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車內(nèi)關(guān)門瞬間聽覺不適的分析與控制

2021-12-17 21:27:52·  來源：AutoAero  
　
摘要隨著車輛空氣泄露性能的不斷提高，車門關(guān)閉瞬間出現(xiàn)了聽覺不適現(xiàn)象。近20年來，關(guān)于關(guān)門聲音質(zhì)量的研究很多，但關(guān)于瞬態(tài)高氣壓波動(dòng)引起的聽覺不適的研究很少
摘要
隨著車輛空氣泄露性能的不斷提高，車門關(guān)閉瞬間出現(xiàn)了聽覺不適現(xiàn)象。近20年來，關(guān)于關(guān)門聲音質(zhì)量的研究很多，但關(guān)于瞬態(tài)高氣壓波動(dòng)引起的聽覺不適的研究很少見。本文系統(tǒng)地研究了車內(nèi)氣壓波動(dòng)與乘客聽覺不適的關(guān)系。還通過CAE分析研究了車門表面積與乘員艙容積之比以及其他相關(guān)參數(shù)，如車輛橫截面積、泄壓閥尺寸、正壓下車身泄露情況，并通過大量的客觀測(cè)量和車輛主觀評(píng)價(jià)驗(yàn)證。
在此研究的基礎(chǔ)上，定義了一個(gè)新的人體聽覺舒適度氣壓波動(dòng)閾值，以及一個(gè)由瞬時(shí)氣壓波動(dòng)引起的聽覺不適的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。提供了一些有關(guān)壓力排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的指南，以提高乘用車關(guān)門的聽覺舒適度。
介紹
在關(guān)車門時(shí)，顧客的聽覺不適現(xiàn)象與對(duì)汽車品牌的第一印象和購(gòu)車偏好直接相關(guān)。圖1中的每一點(diǎn)為當(dāng)年選出的10款流行主流車型的漏風(fēng)平均值，其中豪華車5輛，非豪華車5輛（包括A級(jí)、B級(jí)和SUV）。由于車輛的空氣泄露量越來越嚴(yán)格，車輛的壓力排氣能力的設(shè)計(jì)在車輛設(shè)計(jì)過程中沒有系統(tǒng)地考慮。壓力排氣能力的設(shè)計(jì)考慮不足，導(dǎo)致關(guān)門時(shí)會(huì)出現(xiàn)聽覺不適現(xiàn)象。因此對(duì)關(guān)門聽覺不適現(xiàn)象的研究十分必要。
圖1 近10年車輛平均空氣泄露趨勢(shì)
目前，汽車乘坐舒適性的研究主要集中在客艙、車內(nèi)噪聲性能、音質(zhì)、座椅舒適度、車內(nèi)生態(tài)環(huán)境等心理和生理領(lǐng)域。然而，人們已經(jīng)注意到，聽覺不適會(huì)對(duì)乘客的心理和身體感覺產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至在氣壓波動(dòng)過大時(shí)會(huì)引起耳膜刺痛。
此外，隨著車輛空氣泄露要求的進(jìn)一步提高，車門關(guān)閉時(shí)氣壓波動(dòng)幅度會(huì)增大，從而降低乘客的乘坐舒適度。減小車門關(guān)門時(shí)車內(nèi)氣壓波動(dòng)幅度的方法有很多，例如減小車門表面積與駕駛室容積的比值，增加泄壓閥的面積，減小車門的關(guān)門速度，改善車內(nèi)氣流通道暢通無阻。所有這些措施都應(yīng)在車輛開發(fā)的早期納入車輛設(shè)計(jì)，并提前制定有效的實(shí)施這些措施的計(jì)劃，以避免增加成本和延誤項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)。因此，乘客聽覺舒適度的研究應(yīng)該成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。
本文提出了人體聽覺舒適度閾值，并基于關(guān)門瞬間的氣壓波動(dòng)提出了對(duì)聽覺不適感的客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。該研究結(jié)果為重新設(shè)計(jì)和開發(fā)汽車內(nèi)部的壓力排氣系統(tǒng)提供了方向，以提高車門關(guān)閉時(shí)乘客的聽覺舒適度。
關(guān)門時(shí)聽覺不適的機(jī)制
聽覺不適的機(jī)制
關(guān)門時(shí)的聽覺不適是由車內(nèi)的瞬時(shí)壓力波動(dòng)引起的。在車門關(guān)閉的瞬間，車內(nèi)壓力突然升高，而乘客耳膜內(nèi)的壓力保持不變。鼓膜兩側(cè)的壓力差導(dǎo)致鼓膜下陷（圖2）。這時(shí)候，乘客會(huì)覺得耳朵不舒服。當(dāng)飛機(jī)上升或下降以及高速列車通過隧道時(shí)，乘客也感受到了類似的聽覺不適。在列車進(jìn)入隧道的瞬間，靠近列車頭部的空氣受列車壁和隧道的限制而被壓縮。空氣隨著列車向前流動(dòng)，使列車前方的氣壓突然升高，產(chǎn)生壓縮波。壓縮波會(huì)引起乘客耳膜的聽覺不適，這與關(guān)門瞬間車內(nèi)瞬時(shí)壓力波動(dòng)引起聽覺不適的機(jī)制是一致的。當(dāng)壓力下降時(shí)，中耳會(huì)自動(dòng)平衡內(nèi)外壓力，當(dāng)壓力增加時(shí)，乘客可以通過吞咽或打哈欠來平衡壓力。但與飛機(jī)和高鐵內(nèi)部的氣壓波動(dòng)不同，氣壓波動(dòng)如此劇烈，以至于乘客在車門關(guān)閉的那一刻沒有足夠的時(shí)間主動(dòng)平衡壓力。因此，關(guān)門時(shí)很容易在車內(nèi)引起聽覺不適。
圖2 氣壓波動(dòng)的鼓膜凹陷示意圖
根據(jù)一些研究，亞洲人基于身體特征對(duì)內(nèi)耳和外耳之間的氣壓差異更敏感，更容易受到壓力波動(dòng)的影響。值得注意的是，由于氣壓波動(dòng)，嬰兒的耳膜損傷比成人更大。
聽覺不適客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)的定義
聽覺舒適度與關(guān)門時(shí)車內(nèi)瞬時(shí)壓力波動(dòng)有關(guān)。這種現(xiàn)象是由于瞬態(tài)壓力在極短的時(shí)間內(nèi)傳遞到人耳，導(dǎo)致身體不適而引起的。這種現(xiàn)象在醫(yī)學(xué)上稱為鼓膜不適。這種現(xiàn)象會(huì)大大降低乘客的舒適度。但乘客對(duì)瞬時(shí)氣壓波動(dòng)所產(chǎn)生的聽覺舒適度有不同的感受。聽覺舒適度超過一定值時(shí)，明顯感覺不舒服，而低于一定值時(shí)，則感覺不到。因此，存在瞬時(shí)壓力波動(dòng)的閾值來衡量乘客耳朵的聽覺舒適度?；谝陨涎芯?，應(yīng)用高速列車通過隧道引起的聽覺不適評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)車內(nèi)關(guān)門時(shí)的聽覺不適進(jìn)行評(píng)價(jià)。發(fā)現(xiàn)同時(shí)使用時(shí)，以下兩個(gè)指標(biāo)可以反映乘客的聽覺舒適度：
1、峰峰值：最大壓力波動(dòng)
2、最大氣壓變化比
對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的氣壓變化，即使幅度很大，鼓膜也不會(huì)不舒服，因?yàn)槿擞凶銐虻臅r(shí)間主動(dòng)（如吞咽）或被動(dòng)（因?yàn)楫?dāng)外部壓力降低時(shí)，中耳通道自動(dòng)打開）。當(dāng)氣壓劇烈變化，壓力變化率高，但振幅低時(shí)，耳膜也不會(huì)不舒服。因此，目前評(píng)價(jià)聽覺不適的參數(shù)是氣壓波動(dòng)的“峰峰值”和最大壓力變化比。1994年，日本研究人員通過在密閉實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，提出了氣壓波動(dòng)引起的聽覺舒適與不適的界限。隨后日本交通省制定了鐵路系統(tǒng)氣壓波動(dòng)聽覺舒適度的國(guó)家評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)中壓力變化“峰峰值”不超過1kPa，最大壓力變化比不超過300Pa/s。中國(guó)鐵道部要求當(dāng)高速列車通過隧道時(shí)最大壓力變化比不超過200Pa/s。但是，在美國(guó)要求不超過 410Pa/s。
測(cè)試數(shù)據(jù)表明，當(dāng)門以0.8-1.5m/s的正常速度關(guān)閉時(shí)，最大氣壓變化比將達(dá)到300-500Pa/s，已經(jīng)超出了人類的聽覺舒適范圍。如圖4所示，駕駛員車門以1.2m/s的速度關(guān)閉，右后座氣壓波動(dòng)幅度變化為227.2Pa，最大壓力變化率為470.6Pa/s（圖3）。
圖3 關(guān)門時(shí)聽覺不適幅度的客觀標(biāo)準(zhǔn)定義示例
聽覺不適的產(chǎn)生原因分析
關(guān)門過程中的氣壓波動(dòng)被簡(jiǎn)化為如下模型（圖4）。
圖4 車輛氣壓波動(dòng)示意圖
Acar代表汽車截面積，Avent代表泄壓閥面積。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，關(guān)門過程中進(jìn)入門的空氣質(zhì)量等于泄壓閥漏風(fēng)質(zhì)量mdoor和泄壓閥泄露氣體質(zhì)量mgap的和。因此：


假設(shè)空氣是一種理想流體和連續(xù)介質(zhì)，則有：

式中r為dA到門鉸鏈中心線的距離，ω為關(guān)門時(shí)的角速度；繞鉸鏈軸的門面積力矩為：

代入方程（3）式中： mdoor=ρωtIA
假設(shè)門為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為H；
上述兩式中，vvent為氣體流經(jīng)泄壓閥的速度，Q為車輛漏氣的泄漏量，單位為m^3/m，代入式（4）方程，（5）方程，（6）轉(zhuǎn)化為方程（1），方程（7）得到如下：
根據(jù)伯努利流體方程：流體中任一點(diǎn)的動(dòng)能、重力勢(shì)能和壓力勢(shì)能之和都是常數(shù)：
上式中，Pear為人耳右后座壓力，vear為氣體流經(jīng)人耳的速度，Hear為地面到人耳的高度，p0為大氣壓力，Hvent是從地面到泄壓閥的高度；
帶入上述方程可以得到：
上式中，v=ωL為關(guān)門線速度，S=HL為門面積；并且C可以忽略不計(jì)。
從方程（10），我們可以得出結(jié)論，通道耳部的氣壓值與關(guān)門速度、門面積、泄露量、車身橫截面積和泄壓閥面積有關(guān)。關(guān)門線速度越大，車門面積越大，車輛泄露量越大，車身截面積越小，泄壓閥面積越小，氣壓值越大。如圖5所示，乘客聽覺不適的最大幅度波動(dòng)與泄壓閥面積呈負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為，達(dá)到了相對(duì)可信的相關(guān)水平（圖6），因此 證明了上述結(jié)論的正確性。
圖5 乘客聽覺不適絕對(duì)幅度與泄壓閥面積的關(guān)系
圖6 乘客聽覺不適絕對(duì)幅度與泄壓閥面積的相關(guān)性研究
車輛測(cè)試
測(cè)試系統(tǒng)
壓力測(cè)試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理分析單元組成，如圖7所示：
圖7 氣壓波動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)
測(cè)試硬件包括人工頭（微壓力傳感器集成在耳道中）、安裝支架、筆記本電腦、跳線、電源、設(shè)備拉桿箱。
主要技術(shù)參數(shù)如下，壓力測(cè)試范圍：±2500Pa，采樣頻率：1000Hz，壓力循環(huán)1億次以上，壓力變化過程的變化曲線由顯示器顯示和記錄，數(shù)據(jù)可導(dǎo)出到 Excel 進(jìn)行格式化。
測(cè)試數(shù)據(jù)
當(dāng)駕駛員車門以1.2m/s的速度關(guān)閉時(shí)，在15輛汽車（包括10輛轎車和5輛SUV）上測(cè)試了右后座靠近人耳的壓力波動(dòng)。
如圖 8 所示：
圖8 16輛汽車氣壓波動(dòng)曲線
1、轎車內(nèi)的聽覺不適感比SUV內(nèi)更大；
2、后座的聽覺不適感比前座更明顯；
3、豪華車內(nèi)的聽覺不適感比非豪華車更明顯；
4、在關(guān)門過程中，氣壓波動(dòng)時(shí)間在0.7s左右，壓力幅值上限約為230Pa，下限約為-50Pa。
CAE分析
CAE設(shè)置
方法：可實(shí)現(xiàn)k-ε模型；可實(shí)現(xiàn)k-ε模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型有所不同。對(duì)于許多應(yīng)用程序，該模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型要好得多，并且通?？梢砸蕾囉谔峁┲辽偻瑯訙?zhǔn)確的答案。


圖9 關(guān)門過程中氣壓波動(dòng)的CAE模型


圖10 CAE分析關(guān)門速度


圖11 關(guān)門瞬間車內(nèi)氣壓波動(dòng)的結(jié)果
網(wǎng)格：六面體；
時(shí)間增量：0.001s；
關(guān)門角度：35°；
出口壓力：0Pa；
關(guān)門速度：0.97m/s、1.1m/s、1.2m/s；
CAE結(jié)果
從上表1可以看出，Good是完全沒有感覺到聽覺不適；OK 表示大多數(shù)人的聽覺不適是可以接受的；Poor是大多數(shù)人無法接受的聽覺不適。該模型的計(jì)算精度達(dá)到了5%左右，具有相當(dāng)高的置信度。因此，CAE分析具有一定的指導(dǎo)方針，可以在開發(fā)生命周期的早期重新設(shè)計(jì)門尺寸和內(nèi)部排氣通道。


表1 CAE結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的比較
主觀評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析
測(cè)試對(duì)象

為尋找聽力健康的受試者，提前對(duì)受試者進(jìn)行健康狀況調(diào)查，調(diào)查受試者是否有聽力不良或聽力疾病史。參與者在乘坐飛機(jī)或潛水等時(shí)不得有任何壓力平衡問題。選取30名受試者，包括25名男性和5名女性，參與對(duì)聽覺不適的主觀評(píng)估。參與者的年齡從 26 歲到 53 歲不等，平均年齡為33.6 歲。
測(cè)試設(shè)計(jì)

測(cè)試表明，泄壓閥的面積與車內(nèi)的聽覺不適呈負(fù)相關(guān)。為確保只有一個(gè)變量的原則，在一臺(tái)不同泄壓閥狀態(tài)的汽車上進(jìn)行了3輪測(cè)試。測(cè)試在半消聲室中進(jìn)行。為避免心理傾向影響評(píng)估等級(jí)，所有受試者均不了解泄壓閥狀態(tài)（如圖12所示）。一名受試者任意兩次關(guān)門的時(shí)間間隔大于30秒，使受試者有足夠的時(shí)間擺脫壓力波動(dòng)帶來的不適。主觀評(píng)價(jià)分為10個(gè)等級(jí)。


圖12 用于主觀評(píng)估的3種不同的泄壓閥狀態(tài)

1-不可接受，6-可接受，7-滿意，10-優(yōu)秀
測(cè)試1，泄壓閥正常，空調(diào)設(shè)置為內(nèi)循環(huán)，所有的玻璃和門都關(guān)閉。以1.2m/s的速度關(guān)閉駕駛員車門，受試者坐在汽車的右后座上。
試驗(yàn)2，保持泄壓閥半封閉，其他試驗(yàn)要求同試驗(yàn)1，重復(fù)試驗(yàn)1。
測(cè)試3、保持泄壓閥關(guān)閉，其他測(cè)試要求同測(cè)試1，重復(fù)測(cè)試1。
結(jié)合主觀評(píng)價(jià)，在3個(gè)泄壓閥狀態(tài)下測(cè)試了右后座耳位附近的最大氣壓波動(dòng)。測(cè)試結(jié)果如表2所示。在測(cè)試1中，右后座耳位附近的耳壓振幅絕對(duì)值194Pa，7～8分的被試占73.3%，平均分7.26分。在測(cè)試2中，最大氣壓波動(dòng)為226Pa，80%的受試者評(píng)分為6-7，平均評(píng)分為6.46。測(cè)試3中，最大氣壓波動(dòng)為269Pa，96.7%的受試者成績(jī)低于6，平均成績(jī)?yōu)?.26。最后，將受試者評(píng)估結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析結(jié)果（如表 2 所示）告知 30 名受試者，并要求他們一次又一次地重復(fù) 3 次測(cè)試。


表2 3種不同泄壓閥狀態(tài)的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

休息兩小時(shí)后，30名受試者再次對(duì)15輛汽車（包括11輛中國(guó)汽車和4輛合資汽車）內(nèi)右后座耳朵附近的聽覺不適進(jìn)行了評(píng)估。
駕駛員車門第一次以1.2m/s的速度關(guān)閉，其他車門和玻璃關(guān)閉，空調(diào)設(shè)置為內(nèi)循環(huán)。最后對(duì)15輛汽車的右后座耳附近耳壓絕對(duì)值和125Pa正壓漏氣（空調(diào)內(nèi)循環(huán)）兩個(gè)值依次進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下圖13所示，正壓泄漏與右后座耳附近的耳壓絕對(duì)值幾乎呈負(fù)相關(guān)。6 級(jí)被認(rèn)為是人耳對(duì)聽覺不適的可接受點(diǎn)。測(cè)試過程中，以下車型（8、9、10、11、12、13、14、15號(hào)）的成績(jī)均在6級(jí)以上。在本文中，No.8 評(píng)分為 6，因此將其視為臨界點(diǎn)。那么我們可以得出結(jié)論，當(dāng)車輛正壓泄漏≥360SCFM時(shí)，在1.2m/s的關(guān)門速度下，右后座耳朵附近的耳壓幅值絕對(duì)值通常≤220Pa，聽覺不適是可以接受的 用于主觀評(píng)價(jià)。車內(nèi)壓力波動(dòng)最大比≤300Pa/s，定義為關(guān)門瞬間空氣壓力波動(dòng)的人體聽覺舒適閾值。


圖13 正壓漏氣與耳壓幅值的關(guān)系


圖14 乘客聽覺不適絕對(duì)幅度與車輛正壓泄漏的相關(guān)性研究

另外，根據(jù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，正壓下車輛泄漏量、車門面積與乘員艙容積之比、最大氣壓波動(dòng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.85（圖14）和0.82（圖15），兩者都達(dá)到了一定的水平。


圖15 乘客聽覺不適絕對(duì)幅度與車門面積或轎廂容積的相關(guān)性研究
案例分析

在SUV軟裝車階段，車輛被評(píng)價(jià)為明顯聽覺不舒服，尤其是駕駛員車門關(guān)閉時(shí)后排乘客。主觀評(píng)價(jià)平均分4.5左右，最小閉合速度較高，達(dá)到1.17m/s。在對(duì)耳部不適的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)泄壓閥通風(fēng)面積為109cm2。泄壓路徑方面，我們檢查了行李廂兩側(cè)進(jìn)氣格柵的3D模型，開口面積≥110cm2，滿足泄壓設(shè)計(jì)要求。此外，在取下雜物盤時(shí)，主觀評(píng)價(jià)聽覺不適感沒有變化，說明漏風(fēng)路徑暢通無阻。根據(jù)理論以及前幾部分的結(jié)論，提出了兩種增加泄壓閥面積的方案。同時(shí)，相應(yīng)增加了行李廂兩側(cè)的進(jìn)氣格柵面積。測(cè)試結(jié)果如表3所示，客觀測(cè)試數(shù)據(jù)如圖16所示。綜合考慮NVH、漏水、重量、空調(diào)等相關(guān)屬性、封裝、成本約束和項(xiàng)目進(jìn)度要求后，案例1 最終被選中。案例2：泄壓閥面積過大，導(dǎo)致成本和重量增加，泄壓閥離地高度降低，駕駛室道路噪聲和排氣噪聲增大。車輛主觀評(píng)價(jià)為6.5級(jí)，消除了SUV的聽覺不適感。


表3 兩種情況下車輛后座聽覺不適幅度的主觀評(píng)估


圖16 兩種情況下后座聽覺不適幅度對(duì)比
總結(jié)/結(jié)論

考慮到車輛氣密等級(jí)越來越嚴(yán)格，關(guān)門的聽覺不適感可能會(huì)更嚴(yán)重。未來2~3年，車內(nèi)關(guān)門聽覺不適可能會(huì)成為更普遍的問題。
本文通過大量的客觀測(cè)試和主觀評(píng)價(jià)，系統(tǒng)地研究了正壓下車輛漏風(fēng)與聽覺不適感之間的關(guān)系。
此外，氣壓波動(dòng)與最小關(guān)門速度、車門表面積與駕駛室容積之比、車輛漏風(fēng)量、車輛截面積和泄壓閥通風(fēng)面積等參數(shù)的關(guān)系 由客觀測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行理論推導(dǎo)和驗(yàn)證。
進(jìn)一步定義了關(guān)門時(shí)氣壓波動(dòng)的人體聽覺舒適閾值，建立了關(guān)門時(shí)車內(nèi)聽覺不適的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
由于篇幅、時(shí)間、測(cè)試資源和CAE的限制，本文僅簡(jiǎn)述單個(gè)因素（例如：抽氣面積、車輛漏風(fēng)量、車門面積與駕駛室容積之比）和聽覺不適。所有因素的相互作用仍有待研究。
文章來源：Jun, M., Cao, Y., Zhang, J., Zhang, K. et al., "The Analysis and Control of Aural Discomfort inside a Car at the Instant of Door Closing," SAE Technical Paper 2020-01-1260, 2020, https://doi.org/10.4271/2020-01-1260.
AutoAero是吉林大學(xué)張英朝教授團(tuán)隊(duì)建立的專業(yè)汽車空氣動(dòng)力學(xué)微信公眾號(hào)號(hào)，致力于普及汽車空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，傳播汽車空氣動(dòng)力學(xué)。推廣包括流體力學(xué)基本理論，汽車空氣動(dòng)力學(xué)及熱管理水管理等基礎(chǔ)知識(shí)，乘用車氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)，卡車氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)等多方面的內(nèi)容。歡迎有興趣的專業(yè)人士閱讀、關(guān)注、共享！
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