摘要

隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)噪聲的貢獻逐漸超過其他噪聲源，影響舒適性。首先，根據(jù)汽車風(fēng)噪聲的形成機理、聲類比和壓力類型對汽車風(fēng)噪聲進行了詳細的分類。然后對風(fēng)噪聲評價和開發(fā)工具進行了總結(jié)。最后討論了車輛車窗產(chǎn)生的抖振噪聲的特點及控制方法。考慮到外觀和視野，通過被動方式控制側(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控制開窗尺寸、主動打開多個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。隨著電動汽車的發(fā)展以及發(fā)動機，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)噪聲壓級急劇增加。

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

1.風(fēng)噪貢獻

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

2.噪聲源分類

2.1.按原機理區(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，其對內(nèi)部噪聲的貢獻大于對外部形狀噪聲的貢獻，如圖1所示。最嚴重的泄露發(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制，第一種是由于汽車內(nèi)外的壓力差導(dǎo)致氣流穿過密封條進出車體，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 泄露噪聲機制的類型

汽車流場是典型的非穩(wěn)態(tài)流動，尤其是在壓力波動較大的區(qū)域，如A柱位置，在密封條處有非穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流動，形成單極子聲源。氣流通過縫隙進入車輛，通常會形成氣流分離，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)流動中可以忽略不計。   

車外的非定常壓力脈動激勵密封條振動并向車內(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密封性能，對泄漏噪聲有很大的影響。

外形噪聲

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

圖3 汽車周圍流場和一些噪聲源區(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)的非定常壓力脈動明顯高于再附著區(qū)。當(dāng)汽車偏航或有側(cè)風(fēng)時，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)定都會產(chǎn)生單極子噪聲。 通過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)計成沒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復(fù)雜的流場，激發(fā)地板結(jié)構(gòu)振動，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。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，風(fēng)噪聲更加明顯。 將發(fā)動機罩后緣抬高，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。

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 有無繞流板天窗抖振頻譜對比

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 ?，F(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增加擾流板來減少剪切渦對天窗的激勵來消除。 考慮到側(cè)窗的外觀和視野，采用被動方法控制側(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，邊界層內(nèi)的壓力脈動引發(fā)空腔聲共振，形成風(fēng)噪聲源，風(fēng)噪聲源可以通過密封條進入艙室。 在測試過程中，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。單極源是由一個脈動球的連續(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。非定常體積流動的運動產(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，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，一個偶極子源由一對相位相反的單極子源組成。車身表面的非定常壓力波動會產(chǎn)生偶極子源。它來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