汽車(chē)天窗風(fēng)振噪聲的道路試驗(yàn)研究

黃麗那，藍(lán)志坤， 孫冰寒， 李俊

(1.長(zhǎng)春大學(xué)，吉林長(zhǎng)春 130022；2.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，吉林長(zhǎng)春 130000)

0 引言

汽車(chē)的振動(dòng)、噪聲和舒適性(NVH)日益成為新車(chē)型研制開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，由于任何車(chē)型都會(huì)產(chǎn)生風(fēng)噪，而風(fēng)噪聲的大小將直接影響汽車(chē)NVH的性能[1]。風(fēng)噪聲即汽車(chē)車(chē)身與空氣發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，而在所有風(fēng)噪類(lèi)型中，風(fēng)振噪聲尤為特殊，它常發(fā)生在中低工況下，不同車(chē)型車(chē)速范圍常在30～90 km/h[2]，開(kāi)啟天窗或者側(cè)窗時(shí)產(chǎn)生低頻“空空”的發(fā)悶聲，雖然它不易被人耳聽(tīng)到，但它產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力卻使乘客感到煩躁和疲倦。目前，國(guó)內(nèi)外汽車(chē)廠商進(jìn)行汽車(chē)風(fēng)振噪聲研發(fā)時(shí)，常采用仿真分析方法和風(fēng)洞試驗(yàn)方法[3]。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌蛑鲃?dòng)控制風(fēng)速和風(fēng)量，受環(huán)境變化影響較小，但是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室投資巨大、建設(shè)周期長(zhǎng)，目前，僅有同濟(jì)大學(xué)的聲學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室可以用于測(cè)試，汽車(chē)風(fēng)振噪聲研究和改進(jìn)卻刻不容緩，因此，在沒(méi)有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)條件下開(kāi)展汽車(chē)風(fēng)振噪聲改進(jìn)分析具有極大的工程實(shí)用價(jià)值。

1 風(fēng)振噪聲的產(chǎn)生原理

汽車(chē)以低速行駛，開(kāi)啟天窗這一實(shí)際使用過(guò)程伴隨著風(fēng)振噪聲的產(chǎn)生。天窗開(kāi)啟后，車(chē)內(nèi)相對(duì)靜止的氣流與車(chē)外相對(duì)高速的氣流相互接觸，高、低速氣流之間的壓力差產(chǎn)生一個(gè)剪切層，當(dāng)車(chē)內(nèi)外氣流的速差超過(guò)一個(gè)臨界值后,剪切層就會(huì)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，隨著汽車(chē)向前行駛，剪切層逐漸形成旋渦,在天窗開(kāi)口上部沿著氣流一起向后流動(dòng)，并呈現(xiàn)周期性散發(fā)。旋渦流動(dòng)頻率主要受氣流速度和車(chē)頂外形的影響，當(dāng)旋渦撞擊到開(kāi)口的后緣時(shí),旋渦破碎,產(chǎn)生一個(gè)向四面?zhèn)鞑サ膲毫Σ?，而這部分壓力波傳到開(kāi)口的前緣,又將再次引發(fā)旋渦的脫落,形成反饋回路。此時(shí)車(chē)廂內(nèi)形成空腔，產(chǎn)生固有頻率，該頻率與開(kāi)口的幾何尺寸和車(chē)內(nèi)造型有著很大的關(guān)系，當(dāng)旋渦的脫落頻率與車(chē)廂的空氣固有頻率耦合時(shí),將會(huì)發(fā)生赫爾姆霍茲共振效應(yīng)[4]，從而產(chǎn)生風(fēng)振噪聲，如圖1所示。

2 風(fēng)振噪聲數(shù)學(xué)模型

從風(fēng)振噪聲產(chǎn)生的原理方面考慮，只要車(chē)內(nèi)腔固有頻率fr與旋渦脫落頻率fs相等，即產(chǎn)生風(fēng)振噪聲。根據(jù)赫爾姆霍茲固有頻率經(jīng)驗(yàn)公式[4]可知，對(duì)于車(chē)型固定，fr是只與幾何尺寸相關(guān)而與車(chē)速不相關(guān)的常數(shù)。

旋渦從車(chē)窗開(kāi)口前緣向后緣脫落的時(shí)間周期T1：

(1)

式中：Dd為旋渦從前緣到后緣流過(guò)天窗開(kāi)口的距離；0.5v為旋渦流過(guò)的速度，即綜合考慮室外順風(fēng)和逆風(fēng)求得平均車(chē)速。

旋渦破碎產(chǎn)生的壓力波由后緣傳到天窗開(kāi)口前緣的時(shí)間周期T2：

(2)

式中：Dd為旋渦壓力波從后緣到前緣流過(guò)天窗的開(kāi)口距離；傳播速度用聲速C表示。

旋渦脫落頻率fs可以由公式(3)表達(dá)，由此可見(jiàn)旋渦脫落頻率fs是與車(chē)速相關(guān)的一元線性方程，車(chē)內(nèi)腔固有頻率與車(chē)速無(wú)關(guān)，fs一定與fr相交，此相交點(diǎn)即風(fēng)振噪聲產(chǎn)生的車(chē)速a(km/h)與頻率b(Hz)特征，如圖2所示。

(3)

3 道路風(fēng)振噪聲測(cè)試

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

針對(duì)某款帶天窗配置的試驗(yàn)車(chē)型，道路試驗(yàn)環(huán)境要求為柏油光滑路面，環(huán)境風(fēng)速不大于2級(jí)風(fēng)。由于風(fēng)振噪聲的產(chǎn)生與車(chē)速關(guān)系密切，因此使用GPS獲取車(chē)速并將車(chē)速和駕駛員座位入耳處聲壓共同輸出，考慮到車(chē)內(nèi)風(fēng)振噪聲受風(fēng)向影響，如順風(fēng)行駛時(shí)車(chē)內(nèi)風(fēng)振噪聲相對(duì)逆風(fēng)行駛時(shí)小，測(cè)試時(shí)必須在環(huán)道的兩個(gè)方向上采集車(chē)內(nèi)風(fēng)振噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理。

3.2 測(cè)試工況

目前，國(guó)內(nèi)外汽車(chē)廠商進(jìn)行汽車(chē)風(fēng)振噪聲測(cè)試時(shí)，通常需要風(fēng)洞試驗(yàn)條件，因?yàn)樵陲L(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)可以獲得單純的風(fēng)振噪聲，但是為了接近實(shí)際情況，更貼近駕乘者的實(shí)際感受，麥克風(fēng)布置在駕駛員內(nèi)耳位置。選擇在室外道路上進(jìn)行風(fēng)振噪聲測(cè)試，為減少發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)風(fēng)振噪聲評(píng)價(jià)和分析的干擾，理論上可以在汽車(chē)行駛時(shí)突然關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，利用汽車(chē)慣性前行來(lái)評(píng)價(jià)和分析車(chē)內(nèi)風(fēng)振噪聲，但這樣駕駛車(chē)輛進(jìn)行測(cè)試時(shí)非常危險(xiǎn)，不具備實(shí)際操作性。且由于汽車(chē)風(fēng)振噪聲低頻產(chǎn)生的聲壓級(jí)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他零部件正常運(yùn)行產(chǎn)生的聲壓級(jí)水平，因而忽略其他噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)風(fēng)振噪聲影響，后續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證這一結(jié)論。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型可知，旋渦脫落頻率fs為與車(chē)速相關(guān)的一元線性方程，車(chē)內(nèi)腔固有頻率fr為常數(shù)，不隨時(shí)間改變，因此fs一定與車(chē)內(nèi)腔固有頻率fr相交，此相交點(diǎn)即風(fēng)振噪聲產(chǎn)生的車(chē)速與頻率特征。為了明確產(chǎn)生風(fēng)振噪聲特征，通過(guò)試驗(yàn)獲取天窗風(fēng)振噪聲的具體車(chē)速與頻率特性。

車(chē)輛行駛工況為節(jié)氣門(mén)半開(kāi)加速工況和勻速工況：

(1)加速工況。天窗開(kāi)啟至最大位置，車(chē)速以節(jié)氣門(mén)半開(kāi)從25 km/h加速到100 km/h,中間進(jìn)行車(chē)速掃射，查找風(fēng)振噪聲產(chǎn)生的車(chē)速范圍。為了明確測(cè)試結(jié)果為風(fēng)振噪聲特性，結(jié)合主觀評(píng)價(jià)方法[5]，采取相同步驟測(cè)試無(wú)風(fēng)振噪聲產(chǎn)生工況，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，有助于提高道路測(cè)試可信度。

(2)勻速工況。勻速(車(chē)輛行駛速度的選擇以主觀評(píng)價(jià)及加速工況數(shù)據(jù)分析出的最大風(fēng)振噪聲對(duì)應(yīng)的速度為準(zhǔn))測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為10 s，根據(jù)天窗既定的設(shè)計(jì)模式。

4 風(fēng)振噪聲測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)比分析方法明確風(fēng)振噪聲是否產(chǎn)生，采用主觀評(píng)價(jià)方法驗(yàn)證這一測(cè)試，并且通過(guò)試驗(yàn)方法捕捉風(fēng)振噪聲產(chǎn)生的車(chē)速和頻率范圍特點(diǎn)，對(duì)于減少風(fēng)振噪聲的優(yōu)化方案提供客觀數(shù)據(jù)。

針對(duì)天窗開(kāi)啟但未產(chǎn)生風(fēng)振噪聲的模式下的加速測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析,由于風(fēng)振噪聲產(chǎn)生的頻率較低，因此噪聲聲壓級(jí)均采用無(wú)計(jì)權(quán)后處理。結(jié)果如圖3所示，駕駛員內(nèi)耳位置未見(jiàn)明顯聲壓級(jí)波峰，主觀感受良好。

天窗開(kāi)啟且駕駛員主觀感受有明顯壓迫感，加速測(cè)試結(jié)果如圖4所示。車(chē)速25～60 km/h時(shí)，聲壓級(jí)水平明顯高于其他噪聲，頻率范圍處于10～25 Hz，通過(guò)切片圖可以看出最高聲壓級(jí)達(dá)到120 dB(A)，此時(shí)頻率為16.87 Hz，發(fā)生風(fēng)振噪聲的車(chē)速為46.22 km/h。

為了得到進(jìn)一步的驗(yàn)證，在車(chē)內(nèi)右后方乘客位置內(nèi)耳處增加麥克風(fēng)，在上述風(fēng)振噪聲發(fā)生的車(chē)速下進(jìn)行勻速行駛，結(jié)果如圖5所示。圖中曲線2表示乘客位置內(nèi)耳噪聲，曲線1表示駕駛員位置內(nèi)耳噪聲，獲得聲壓級(jí)峰值達(dá)到120 dB(A),結(jié)論與上述一致,與駕駛員主觀感受完全吻合。

5 結(jié)束語(yǔ)

道路風(fēng)振噪聲測(cè)試方法無(wú)需風(fēng)洞試驗(yàn)條件的配合，大大縮短開(kāi)發(fā)周期、節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用，而且能還原實(shí)際場(chǎng)景，符合駕乘者使用與用戶(hù)感受。工程實(shí)踐證明：道路風(fēng)振噪聲測(cè)試、客觀評(píng)價(jià)及分析風(fēng)振噪聲，為客戶(hù)解決汽車(chē)風(fēng)振噪聲抱怨及優(yōu)化汽車(chē)風(fēng)振噪聲方面提供思路。