摘要

隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)噪聲的貢獻(xiàn)逐漸超過(guò)其他噪聲源，影響舒適性。首先，根據(jù)汽車風(fēng)噪聲的形成機(jī)理、聲類比和壓力類型對(duì)汽車風(fēng)噪聲進(jìn)行了詳細(xì)的分類。然后對(duì)風(fēng)噪聲評(píng)價(jià)和開發(fā)工具進(jìn)行了總結(jié)。最后討論了車輛車窗產(chǎn)生的抖振噪聲的特點(diǎn)及控制方法?？紤]到外觀和視野，通過(guò)被動(dòng)方式控制側(cè)窗抖振噪聲十分困難。因此，本文提出的基于控制邏輯的主動(dòng)控制開窗尺寸、主動(dòng)打開多個(gè)窗口甚至釋放反相位聲源的方法具有良好的應(yīng)用前景。 

引言

風(fēng)噪聲是影響用戶舒適度的主要噪聲源之一。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展以及發(fā)動(dòng)機(jī)，輪胎噪聲控制技術(shù)的提升，風(fēng)噪聲的重要性日益顯著，隨汽車車速增加風(fēng)噪聲壓級(jí)急劇增加。

本文首先從多個(gè)角度分析了汽車風(fēng)噪聲源的分類，總結(jié)了風(fēng)噪聲形成機(jī)理的相關(guān)理論。然后介紹了風(fēng)噪聲開發(fā)中常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并利用心理指標(biāo)考慮了人耳對(duì)不同頻帶噪聲的感知。對(duì)汽車風(fēng)噪聲的測(cè)試和仿真方法進(jìn)行了總結(jié)。最后，重點(diǎn)介紹了汽車車窗噪聲的特點(diǎn)及控制方法。提出了一種基于控制邏輯的主動(dòng)控制方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.風(fēng)噪貢獻(xiàn)

可以通過(guò)試驗(yàn)可以研究發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、輪胎滾動(dòng)噪聲和風(fēng)噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的影響， 在50 km/h低速時(shí)，風(fēng)噪聲的貢獻(xiàn)較小，內(nèi)部噪聲主要以發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和輪胎噪聲為主。 在90 km/h時(shí)，風(fēng)噪聲的貢獻(xiàn)高于人耳敏感頻段2000 Hz以上的其他噪聲。 當(dāng)車速繼續(xù)提高到160 km/h時(shí)，除了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲在160 Hz時(shí)的貢獻(xiàn)較大外，風(fēng)噪聲幾乎在整個(gè)頻帶中都占主導(dǎo)地位。顯然，風(fēng)速越高，風(fēng)噪聲的貢獻(xiàn)越大。

2.噪聲源分類

2.1.按原機(jī)理區(qū)分

密封泄露噪聲

在汽車眾多風(fēng)噪源中，泄露噪聲通常是首先考慮的，泄漏噪聲具有中高頻特征，其對(duì)內(nèi)部噪聲的貢獻(xiàn)大于對(duì)外部形狀噪聲的貢獻(xiàn)，如圖1所示。最嚴(yán)重的泄露發(fā)生在門，側(cè)窗以及側(cè)視鏡附近。

圖1 泄露噪聲與形狀噪聲頻譜比較

如圖2所示，泄露噪聲的形成有兩種機(jī)制，第一種是由于汽車內(nèi)外的壓力差導(dǎo)致氣流穿過(guò)密封條進(jìn)出車體，將直接導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生，又稱為吸音噪聲。另一種是由于密封條的傳聲損失較小，風(fēng)噪聲通過(guò)密封從車外直接傳遞到車內(nèi)，  如門縫產(chǎn)生的腔隙噪聲。

圖2 泄露噪聲機(jī)制的類型

汽車流場(chǎng)是典型的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，尤其是在壓力波動(dòng)較大的區(qū)域，如A柱位置，在密封條處有非穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流動(dòng)，形成單極子聲源。氣流通過(guò)縫隙進(jìn)入車輛，通常會(huì)形成氣流分離，與門框等表面相互作用，形成偶極聲源。此外，空間中的自由射流可以形成四極源，盡管在低馬赫數(shù)流動(dòng)中可以忽略不計(jì)。   

車外的非定常壓力脈動(dòng)激勵(lì)密封條振動(dòng)并向車內(nèi)輻射噪聲。 這與車身面板和車窗玻璃的聲傳播機(jī)制類似，其中聲傳播損失與密封的剛度、質(zhì)量和阻尼有關(guān)。 通過(guò)增加密封件的數(shù)量，而不是增加剛度和阻尼，可以有效地降低泄漏噪聲。 此外，門的剛度 [8] 影響門在高速下的動(dòng)密封性能，對(duì)泄漏噪聲有很大的影響。

外形噪聲

如圖3所示，在車附近的流場(chǎng)中有存在許多流動(dòng)分離和渦結(jié)構(gòu)，這將導(dǎo)致不穩(wěn)定的壓力脈動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生形狀噪聲源。

圖3 汽車周圍流場(chǎng)和一些噪聲源區(qū)域

a柱

在前擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗之間有很強(qiáng)的a柱渦流，由于靠近人耳，導(dǎo)致車內(nèi)噪音增加。   研究表明，a柱渦分離區(qū)的非定常壓力脈動(dòng)明顯高于再附著區(qū)。當(dāng)汽車偏航或有側(cè)風(fēng)時(shí)，a柱渦在背風(fēng)側(cè)增大，風(fēng)噪聲較大。 增大湍流度可以延緩a柱的邊界層分離，降低a柱渦量，從而降低風(fēng)噪聲。

后視鏡

作為車輛外側(cè)的主要突出部分，靠近側(cè)窗的側(cè)視鏡是形狀噪聲的主要來(lái)源之一。 研究表明，增加鏡子與門之間的間隙可以減緩局部氣流加速，降低風(fēng)噪聲。 通過(guò)改變后視鏡的形狀，減小尾流，風(fēng)噪聲明顯減小。 反射鏡腔的共振和邊界層的不穩(wěn)定都會(huì)產(chǎn)生單極子噪聲。 通過(guò)改變反射鏡后緣形狀或?qū)⑦吔鐚幼優(yōu)橥牧?，可以消除反射鏡的極子噪聲。 目前的規(guī)定要求汽車安裝外鏡，但一些概念車被設(shè)計(jì)成沒(méi)有鏡子或更小的鏡子。

底盤

由于許多部件暴露在氣流中，在車輛下方形成一個(gè)復(fù)雜的流場(chǎng)，激發(fā)地板結(jié)構(gòu)振動(dòng)，向車內(nèi)輻射噪聲，主要在低頻范圍內(nèi)，如圖1所示，裙座排除了車底噪聲的貢獻(xiàn)。此外，下部某些空腔的共振也形成風(fēng)噪聲源。下部導(dǎo)流板和氣壩可以使氣流從底部偏轉(zhuǎn)，減少風(fēng)噪聲。

其余形狀

當(dāng)位于前擋風(fēng)玻璃下方的雨刷暴露在空氣中時(shí)，風(fēng)噪聲更加明顯。 將發(fā)動(dòng)機(jī)罩后緣抬高，將雨刷隱藏在下方，可有效降低風(fēng)噪。 天線尾部存在類似于馮·卡門渦的脫落渦。 在天線周圍纏繞螺旋可以降低音調(diào)風(fēng)噪聲。 采用不規(guī)則形狀減小頂板尾部的相干脫落渦也可以降低風(fēng)噪聲。 盡管天線和車頂欄桿在目前的乘用車中不太常見(jiàn)。

空腔共振噪聲

汽車中的空腔共振噪聲主要有兩種類型，一種是大型窗戶的抖振噪聲，另一種是小空腔的共振噪聲，如門縫和格柵空腔。 空腔噪聲的研究最早起源于航空工業(yè)。如圖4所示，與泄漏噪聲、形狀噪聲等寬帶噪聲不同，腔共振噪聲是一種音調(diào)噪聲，通常有基頻和和聲頻率。 

圖4 有無(wú)繞流板天窗抖振頻譜對(duì)比

窗邊抖振

由于打開窗口周圍的靜止空氣與外部氣流存在速度梯度，剪切層失穩(wěn)導(dǎo)致旋渦脫落。剪切渦的壓力脈動(dòng)引發(fā)客艙的亥姆霍茲共振。 共振與剪切渦的耦合產(chǎn)生頻率鎖定，通常稱為共振或者wind throb或booming 。現(xiàn)在更常用的叫法是抖振（buffeting）。當(dāng)前天窗抖振噪聲主要通過(guò)增加擾流板來(lái)減少剪切渦對(duì)天窗的激勵(lì)來(lái)消除。 考慮到側(cè)窗的外觀和視野，采用被動(dòng)方法控制側(cè)窗抖振比較困難。

門縫與格柵

當(dāng)空氣流經(jīng)門板間隙時(shí)，邊界層內(nèi)的壓力脈動(dòng)引發(fā)空腔聲共振，形成風(fēng)噪聲源，風(fēng)噪聲源可以通過(guò)密封條進(jìn)入艙室。 在測(cè)試過(guò)程中，通常用膠帶密封門接頭，以隔離這部分聲源。 在汽車設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減小裝配誤差，使車門接頭和腔體盡可能小。此外，空心格柵也能產(chǎn)生類似的聲源 。

2.2.按聲學(xué)類比區(qū)分

在古典聲學(xué)中，聲音是由固體表面振動(dòng)引起周圍空氣的壓縮和膨脹而產(chǎn)生的。 風(fēng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)制不同，但可以類似于經(jīng)典聲學(xué)中的單極、偶極和四極聲源。不同聲源的功率和輻射能力是不同的。單極源是由一個(gè)脈動(dòng)球的連續(xù)周期性壓縮和膨脹引起的，并向周圍輻射球面波，如圖5所示。非定常體積流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生單極子源，如圖2所示密封件周圍的單極子源。 低馬赫數(shù)(<0.3 Ma)時(shí)，其輻射效率高于偶極和四極源。其聲功率與流速的四次方成正比  

ρ是密度，c是聲速，M是流速和聲速的比值。

圖5 單極子聲源輻射聲波

如圖6所示，一個(gè)偶極子源由一對(duì)相位相反的單極子源組成。車身表面的非定常壓力波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生偶極子源。它來(lái)自于固體表面上的反作用力。其聲功率與流速u的六次方成正比  

圖6 偶極子聲源輻射聲波