其他測試

密封測試

聲學(xué)包裝的首要任務(wù)是解決密封問題，這決定了泄漏噪聲。 常用的測試方法有煙霧測量、超聲波測量和氣密性測量。 氣密性測量采用鼓風(fēng)機(jī)對機(jī)體充氣，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)氣流穩(wěn)定時(shí)，可根據(jù)流速Q(mào)計(jì)算泄漏面積。

式中aD為流量系數(shù)，A為泄漏面積，Pi和P0為車內(nèi)外壓力，ρ0為氣體密度。 

聲傳輸損耗測試

形狀噪聲通過車身結(jié)構(gòu)和玻璃進(jìn)入座艙的能力主要與聲傳播損失有關(guān)。 大多數(shù)車身結(jié)構(gòu)的傳遞損失遠(yuǎn)大于窗戶玻璃，而窗戶玻璃是主要的傳聲構(gòu)件。   如圖15所示，隨著頻率的增加，單層結(jié)構(gòu)的傳輸損耗逐漸增大。在頻域上可分為三個(gè)區(qū)域:剛度控制、質(zhì)量控制和重合效應(yīng)控制。在質(zhì)量控制區(qū)，斜率為每倍頻程6 dB，質(zhì)量加倍時(shí)傳輸損耗增加6 dB。 

圖15  單層板在不同頻段的聲傳輸損失。

 此外，板阻尼也會影響傳輸損耗。  在符合頻率下，玻璃的透射損耗比其他頻率范圍低。夾層玻璃具有較高的阻尼，增大了重合頻率附近的聲傳播損失。  單層均勻壁板的重合頻率可按公式計(jì)算

由于密度ρ，泊松比μ和楊氏模量E，玻璃的頻率范圍為4.2 ~ 2.1 kHz，玻璃厚度為3 ~ 6 mm。研究表明，夾層側(cè)窗玻璃在2khz至6khz頻段的隔音性能平均提高了4db，同時(shí)與鋼化玻璃的厚度相同，與傳統(tǒng)鋼化玻璃相比，重量降低了12%。夾層玻璃還能提高安全性和抗侵入性。

如圖16所示，待測樣品玻璃放置在混響室和消聲室之間，混響室放置球形聲源和麥克風(fēng)，消聲室放置聲強(qiáng)探頭。樣本的入射聲功率和透射聲功率如下

其中、I分別為平均聲壓、平均聲強(qiáng)，S為樣本面積。 樣品的聲傳播損失STL可以表示為

,分別代表混響室的平均聲壓級和消聲室的平均聲強(qiáng)級。

圖16  聲音傳輸損耗測試

阻尼試驗(yàn)通常采用衰減率法進(jìn)行。 如圖17所示，得到隨機(jī)分布的加速度計(jì)在錘擊或激振器作用下的頻響函數(shù)。 通過傅里葉反變換和濾波，將頻響信號轉(zhuǎn)換為不同頻率的時(shí)域信號。使用Schroeder的積分，衰減率RD是根據(jù)衰減圖的斜率計(jì)算的，如圖18所示。各頻率fn的阻尼損失因子η按如下計(jì)算

圖17 阻尼損失因子測試

圖18 震動衰減圖

吸聲測試

吸聲系數(shù)和空腔阻尼反映了客艙內(nèi)部材料的吸聲能力。  如圖19所示，將材料樣品放置在混響室中，通過混響時(shí)間測試計(jì)算其吸收系數(shù)和阻尼。 當(dāng)聲源停止時(shí)，混響室內(nèi)產(chǎn)生的能量是均勻的。 在試樣吸聲的作用下，聲壓級在T60一段時(shí)間內(nèi)降低了60 dB，如圖20所示。 混響室體積V、采樣面積S、吸收系數(shù)α的關(guān)系為  

阻尼損失因子η與混響時(shí)間T60、頻率f的關(guān)系為:

材料的吸聲和阻尼特性可通過式18和式19計(jì)算，并將其作為車輛風(fēng)噪聲模擬等輸入?yún)?shù)。

圖20 聲壓級衰減圖

3.3.仿真方法

泄漏噪聲可以通過風(fēng)洞試驗(yàn)等手段進(jìn)行研究和優(yōu)化。 目前用流動模擬直接模擬泄漏噪聲的方法還比較困難。   而通過在時(shí)均流場中模擬車門在壓力荷載作用下的變形程度，通過優(yōu)化車門結(jié)構(gòu)來提高其剛度以間接控制。

形狀噪聲通過車窗玻璃和車身面板的振動輻射到車內(nèi)。 在試驗(yàn)過程中對實(shí)車的變形進(jìn)行優(yōu)化是比較困難和昂貴的，而通過仿真進(jìn)行風(fēng)噪聲預(yù)測和形狀優(yōu)化具有效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

客艙風(fēng)噪聲仿真過程通常包括獲取外部聲源和模擬聲音通過窗口和車內(nèi)的傳播。外部聲源模擬包括兩種方法:直接氣動聲學(xué)(Computational Aeroacoustics)和混合氣動聲學(xué)(hybrid CAA)。 

Direct CAA以可壓縮氣體為介質(zhì)，同時(shí)計(jì)算流場中的流體動壓和聲壓，考慮了兩者的耦合效應(yīng)。 傳統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)工具大多基于有限體積法，在求解Navier-Stokes偏微分方程組時(shí)，由于時(shí)間和空間的離散，會造成數(shù)值誤差。 在聲傳播過程的模擬中，聲壓數(shù)量級比水動壓小。因此，直接CAA需要較高的時(shí)間和空間離散精度、較大的網(wǎng)格尺寸和計(jì)算資源。  而求解介觀尺度分子動力學(xué)方程的晶格Boltzmann方法(LBM)具有并行率高、耗散低的優(yōu)點(diǎn)。 在獲得窗口表面聲源后，通過波數(shù)分解分別得到聲壓和水動壓。 

混合CAA以不可壓縮氣體為介質(zhì)，將傳統(tǒng)CFD模擬與聲學(xué)模擬相結(jié)合，將對流場與聲學(xué)場解耦，并依次計(jì)算流體動力和聲壓。 采用不可壓縮CFD模擬得到的對流信息作為輸入計(jì)算聲信息，忽略聲場對對流的影響。 主要的混合CAA方法包括Lighthill聲學(xué)類比法、Ffowcs Williams and hawkins (FW-H)積分法、聲學(xué)擾動方程(APE)和隨機(jī)噪聲產(chǎn)生與輻射(SNGR)方法。 有時(shí)將不可壓縮CFD模擬與有限元聲學(xué)模擬相結(jié)合，得到外部流場聲源。 當(dāng)流體軟件導(dǎo)出體積聲源(對流速度、壓力)時(shí)，通常需要數(shù)百gb的存儲空間。  汽車風(fēng)噪聲主要涉及偶極子聲源，可通過流體軟件作為表面聲源獲得，數(shù)據(jù)存儲大大減少。

窗口和內(nèi)部的聲透射可以通過SEA(統(tǒng)計(jì)能量分析)、FEM (有限元法)或BEM(邊界元法)進(jìn)行計(jì)算。 

5000 Hz以下的窗口振動模式為數(shù)百階，3000hz以下的內(nèi)部聲學(xué)響應(yīng)模式為上萬階。 頻率越高，彎曲波長越小，需要更多的有限元網(wǎng)格，計(jì)算量急劇增加。SEA在求解高頻風(fēng)噪聲時(shí)效率較高，在模態(tài)密度較低的低頻區(qū)域精度較低。 有限元法的優(yōu)點(diǎn)是可以預(yù)測座艙內(nèi)特定測點(diǎn)的聲響應(yīng)，但有時(shí)更重要的是快速實(shí)現(xiàn)風(fēng)噪聲的相對優(yōu)化。SEA用于快速預(yù)測車輛的平均響應(yīng)，例如在車輛開發(fā)的早期階段。

4.抖振特性和控制

側(cè)窗抖振主要與客艙內(nèi)剪切渦和共振現(xiàn)象的發(fā)展有關(guān)。 這可以類似于氣流通過一個(gè)簡化的空腔開口，其中存在三種振蕩形式: 速度剪切層失穩(wěn)引起的流體動力振蕩、空腔內(nèi)空氣壓縮膨脹引起的流體共振振蕩、空腔固壁彈性位移引起的流體彈性振蕩，如圖21所示。  基于CFD軟件的車輛仿真通常忽略內(nèi)飾振動位移和吸聲的影響。 結(jié)合CAE軟件，可以考慮艙內(nèi)邊界阻抗的影響，提高仿真置信度。

如前所述，當(dāng)剪切渦頻率與空腔固有頻率重合時(shí)，就會發(fā)生Helmholtz共振，空腔內(nèi)的抖振噪聲達(dá)到100 dB以上，而抖振頻率(<20 Hz)雖然接近人耳聽域的下限， 由于聲壓水平高，人體很容易感知。 

圖21 流動震蕩、流體共振、彈性空腔壓力震蕩

4.1.抖振特性

車速

隨著車速的增加，剪切渦向車窗后緣移動并在較短的時(shí)間內(nèi)破碎，增加了天窗和側(cè)窗的抖振頻率。當(dāng)抖振頻率接近座艙固有頻率時(shí)，Helmholtz共振越強(qiáng)，抖振越強(qiáng)烈。因此，隨著速度的增加，抖振通常先增大后減小，而抖振頻率不斷增加，如圖22所示。

圖22  風(fēng)速對天窗峰值聲壓級(頂部)和抖振頻率(底部)的影響。

窗戶開度

減小的窗口開口流向長度縮短了脫落渦的運(yùn)動路徑。 在相同車速下，脫落周期縮短，增加了天窗抖振的頻率。 由于開側(cè)窗時(shí)流向長度變化不大，抖振頻率保持不變。   此外，窗口開度越小，一般抖振越弱。天窗抖振強(qiáng)度對開口尺寸更敏感。

通風(fēng)與偏航

由于壓力通風(fēng)效應(yīng)，多個(gè)窗口同時(shí)開啟時(shí)抖振較單獨(dú)開啟時(shí)弱。 對于左側(cè)后窗，同時(shí)打開右側(cè)前窗時(shí)抖振最小。 當(dāng)存在側(cè)風(fēng)即偏航時(shí)，抖振在迎風(fēng)側(cè)增加，在背風(fēng)側(cè)減少。 窗口關(guān)閉時(shí)，寬帶風(fēng)噪聲與偏航時(shí)的模式相反。