聲學(xué)風(fēng)洞Fig.1 Aerodynamic acoustic wind tunnel of the shanghai

試驗在同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心整車氣動聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行.該風(fēng)洞是3/4開口回流式風(fēng)洞，其噴口面積為27 m2，背景噪聲水平在160 km/h風(fēng)速下低于61 dB(A)，試驗最大風(fēng)速可達(dá)250 km/h，如圖1所示.測試時，試驗車固定在風(fēng)洞的駐室內(nèi)試驗段天平轉(zhuǎn)盤的中心位置.在試驗過程中，風(fēng)洞邊界層抽吸及移動帶等系統(tǒng)關(guān)閉.試驗溫度控制在22～24 ℃，相對濕度為36%～40%，環(huán)境氣壓為101.3～101.35 kPa.

1.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗車輛為ET(汽車開發(fā)過程中用于試驗的車輛)階段小批量生產(chǎn)的某SUV樣車車型，車輛狀態(tài)良好，整車無異響，整個車身表面用車輛專用密封膠帶進(jìn)行密封.該車輛后視鏡鏡臂安裝在三角窗上.后視鏡鏡臂按照實(shí)驗長度(30、40、 50和60 mm)在試制車間加工制作，不同長度的后視鏡鏡臂均可以牢固固定在三角窗上，如圖2所示.

圖2 試驗車模型Fig.2 Model of the testing vehicle

1.3 試驗測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)采用德國HEAD acoustics公司的振動與噪聲測量及分析系統(tǒng).試驗由HMS Ⅲ數(shù)字人工頭的雙耳信號處理系統(tǒng)接收信號，經(jīng)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SQlabⅢ傳至雙耳信號處理系統(tǒng)(采集軟件HEAD Recorder)，使用LMS對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

2 試驗方法

2.1 測點(diǎn)布置

測試過程中，乘員艙內(nèi)主副駕駛位置和左右后排乘客位置放置4個人工頭，并在主副駕位和左右后排座椅的頭枕處放置8個麥克風(fēng)，測試信號線經(jīng)過后排座椅由行李箱引入風(fēng)洞天平轉(zhuǎn)盤內(nèi)的接口盒，如圖3所示，再經(jīng)由天平基座接入測控室的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng).

圖3 測試系統(tǒng)Fig.3 Testing system

2.2 試驗方法

試驗過程中，用車輛專用密封膠帶把整個測試車輛表面的縫隙、溝槽、前后大燈、前后霧燈、進(jìn)氣格柵、4門側(cè)窗、前風(fēng)擋、后風(fēng)擋、后三角窗等區(qū)域進(jìn)行密封，密封后保留了車身表面空腔、縫隙及段差的狀態(tài)，排除車身密封泄漏引起的氣吸噪聲影響，車內(nèi)保持泄漏噪聲較低的“全密封狀態(tài)”.使車內(nèi)噪聲水平處于最低狀態(tài)，將此方案定位基準(zhǔn)狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化.

2.3 試驗工況

本試驗的各種方案均在測試車輛外表面進(jìn)行全密封，為防止車外氣流直接進(jìn)入到乘員艙，測試過程中試驗車空調(diào)系統(tǒng)須設(shè)置為內(nèi)循環(huán)模式，并關(guān)閉.測試過程中偏航角度為0°，測試風(fēng)速為120、140及160 km/h，針對后視鏡鏡臂長度為30、40、50、60 mm 4種工況進(jìn)行了測試.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 車內(nèi)能量分布規(guī)律

車內(nèi)能量可以一定程度上反映車內(nèi)噪聲水平，車內(nèi)能量與車外噪聲源直接關(guān)聯(lián).聲壓級可直接反應(yīng)聲能量的強(qiáng)弱，且是一個客觀物理量，因此，可以采用聲壓級對車內(nèi)聲能量進(jìn)行評價.

如圖4a-c所示，縱坐標(biāo)為主駕外耳的聲壓級，橫坐標(biāo)為頻率.各方案的聲壓級在中高頻率隨著頻率的增大而下降，500 Hz以下，聲壓級隨著頻率的增大迅速增加，500 Hz以上隨著頻率的增加迅速減小.因此氣流分離后產(chǎn)生的湍流壓力脈動對中低頻的聲壓級影響較大，而聲音壓力脈動對中低頻的聲壓級影響較小，這是由于湍流產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)大于(可以達(dá)到1個數(shù)量級)聲音產(chǎn)生的能量.湍流壓力脈動和聲學(xué)脈動的頻率特性有較大差異，湍流壓力脈動在中低頻隨著頻率的增大而迅速增加，在中高頻隨著頻率的增大迅速衰減，而聲學(xué)壓力脈動在中低頻隨著頻率增加而緩慢變化，在中高頻隨著頻率的增加而緩慢衰減.

a.120 km/h;b.140 km/h;c.160 km/h.圖4 偏航角為0°的主駕位外耳聲壓頻譜Fig.4 Sound pressure spectrum of the driver left ear with a yaw angle of 0° in each plan

各車速下，鏡臂40 mm和60 mm的頻譜曲線隨著頻率的變化規(guī)律基本一致，兩者的聲壓級水平也相當(dāng)，鏡臂30 mm頻譜曲線在曲線族上方，聲壓級也最大.

鏡臂長度從30 mm變?yōu)?0 mm時，聲壓級下降0.7～0.9 dB(A)，聲壓級減小量為0.5%～1.21%，從40 mm變?yōu)?0 mm時，聲壓級基本相當(dāng)，幾乎無改變，鏡臂長度大于50 mm時，聲壓級變化較小，甚至有增大的趨勢，這是由于鏡臂長度增大到一定長度后，后視鏡的湍流與側(cè)窗的干擾變?nèi)?，A柱引起的湍流逐漸占主導(dǎo)所致，如表1所示.考慮到后視鏡的視野規(guī)范要求，鏡臂不能無限制的增大，鏡臂長度參數(shù)控制在40～50 mm較好.

后視鏡鏡臂處在A柱-側(cè)窗-后視鏡氣流狀態(tài)變化比較復(fù)雜的區(qū)域，研究后視鏡鏡臂長度對車內(nèi)噪聲環(huán)境影響的變化規(guī)律具有重要意義.

表1 聲壓級，語言清晰度及響度Tab.1 Sound pressure level, articulation and loudness

3.2 車內(nèi)聲品質(zhì)分布規(guī)律

氣動噪聲對車內(nèi)聲品質(zhì)的影響與一般的振動噪聲不同，氣動噪聲是寬頻噪聲，對車內(nèi)聲品質(zhì)影響較大.聲品質(zhì)是司乘人員對噪聲源的主觀感受，而且影響司乘人員的駕乘感受.因此，可以采用與主觀感受及噪聲源均有相關(guān)的物理量(語言清晰度和響度)來評價車內(nèi)聲品質(zhì).

各車速條件下，探究后視鏡鏡臂長度對車內(nèi)語言清晰度的影響變化規(guī)律，對分析車內(nèi)聲品質(zhì)具有重要意義，鏡臂長度從30 mm變?yōu)?0 mm時，語言清晰度相對增大9%～14%，鏡臂長度從40 mm變?yōu)?0 mm后，語言清晰度相對增大1%～2.6%，變化不明顯，如表1所示.綜合考慮，為得到較好的語言清晰度，鏡臂長度控制在40～50 mm較合理.

響度是人耳對噪聲源強(qiáng)弱直接感受的主觀物理量，可以用來評價車內(nèi)聲品質(zhì)優(yōu)劣，各車速條件下，研究后視鏡鏡臂長度參數(shù)對車內(nèi)響度的影響變化規(guī)律，具有重要的意義，鏡臂長度從30 mm變?yōu)?0 mm時，響度減小0.5～0.6宋，相對減小量為1.7%～2.1%，響度隨鏡臂長度的增加減小較快.鏡臂長度從40 mm變?yōu)?0 mm時，響度減小0.1～0.3宋，相對減小量0.3～0.7%，隨著速度的增加鏡臂響度變化趨緩，鏡臂長度增加響度基本不再變化，這是由于后視鏡引起的氣動噪聲對車內(nèi)的影響逐漸減弱，同時A柱湍流引起的氣動噪聲對車內(nèi)的影響逐漸增強(qiáng)，如表1所示.建議鏡臂長度控制在40～50 mm較合理.

后視鏡鏡臂長度參數(shù)的變化產(chǎn)生的氣動噪聲源為寬頻噪聲，該聲源通過控制語言清晰度和響度2個物理量來實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)聲品質(zhì)的優(yōu)化是合理和可行的.

4 結(jié)論

采用試驗的方法探究了后視鏡鏡臂長度對車內(nèi)聲能量和聲品質(zhì)的影響，結(jié)論如下：

1)后視鏡鏡臂長度對車內(nèi)聲能量影響規(guī)律呈對數(shù)變化規(guī)律.鏡臂長度在30～40 mm時，能量相對減小0.5%；在40～50 mm時，相對減小0.04%，50 mm以上能量變化較小.

2)后視鏡鏡臂長度對車內(nèi)語言清晰度的影響呈對數(shù)變化規(guī)律.鏡臂長度在30～50 mm時，語言清晰度相對增大9%～14%；而在50～60 mm時，相對增大1%～2.6%.

3)鏡臂長度對車內(nèi)響度的影響呈二次方程規(guī)律.鏡臂長度在30～40 mm時，相對減小1.7%～2.1%；40～60 mm時，相對減小0.3%～0.7%.

4)采用語言清晰度和響度2個主觀物理量對車內(nèi)聲品質(zhì)的評價是比較合理和可行的，結(jié)合后視鏡視野法規(guī)要求，優(yōu)化控制過程中，后視鏡鏡臂長度在40～50 mm較合理.