汽車發(fā)動機艙蓋前密封條處口哨聲抑制方法的研究

摘 要：某新能源車型開發(fā)過程中，在高速100km/h以上時，駕駛室明顯感知到發(fā)動機艙蓋前部有口哨般嘯叫聲。通過風洞和道路驗證，表明發(fā)動機艙蓋前部的造型設計、前保格柵的通風面積、發(fā)動機艙蓋前部密封空腔的大小，對該嘯叫聲有較大影響。本文以此為背景，對嘯叫聲的發(fā)聲機理進行深入的研究，并設計多個方案進行驗證，最終通過減小發(fā)動機艙蓋前部密封空腔面積解決了該嘯叫聲。同時總結了抑制嘯叫聲的方法，為后續(xù)新能源車型的風噪開發(fā)提供了參考。

關鍵詞：嘯叫聲；通風面積；密封空腔；風噪

中圖分類號：U467.4 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2024）04-0035-06

Study on the Whistling Suppression in the Front of Hood

ZHOU Wei， Ma Bao-lin， Li Lei， Liu Shun-li， Zhu Bo

（Chery Automobile Co.， Ltd， Wuhu 241009， China）

Abstract： During the development test of a new energy vehicle， whistling was obviously perceived in the front of the hood at a high speed of 100km/h or more. In the wind tunnel and road test， the results show that the shape design of the front of the hood， the state of the ventilation area between the hood and front bumper， and the size of the sealing cavity in the front of the hood have a great influence on the whistling. As result of that， this paper will research on the mechanism of whistling， designs several proposals to test， finally solves whistling by reducing the area of the sealing cavity in front of the hood. At the same time， the methods of suppressing whistling are summarized， which provides a reference for the subsequent development of wind noise of new energy vehicles.

Key Words： Whistling; Ventilation Area; Sealed Cavity; Wind Noise

1 前言

隨著人們對汽車的行駛舒適性要求越來越高，汽車密封條不僅要滿足一般的密封設計要求，而且還要滿足噪聲、可靠性等要求，而噪聲是影響整車NVH性能的重要因子，因此降低噪聲對顧客的感知提升非常重要[1]。通過研究及試驗發(fā)現(xiàn)：發(fā)動機艙蓋前部的造型設計、前保格柵通風面積、發(fā)動機艙蓋前部的密封空腔大小等對發(fā)動機艙蓋前部嘯叫聲的發(fā)生有重要影響，考慮到工程設計中需確保造型的極致需求，所以本文重點研究了嘯叫聲的發(fā)生機理和發(fā)動機艙蓋前部的密封空腔大小[2]。

目前國內外針對前風擋玻璃區(qū)域以及前保區(qū)域的風噪有一定研究，但針對發(fā)動機艙蓋前部的嘯叫聲研究較少。主要有顧曉卓[3]通過更改車門側密封條外唇邊根部材料，提高壓載負荷，采用在A柱接角處增加兩個凸筋的方案，并通過試驗驗證，解決了“嗚嗚”風噪問題。黃曉勝等[4]通過道路試驗采集嘯叫聲相關聲場信號，并經過聲源定位、問題解析、機理分析明確了嘯叫聲的來源及其幅頻特性，找到了影響嘯叫聲大小的關鍵參數(shù)，并基于此對格柵肋條結構進行優(yōu)化設計，優(yōu)化方案經過整車測試驗證具有明顯效果。李明亞等[5]對某SUV的發(fā)動機艙蓋造型特征進行仿真分析，通過對機艙蓋風噪性能進行優(yōu)化，得到了整車風噪較低的發(fā)動機艙蓋造型。楊飄等[6]利用流體力學和流體聲學的理論，分析了口哨的發(fā)聲原理，總結出了影響汽車前部風噪聲中客戶不可接受的高頻口哨音的三個解決方向：改變流場方向、移除擾流因子、填堵諧振腔。

本文理論與試驗相結合，深入分析了嘯叫聲的發(fā)生機理，針對出現(xiàn)的問題提出優(yōu)化方案，同時利用仿真軟件模擬及實物驗證解決此問題。最后總結了抑制嘯叫聲的方法，為后期新能源車型發(fā)動機蓋前部密封條布置提供一個參考及優(yōu)化方向。

2 發(fā)動機蓋前部異響問題描述

2.1 異響描述

某新能源車型風洞測試過程中，速度100km/h以上時，感知到發(fā)動機艙蓋前部有明顯的口哨般嘯叫聲，且車速越大，響度越大。通常這種口哨般嘯叫聲集中發(fā)生在發(fā)動機艙蓋與周邊件匹配處，多出現(xiàn)于發(fā)動機艙蓋與前保格柵的區(qū)域。此車型前保為半封閉式，氣流非常容易在該處腔體內產生渦流回旋并引起共振，從而產生口哨般嘯叫聲。嘯叫聲發(fā)生位置如圖1所示：

2.2 嘯叫源測試

采用LMS軟件振動噪聲分析系統(tǒng)及設備，對嘯叫聲進行數(shù)據(jù)采集及處理。試驗車輛為接近量產階段的工程樣車，車輛的外飾件、密封及隔聲系統(tǒng)均達到量產水平，車外麥克風布置在車頭前側，行駛工況為勻速120km/h，該行駛速度可以保證氣流有足夠的速度激勵出發(fā)動機艙蓋前部嘯叫聲，同時可避免因車速過大帶來的湍流噪聲干擾，采集的故障車車內聲壓級PR值，如圖2所示。從圖示觀察，高頻7000Hz～10000Hz時有嘯叫產生。

3 發(fā)動機艙蓋前部嘯叫聲原因分析

3.1 嘯叫聲的形成原理

穩(wěn)定的氣流撞擊到邊楞上，會產生周期性的擺動，如圖3中a）所示。當邊楞兩側有空腔，氣流會產生周期性的擺動，當擺動頻率與空腔聲學模態(tài)頻率相近時，形成了流體-聲學共振，又稱為流體-聲學耦合振蕩，這種現(xiàn)象在宏觀上稱為嘯叫聲共振放大噪聲[7]。

該車型前保與發(fā)動機艙蓋分縫處正對車頭行駛方向，在前保與發(fā)動機艙蓋匹配處布置密封條進行密封處理，發(fā)動機艙蓋前部密封條一直延伸到大燈兩側，整體形成導風結構，前保處與發(fā)動機艙蓋密封條形成半空腔，氣流非常容易進入空腔產生激勵，如圖3中b）所示。

高速情況下，汽車車頭前側周圍渦流強烈，特別當發(fā)動機艙蓋與前保間隙較小時，氣流在此區(qū)域的周期性擺動更為劇烈，如圖4所示，此時發(fā)動機艙蓋、前保、密封條所組成的半腔體與車外氣流不斷的交互，產生空腔模態(tài)，當空腔模態(tài)與擺動頻率相近時，就產生了“嘯叫”聲。

3.2 嘯叫聲的發(fā)生影響因素

根據(jù)嘯叫聲形成的原理，嘯叫聲的影響因素由氣流擺動頻率和空腔聲學模態(tài)頻率來決定，如圖5所示：

（1）影響氣流擺動頻率的因素：

本文中的發(fā)動機蓋前密封腔為半開口空腔，參考Rossiter提出的公式，擺動頻率方程可以表達為：

n=1，2，3···

其中：U、H分別為自由流速度和空腔開口高度，如圖6所示，M為馬赫數(shù)，n為開口腔數(shù)，1/k為由試驗確定的常數(shù)，空腔長寬比不同，流速不同，修正參數(shù)需取不同值。當馬赫數(shù)M?1時，試驗常數(shù)1/k取1.75。

從擺動頻率公式可知：

（a）氣流速度越大，氣流擺動頻率越大；

（b）空腔開口高度越小，氣流擺動頻率越大；

風速從0-200km/h漸變，經計算，理論上可激勵起7704Hz以下的擺動。不同速度，不同空腔開口高度產生的擺動頻率如表1所示：

（2）影響空腔聲學模態(tài)頻率的因素：

本文中的發(fā)動機前密封腔為半開口空腔，半開口空腔模態(tài)方程式為：

其中c為聲速，n為腔數(shù)，L為空腔長度，如圖7所示：

從空腔聲學模態(tài)公式可知：

（a）氣流速度越大，空腔聲學模態(tài)頻率越大；

（b）空腔長度越小，空腔聲學模態(tài)頻率越大；

風速一定時，空腔長度越大，聲學模態(tài)頻率越小。不同空腔長度產生的聲學模態(tài)，如表2所示。

4 動機艙蓋前部異響問題解決方案

4.1 抑制嘯叫聲的方法

基于氣流擺動在高速時產生了4000Hz～ 8000Hz的頻率，空腔長度在11～20mm時產生了4000Hz～ 8000Hz的模態(tài)，比較相近，因此會產生流體-聲學共振。此段頻率又是人耳聽到的高頻頻率段，所以乘客不能接受。

由于氣流擺動頻率的兩個因素與造型、發(fā)動機蓋布置有關，所以能優(yōu)化的空間不多。因此通過降低空腔開口高度、減小空腔長度，使空腔模態(tài)頻率大于10000Hz以上，與高速時氣流擺動頻率8000Hz不產生耦合發(fā)生共振，從而來降低嘯叫聲。

為避免空腔模態(tài)與邊楞擺動頻率耦合共振，需將空腔長度控制在8mm以下：聲腔模態(tài)大于10000Hz；氣流的周期性擺動小于8000Hz。

通過理論分析，總結建立以下方式校核：

（1）做發(fā)動機艙蓋前部主斷面，至少包括Y0及兩端頭的3個斷面，如圖8中a）所示；

（2）由于斷面通常為異形，通過以下方式計算空腔長度；

（a）密封條取壓縮后斷面狀態(tài)；

（b）以發(fā)動機蓋前端R角為起點，垂直與前保做空腔截面；

（c）測量空腔截面面積S，如圖8中b）所示；

（d）量空腔前端頭垂直開口高度H1和后端頭垂直開口高度H2 ，如圖8中b）所示；

（e）空腔長度： 。

（3）校核標準：L≤8mm，S≤80mm2 。

4.2 密封條結構及布置優(yōu)化方案

基于上述抑制嘯叫聲的原理，采用以下快速方案進行驗證，如圖9所示：方案一，減小前部空腔面積，用泡棉填補前保與發(fā)動機蓋之間的縫隙，嘯叫聲明顯減弱；方案二，去除密封條，開放式發(fā)動機艙（ICE、PHEV等無機罩裝飾罩或儲物盒）車型可消除嘯叫，但封閉式發(fā)動機艙（比如帶儲物盒及密封條）仍然會有寬頻風噪；方案三，完全密封，用布基膠帶將前保與發(fā)動機艙蓋之間的縫隙封堵，嘯叫聲也完全消失。

圖10為車外測點得到的聲壓級頻譜，從聲壓級曲線可以明顯看到，嘯叫聲聲源集中在7000Hz到10000Hz內，峰值中心頻率集中在8000Hz左右，可以看出原密封狀態(tài)的分貝值最大，填補海綿膠狀態(tài)較原密封狀態(tài)的分貝值有明顯降低，去除密封條狀態(tài)較填補海綿膠狀態(tài)的分貝值有一定減小，粘貼膠帶后進行封堵狀態(tài)的分貝值最低。

綜合成本及可實施性等因素，最終采用減小前部空腔面積來解決此類嘯叫聲。因此針對發(fā)動機艙前部密封進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化設計及驗證仿真結果如下：如圖11中a）所示，原密封條截面密封空腔區(qū)域面積比較大；如圖11中b）所示，優(yōu)化后密封條截面密封空腔面積進一步減?。蝗鐖D11中c）所示，經過總結的校核標準進行驗算，其結果滿足設計要求。

4.3 試驗驗證

（1）優(yōu)化方案最終驗證

圖12為風洞試驗中檢測到的聲壓級頻譜，從聲壓級曲線可以明顯看到，嘯叫聲聲源集中在7000Hz到10000Hz內，峰值中心頻率集中在8000Hz左右，搭載原密封條測得峰值分貝約為33dB，搭載優(yōu)化后密封條峰值分貝約為20dB，有效降低分貝值13dB。

（2）主觀評價

最終對樣車批量進行路試評價，主觀評估均無嘯叫聲，方案完全滿足設計要求，驗證結果如表3所示：

5 結語

本文結合某新能源車型發(fā)動機蓋前部嘯叫問題的解決案例，通過氣流擺動頻率、空腔模態(tài)的耦合振蕩推算出此類半空腔嘯叫發(fā)生的機理，并利用密封條的結構與布置解決了空腔模態(tài)與擺動頻率的耦合共振，從而抑制了嘯叫聲。

此外，本文通過嘯叫聲的發(fā)生機理及實車驗證結果，總結出此類問題設計解決方法，不僅提升了開發(fā)效率，還降低了開發(fā)成本，為后期開發(fā)項目提前解決此類問題提供了參考。

參考文獻：

[1]程志偉，葉志剛.乘用車氣密性和風噪的關系及車身設計的密封改進[J].汽車科技，2011，（02）：52-53+4.

[2]康強，顧鵬云，李潔，等.電動汽車電驅動高頻嘯叫噪聲評價方法研究[J].汽車工程，2019，41（06）： 682-687.DOI：10.19562/j.chinasae.qcgc. 2019.06.011.

[3]顧曉卓.某MPV前門區(qū)域風噪嘯叫與密封優(yōu)化分析[J/OL].應用聲學，1-6[2024-04-16].http： //106.52.218.247：8085/kcms/detail/11.2121.o4. 2023 0310.1258.002.html.

[4]黃曉勝，周萬田，宋俊，等.某SUV格柵嘯叫聲試驗研究[J]. 汽車科技，2021，（06）：68-72.

[5]李明亞，徐旭，劉二寶，等.某SUV車型機艙蓋風噪性能優(yōu)化研究[C]//中國汽車工程學會汽車空氣動力學分會.2018中國汽車工程學會汽車空氣動力學分會學術年會論文集.長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，2018：6.

[6]楊飄，李燕龍，陳文，等.汽車前部口哨音的研究與改善策略[J].汽車科技，2019，（04）：41-46+40.

[7]劉楊，鄧玉偉，侯杭生，等.窄縫式消聲器嘯叫原因分析及解決[J].噪聲與振動控制，2021，41（04）：228-233.

周 偉

畢業(yè)于湖北汽車工業(yè)學院，現(xiàn)就職于奇瑞汽車股份有限公司汽車工程研發(fā)總院，主要研究方向為車身系統(tǒng)集成開發(fā)，已發(fā)表論文4篇，已獲專利20多項。

專家推薦語

康潤程

襄陽達安汽車檢測中心有限公司

NVH專業(yè)副總師 研究員級高級工程師

本文針對某新能源車高速時發(fā)動機艙蓋前部有口哨般嘯叫聲問題，通過測試及分析得知，嘯叫聲來源于發(fā)動機艙蓋與前保格柵的區(qū)域氣流渦流。對此進行理論分析可知，嘯叫聲由氣流擺動頻率（空腔開口高度）和空腔聲學模態(tài)頻率（空腔長度）耦合共振造成，提出降低空腔開口高度和減小空腔長度的方法來避免出現(xiàn)空腔模態(tài)與邊楞擺動頻率耦合共振而產生嘯叫聲，最后試驗驗證改善方案有效、結論正確。

全文結構完整，論點明確、理論正確、論據(jù)有效、邏輯推導性一般、可讀性較好。學術水平較好，有較好的實際應用價值。