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整車風(fēng)噪聲性能的聲學(xué)風(fēng)洞試驗分析
2020-08-28 00:25:00· 來源：汽車CFD技術(shù)之家 作者：藺磊，顧彥，潘雷，關(guān)鵬
摘 要：結(jié)合車輛風(fēng)噪聲機理和整車聲學(xué)風(fēng)洞試驗實例，分析了玻璃隔聲、整車密封、偏航對整車風(fēng)噪聲的影響，以及不同速度下的車輛風(fēng)噪聲頻譜特征與整車道路風(fēng)噪聲
摘 要：結(jié)合車輛風(fēng)噪聲機理和整車聲學(xué)風(fēng)洞試驗實例，分析了玻璃隔聲、整車密封、偏航對整車風(fēng)噪聲的影響，以及不同速度下的車輛風(fēng)噪聲頻譜特征與整車道路風(fēng)噪聲之間的關(guān)聯(lián)。試驗表明，整車聲學(xué)風(fēng)洞試驗對于整車風(fēng)噪聲性能的評估和優(yōu)化有著重要意義。
車輛在高速行駛時，風(fēng)噪聲會成為車內(nèi)噪聲的主要噪聲源，嚴(yán)重影響乘客的駕乘感受。即使車內(nèi)存在輕微的漏風(fēng)聲，也會降低乘客的乘坐舒適性[1]。風(fēng)噪聲來源于高速氣流的不穩(wěn)定性，在給定的條件下，風(fēng)噪聲一般具有統(tǒng)計規(guī)律性而并不具有動力學(xué)規(guī)律性。也就是說，風(fēng)激勵產(chǎn)生的車內(nèi)噪聲是隨機信號，更容易引起乘客不適，所以需要盡量降低車內(nèi)風(fēng)噪聲水平，以滿足乘客需求。
近年來，國內(nèi)風(fēng)噪聲的仿真分析和試驗技術(shù)不斷得到突破，尤其是風(fēng)洞風(fēng)噪聲試驗的應(yīng)用推廣，極大地推動了車輛風(fēng)噪聲的評價分析和優(yōu)化工作[2]。在風(fēng)洞試驗中，可以排除發(fā)動機噪聲和輪胎/路面噪聲的影響，獨立考察風(fēng)噪聲，并且消除風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境變化造成的試驗結(jié)果不穩(wěn)定性[3]。
本文通過聲學(xué)風(fēng)洞試驗，實例分析了試驗方法、量化指標(biāo)和分析方法，確定了玻璃隔聲、整車密封、風(fēng)速、偏航角對整車風(fēng)噪聲的影響，以及相應(yīng)的設(shè)計優(yōu)化。
1 整車風(fēng)噪聲性能的主要影響因素
整車風(fēng)噪聲按照不同角度有不同的分類方法，如按聲源類型，可分為單極子源、偶極子源、四極子源；按系統(tǒng)開發(fā)，可分為后視鏡、門系統(tǒng)、A柱、天窗等；按控制手段，可分為氣吸噪聲、空腔噪聲、脈動噪聲、輻射噪聲等。下文將按照控制手段并結(jié)合其它方面分別進行討論。
1.1 氣吸噪聲
汽車門窗等各種開閉件主要依靠密封條、導(dǎo)槽及各類裝飾件來實現(xiàn)車內(nèi)空腔與車外空間的隔絕。如果靜態(tài)密封或動態(tài)密封不良，存在縫隙，當(dāng)車輛行駛時，車內(nèi)外的空氣可以通過縫隙進出，從而產(chǎn)生氣吸噪聲。氣吸噪聲可以同時包括單極子源、偶極子源和四極子源，由于通常情況下車輛行駛速度的馬赫數(shù)較低（140kPh時約0.1馬赫數(shù)），此時單極子源的輻射效率遠(yuǎn)高于偶極子源和四極子源，所以氣吸噪聲以單極子源為主。
同時，整車風(fēng)噪聲內(nèi)存在的單極子源也主要以氣吸噪聲為主，考慮到單極子源的輻射效率，且局部區(qū)域的泄露往往存在明顯的指向性和頻率凸出特性，所以整車風(fēng)噪聲的控制要特別關(guān)注氣吸噪聲的產(chǎn)生區(qū)域和優(yōu)化方案，如門密封條、玻璃導(dǎo)槽、水切等。
1.2 表面空腔噪聲
汽車外表面存在多處不連續(xù)之處，外流場在流經(jīng)這些不連續(xù)表面時，會產(chǎn)生分離，在此區(qū)域內(nèi)循環(huán)流動形成渦旋，并產(chǎn)生強烈的壓力脈動和輻射噪聲?？刂票砻娌贿B續(xù)引起的空腔對應(yīng)的高度、寬度、深度，以及設(shè)計逐漸傾斜或橢圓的腔壁，均可降低空腔噪聲。
在整車密封系統(tǒng)的外表面同時存在空腔，其附近區(qū)域的氣體壓力脈動會推動擠壓密封系統(tǒng)并向車內(nèi)輻射噪聲。由于該輻射噪聲與經(jīng)常存在于整車密封系統(tǒng)內(nèi)的氣吸噪聲同在，所以采用各類輔助密封措施，在過渡車輛表面不連續(xù)處增加密封系統(tǒng)的氣密性和隔聲性能，也可以有效降低空腔噪聲。
1.3 外場脈動噪聲
外流場在流經(jīng)車輛外表面和凸出部件時，如在發(fā)動機蓋前端、輪罩、前擋風(fēng)玻璃底座、外后視鏡、A柱區(qū)域等處，會產(chǎn)生氣流的分離，引起流體的非定常壓力脈動。這些壓力脈動主要以渦旋和湍流的形式存在，當(dāng)其與車輛外表面互相作用時，會向車內(nèi)輻射噪聲。
由于玻璃和密封件的隔聲相對較弱，A柱區(qū)域和前擋區(qū)域附近的外流場通常是外造型的重點關(guān)注和優(yōu)化區(qū)域。
1.4 輻射噪聲
由于空氣存在粘性，外流場存在的渦旋和湍流也會以四極子源的形式直接向遠(yuǎn)場和車內(nèi)輻射噪聲。考慮到低馬赫數(shù)下四極子源的輻射效率遠(yuǎn)低于單極子源和偶極子源，所以四極子源對車內(nèi)聲壓級的貢獻(xiàn)度較低。
2 汽車風(fēng)噪聲性能的聲學(xué)風(fēng)洞試驗流程
隨著國內(nèi)整車聲學(xué)風(fēng)洞測試技術(shù)和規(guī)范的發(fā)展，在整車設(shè)計開發(fā)過程中，其風(fēng)洞風(fēng)噪聲性能已成為獨立的考核指標(biāo)。一方面要求聲學(xué)風(fēng)洞測試能夠客觀地評估整車風(fēng)噪聲性能，另一方面要求可以深入查找分析整車風(fēng)噪聲性能的薄弱點，并提出優(yōu)化改進方向。
2.1 聲學(xué)風(fēng)洞
聲學(xué)風(fēng)洞同時需要滿足高流場品質(zhì)和低背景噪聲的要求。在試驗段，流場湍流強度應(yīng)低于0.2%，速度穩(wěn)定性小于0.5%，軸向靜壓梯度、總壓均勻性、動壓和靜壓均勻性、氣流平均俯仰角和平均橫擺角等各項流場指標(biāo)也需要滿足相應(yīng)要求。同時，聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)還需要做一系列的聲學(xué)處理。在測量段，需要處理成半消聲室以滿足半自由聲場的要求，且要求在其兩側(cè)有足夠的空間以適配遠(yuǎn)場聲學(xué)測量。為了滿足低背景噪聲要求，還需要對風(fēng)機噪聲、流道氣動噪聲以及地面模擬系統(tǒng)引起的氣動噪聲進行有效控制。此外，風(fēng)洞內(nèi)還應(yīng)能保持試驗溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定。
由于風(fēng)洞中存在低頻顫振聲、風(fēng)機功率與噪聲高等系列問題，且需同時具備高品質(zhì)氣動特性，所以聲學(xué)風(fēng)洞的設(shè)計具有較高技術(shù)難度[4]。國內(nèi)近幾年落成的SAWTC風(fēng)洞是一種3/4開口回流式氣動聲學(xué)風(fēng)洞，常用于汽車氣動噪聲的試驗研究，流場品質(zhì)優(yōu)異，背景噪聲低。
2.2 測點位置和工況選擇
車內(nèi)風(fēng)噪聲測試，可以選取人工頭或者傳聲器采集噪聲，一般布置在目標(biāo)乘客的頭部位置。測試時，整車按照空氣流線方向擺放，固定布置在測試段的平衡臺上。風(fēng)洞試驗中，一般選取穩(wěn)定風(fēng)速。由于國內(nèi)高速道路限速要求，建議選取120km/h為典型基準(zhǔn)工況。整車風(fēng)洞示意圖如圖1所示。
通過轉(zhuǎn)動平衡臺，可以改變風(fēng)向（來流與整車中線的相對角度），可以測試橫風(fēng)/偏航角的影響。偏航角為正角度時，一般表示在轉(zhuǎn)盤內(nèi)順時針轉(zhuǎn)動，使主駕駛位迎風(fēng)，副駕駛位背風(fēng)。風(fēng)速為120km/h，角度為±10°時，相當(dāng)于存在4級橫風(fēng)（約5.7 m/s）。
為了全面評估整車的風(fēng)噪聲性能，并查找薄弱點，尋找優(yōu)化方向，通常會對車輛進行密封處理或更換不同部件，測量車內(nèi)外的聲學(xué)響應(yīng)變化，以分析其影響。
2.3 客觀評估
在整車NVH開發(fā)過程中，通常采用A計權(quán)聲壓級，語音清晰度AI和響度等客觀指標(biāo)來評估整車車內(nèi)風(fēng)噪聲。此外，如果是由局部密封或部件更換引起的整車車內(nèi)風(fēng)噪聲變化，通常集中在500Hz以上，A計權(quán)聲壓級等參數(shù)往往很難反映具體設(shè)計細(xì)節(jié)之間的差別，如圖2所示，所以在風(fēng)噪聲性能優(yōu)化過程中，需要關(guān)注整個窄帶譜上各個峰值的變化。
3 車輛風(fēng)洞風(fēng)噪聲性能的試驗分析
風(fēng)洞風(fēng)噪聲試驗可以用來客觀評估車輛的風(fēng)噪聲水平，確認(rèn)主要風(fēng)噪聲源并通過“消去法”或“開窗法”查找薄弱環(huán)節(jié)，從而指導(dǎo)設(shè)計。以下分別討論整車密封系統(tǒng)、玻璃隔聲、風(fēng)速以及偏航角對整車風(fēng)噪聲的影響。
3.1 車輛密封系統(tǒng)對車內(nèi)風(fēng)噪聲的影響
通過采用膠帶等輔助密封方式，來增加整車的密封性能，可以查找分析整車密封系統(tǒng)對車內(nèi)風(fēng)噪聲的影響。如圖3所示，采用膠帶密封，會同時抹平車身表面的一些縫隙和溝槽，此時試驗所得的密封系統(tǒng)貢獻(xiàn)量也包含了氣吸噪聲和表面空腔噪聲的影響。
圖4為某車整車車身密封前后，車內(nèi)噪聲在500Hz以上的中高頻段下降了6dB 以上。由此可見，氣吸噪聲和空腔噪聲對風(fēng)噪聲的貢獻(xiàn)量起到?jīng)Q定性的作用。而這兩部分問題的解決都需要整車密封系統(tǒng)的優(yōu)化，是整車風(fēng)噪聲設(shè)計的首要問題。
3.2 玻璃隔聲對車內(nèi)風(fēng)噪聲的影響
試驗過程中，可以通過增加EVA等隔聲材料提高玻璃的隔聲性能，以此來分析玻璃隔聲對車內(nèi)風(fēng)噪聲的影響。由于整車密封對整車風(fēng)噪聲的貢獻(xiàn)量更大，所以在測試玻璃隔聲對車內(nèi)風(fēng)噪聲的貢獻(xiàn)量時，需要同時對整車密封進行處理，以突顯玻璃隔聲的影響。玻璃的隔聲處理如圖5所示。
試驗結(jié)果表明，玻璃透聲主要影響到車內(nèi)中高頻的噪聲，尤其是在玻璃吻合頻率內(nèi)。通過外造型優(yōu)化或采用夾層阻尼玻璃可以有效降低該頻率風(fēng)噪聲的貢獻(xiàn)量。玻璃隔聲處理對整車車內(nèi)風(fēng)噪聲的影響如圖6所示。
3.3 風(fēng)速對車內(nèi)風(fēng)噪聲的影響
如圖7所示，隨著風(fēng)速提高，尤其在中低頻段，車內(nèi)風(fēng)噪聲各頻率段的聲壓級會逐漸增加，但頻譜峰值基本保持不變。這是由于風(fēng)激勵來自于非穩(wěn)態(tài)高速氣流，是隨機信號；車內(nèi)風(fēng)噪聲的頻譜峰值主要來源于車身結(jié)構(gòu)和車內(nèi)空腔的頻率響應(yīng)，這些頻率響應(yīng)的峰值可通過車身模態(tài)試驗逐一進行識別分析。
3.4 偏航角對車內(nèi)風(fēng)噪聲的影響
車輛在實際行駛過程中，由于行駛方向和自然風(fēng)向的變化導(dǎo)致外流場的偏航角不斷發(fā)生變化。這一變化會對整車外流場產(chǎn)生影響，從而影響到車輛的動態(tài)密封性能和車內(nèi)風(fēng)噪聲。在整車風(fēng)噪聲的聲學(xué)風(fēng)洞試驗中，可以測試不同工況下，不同偏航角對車內(nèi)風(fēng)噪聲的影響。偏航+10°的整車風(fēng)洞風(fēng)噪聲測試如圖8所示。
如圖9所示，當(dāng)風(fēng)向存在偏航角時，車內(nèi)風(fēng)噪聲會增大，尤其在背風(fēng)側(cè)位置，2 500Hz以上的中高頻增大3dB左右。這是由于背風(fēng)側(cè)存在明顯氣流分離，導(dǎo)致后視鏡區(qū)域形成一個風(fēng)噪聲強度較大的區(qū)域。同時，在背風(fēng)側(cè)的車門受到更大的內(nèi)外壓差，車門系統(tǒng)發(fā)生更大的形變，還會進一步引起門窗系統(tǒng)的動態(tài)密封問題。
4 總結(jié)
通過整車聲學(xué)風(fēng)洞試驗，可以分析整車外造型、玻璃隔聲與整車密封等因素對車內(nèi)風(fēng)噪聲性能的影響，并進一步查找薄弱點，分析局部泄露和凸出部件對風(fēng)噪聲的影響，確認(rèn)優(yōu)化方向。試驗表明，整車聲學(xué)風(fēng)洞試驗對于整車風(fēng)噪聲性能的評估優(yōu)化有著重要意義。
作者：藺磊，顧彥，潘雷，關(guān)鵬
上海汽車集團股份有限公司 技術(shù)中心
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