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從溫室走向曠野的噪聲性能

2021-09-26 21:56:01·  來源：LBM與流體力學(xué)  作者：盧比與鋼蛋  
　
最近和一位從事風(fēng)噪研究的朋友聊天，說起了一件有趣但讓人抓狂的事情，朋友負責(zé)某款車型的風(fēng)噪開發(fā)，無論是仿真還是風(fēng)洞實驗得到的風(fēng)噪結(jié)果都不錯，可是路試的結(jié)
最近和一位從事風(fēng)噪研究的朋友聊天，說起了一件有趣但讓人抓狂的事情，朋友負責(zé)某款車型的風(fēng)噪開發(fā)，無論是仿真還是風(fēng)洞實驗得到的風(fēng)噪結(jié)果都不錯，可是路試的結(jié)果卻一直不夠理想，折騰了許久也沒弄明白其中的原因。
筆者雖然沒有親自體驗朋友說的事情，但是可以想象，相比于風(fēng)洞實驗或者仿真，路試的環(huán)境就仿佛是一首歌的開頭：“風(fēng)，沒有方向的吹來，雨，也跟著悲傷起來…”為了化悲傷為力量，我們今天就來聊一聊從溫室走向曠野的風(fēng)噪性能。

01、整車風(fēng)噪的來源

對于一輛高速行駛的車輛來說，駕駛員或者乘客聽到的噪聲其實是很復(fù)雜的：例如當(dāng)高速氣流流過車身外部，包括上車身、底盤、車頂凸起的行李架和天線、門縫間隙和密封條等部位，將產(chǎn)生外流噪聲；而氣流流過空調(diào)系統(tǒng)、機艙冷卻風(fēng)扇、排氣管和消音器等內(nèi)流管路，也會引起內(nèi)流噪聲。除了這兩類和流動相關(guān)的噪聲之外，還有一些非流動相關(guān)的噪聲，比如發(fā)動機噪聲，胎噪和傳動噪聲等。這些噪聲都會通過車身傳入乘員艙。

我們平時常說的整車風(fēng)噪一般特指外流噪聲。相信大家對于整車外流場一定不陌生：氣流流過車身外部的時候，會產(chǎn)生很強的湍流脈動和流動分離；湍流壓力脈動會直接敲打在車身外表面的任何一個地方并產(chǎn)生聲激勵，而空間中復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu)也會伴隨著聲波的產(chǎn)生，并跨越玻璃等介質(zhì)傳入車內(nèi)。湍流+聲波的強強組合幾乎可以從整車表面的任何一個地方鉆到車里。


當(dāng)然，車身外部的湍流和聲波載荷傳入車內(nèi)的比例則非常依賴于當(dāng)?shù)夭考τ诼曇舻淖璧K能力，比如車門肯定比玻璃的隔聲能力更強。所以通常情況下，外部的風(fēng)噪主要通過車窗玻璃、底盤、輪罩、密封條或一些特殊部件傳入車內(nèi)；當(dāng)然如果我們把車窗打開的話，聲音不僅會直接的傳入車內(nèi)，還可能會在某些工況下激發(fā)乘員艙并產(chǎn)生風(fēng)振。

02、仿真與風(fēng)洞測試的局限

“隨著全社會從產(chǎn)品經(jīng)濟向體驗經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型，人們對于舒適性的要求越來越高，風(fēng)噪性能作為汽車舒適性的一個重要方面在汽車開發(fā)過程中也變得越來越重要。于是工程師們大顯身手，左手仿真，右手風(fēng)洞測試，開始了風(fēng)噪優(yōu)化之路。


熟悉風(fēng)噪的小伙伴們都知道，仿真可以幫助工程師看到更多的流動細節(jié)和噪聲機理，但結(jié)果卻總是被挑戰(zhàn)到底算的準不準，而風(fēng)洞實驗的結(jié)果雖然具有更高的權(quán)威，但是卻很難展示更多的流場細節(jié)，而且總體成本太高。
除了大家公認的這些局限性之外，仿真和風(fēng)洞實驗還有一個共同的局限：它們考察的工況往往是比較特定的，比如固定風(fēng)速、偏航角、來流湍流度和湍流尺度等。雖然有些風(fēng)洞開始嘗試在來流中增加非定常的脈動，比如周期性的改變來流的角度，但是這種改變?nèi)匀皇且?guī)則的，與實際路況并不相符。


為了更真實的體驗車輛的風(fēng)噪性能，攻城獅們也常常選擇路試。相比于仿真和風(fēng)洞，路試的工況則狂野了很多，風(fēng)速、來流的角度和湍流度等等都會呈現(xiàn)明顯的變化和非定常性，而且這種變化本身并沒有規(guī)律。
當(dāng)然，很多路試會選擇標準的試驗場地，在風(fēng)速影響較小的天氣下，以固定的車速進行風(fēng)噪性能的測試，但是自然環(huán)境中的真實流動仍然具有很強的非定常性，從而加劇了結(jié)果的不確定性。


因此，如果將評估和優(yōu)化車輛的風(fēng)噪性能形容為培育花朵，仿真和風(fēng)洞則像是條件優(yōu)越的溫室，而真實環(huán)境的路試才是考驗車輛真實風(fēng)噪性能的關(guān)鍵。

03、路試的風(fēng)噪性能

正如在第一節(jié)中說到的，對于一輛高速行駛的車輛，駕駛員聽到的聲音來源是非常復(fù)雜的，包含各種流動和非流動相關(guān)的噪聲，如何區(qū)分則成為一個難題。因為工程上和學(xué)術(shù)上都比較認可車輛在高速行駛時，車內(nèi)的噪聲主要來源于風(fēng)噪，于是很多主機廠在路試的時候會將車速提升到相對較高的值，然后測試車內(nèi)的噪聲，并以此作為風(fēng)噪的結(jié)果，這樣做當(dāng)然可以定性的評估車輛在真實環(huán)境下的風(fēng)噪品質(zhì)，但是對于定量的描述仍然是不夠的。
為了在路試的千軍萬馬中量化風(fēng)噪的結(jié)果，確實不容易，沒辦法直接打敗對手，我們只能考慮“農(nóng)村包圍城市”的迂回策略。首先，為了消除發(fā)動機噪聲的影響，我們可以在測試時將動力切換至空檔，這兒需要特別說明的是，一定是空檔滑行，而不是直接關(guān)掉動力系統(tǒng)，否則出現(xiàn)緊急情況時非常危險。

然后為了區(qū)分風(fēng)噪和輪胎等結(jié)構(gòu)噪聲，我們需要把測試的車速提到盡量高，比如170-180km/h（封閉道路測試，條件不具備者請勿模仿）。如此高速的工況下，基本可以確定車內(nèi)的噪聲完全是風(fēng)噪占主導(dǎo)。當(dāng)車輛達到高速后，開始長距離的直線空檔滑行，直至60km/h，在滑行的全過程，使用麥克風(fēng)連續(xù)記錄車內(nèi)的噪聲，并同時記錄車速的變化。這樣我們就得到了180km/h到60km/h之間的車內(nèi)噪聲和車速與時間的關(guān)系。因為180km/h的車內(nèi)噪聲完全是風(fēng)噪，我們可以利用風(fēng)噪與車速的變換關(guān)系，將180km/h的噪聲結(jié)果量化到低速的工況，然后用其他車速測試得到的總噪聲與之相減，便可同時得到低速工況下的風(fēng)噪和結(jié)構(gòu)噪聲。

看到這兒，估計有小伙伴要開始質(zhì)疑兩個問題了：高速下的泄露如何應(yīng)對？風(fēng)噪與車速的變換關(guān)系又是什么？關(guān)于泄露問題：如果車輛本身的密封性做得比較好，應(yīng)該對于風(fēng)噪的影響很小，但是如果車輛泄露很嚴重，那就只能祭出神器膠帶了，但是需要特別說明的是，出于安全性的考慮，駕駛員側(cè)盡量不要貼膠帶，此時可以把副駕側(cè)的麥克風(fēng)結(jié)果作為最終的標準。
而風(fēng)噪與車速的變換關(guān)系則可以很容易的從風(fēng)洞實驗或者仿真中獲取，如果都沒有，那就只好使用SPL ~ 60log10(Speed)的關(guān)系啦。不過6次方的關(guān)系雖然用起來很容易，但是和實際肯定還是有偏差，而且不同車型也會有所差異，因此最好還是能從實驗或者仿真中獲取。

關(guān)于風(fēng)噪的路試，還有什么要交代的嗎？為了更好的量化風(fēng)噪和車速的關(guān)系，環(huán)境風(fēng)速最好低于10km/h，然后測試需要在跑道上來回測量并取平均值，路試環(huán)境要減少其他車輛的干擾。測試過程中，車內(nèi)的工作人員要盡量減少動作和發(fā)出聲音，以免影響測試的結(jié)果。

SUMMARY

另一個故事

聊完了風(fēng)噪的路試，忽然想起來另一件有趣的事情：最近和一位朋友聚餐，說起來汽車的風(fēng)噪，他說他的車開高速的時候太吵了，于是，他從網(wǎng)上買了一些降噪神器，像一個個小小的導(dǎo)流鰭一樣貼在A柱和后視鏡上。他問我這東西到底有沒有用，我說那你自己感覺呢？他說感覺不出來，好吧，我竟無言以對。那么，這小小的導(dǎo)流鰭究竟是降噪神器還是嘩眾取寵呢？咱們下回分解。
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