摘 要

由于純電動(dòng)汽車(chē)底部平整，高速行駛時(shí)可能容易誘發(fā)氣流與車(chē)身泄壓閥耦合，從而引起車(chē)內(nèi)低頻噪聲問(wèn)題，嚴(yán)重降低乘坐舒適性。以某純電動(dòng)汽車(chē)高速行駛低頻渦聲耦合問(wèn)題的測(cè)試排查分析過(guò)程為例，系統(tǒng)地介紹了低頻渦聲耦合問(wèn)題的發(fā)生機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種用于驗(yàn)證低頻噪聲問(wèn)題的靜置試驗(yàn)方法，識(shí)別出影響低頻噪聲的關(guān)鍵要素，并設(shè)計(jì)了泄壓閥罩工程化方案，實(shí)車(chē)驗(yàn)證了方案的有效性，這對(duì)于解決純電動(dòng)汽車(chē)低頻渦聲耦合問(wèn)題和前期開(kāi)發(fā)問(wèn)題識(shí)別具有借鑒和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：泄壓閥；空腔；渦；自激振蕩；

作者：沈 龍1 張 軍2 黃應(yīng)來(lái)2 李 欣1  宋 瓊1

(1 浙江智馬達(dá)智能科技有限公司 )

(2 吉利汽車(chē)研究院(寧波)有限公司 )

引 言

國(guó)家對(duì)新能源汽車(chē)發(fā)展的持續(xù)投入，刺激了新能源汽車(chē)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，使中國(guó)在短短數(shù)年內(nèi)成為全球第一大新能源汽車(chē)市場(chǎng)。純電動(dòng)汽車(chē)有動(dòng)力強(qiáng)勁的特點(diǎn)，高速工況使用頻繁，且駕乘人員對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)NVH性能有著較高的心理預(yù)期，高速行駛工況下如果車(chē)內(nèi)存在低頻噪聲問(wèn)題就容易被顧客投訴，將極大地降低駕乘人員的用車(chē)體驗(yàn)。這不僅對(duì)品牌形象造成負(fù)面影響，還會(huì)帶來(lái)高額的售后維護(hù)成本。因此，分析低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理，針對(duì)關(guān)鍵影響因素進(jìn)行前期規(guī)避，具有重要的工程意義。

20世紀(jì)50年代，因飛機(jī)起落架艙及彈藥艙在飛機(jī)起降時(shí)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的嘯叫聲問(wèn)題，推動(dòng)了空腔自激振蕩機(jī)理分析和振蕩壓力預(yù)測(cè)等研究的逐漸興起。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)空腔自激振蕩的現(xiàn)象及機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，Rossiter[1]根據(jù)渦的運(yùn)動(dòng)形式提出了一個(gè)聲音的反饋回路模型，對(duì)大量實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行研究，總結(jié)出了一個(gè)用于預(yù)估振蕩頻率的半經(jīng)驗(yàn)公式。Heller[2]在不同馬赫數(shù)來(lái)流下對(duì)不同長(zhǎng)深比的空腔噪聲進(jìn)行研究，確定渦的回饋速度為當(dāng)?shù)芈曀?，并?duì)半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正。Michalke[3]通過(guò)對(duì)流體運(yùn)動(dòng)方程的求解，分析了空腔開(kāi)口的基本參數(shù)和流場(chǎng)特性，為建立空腔共振頻率的預(yù)測(cè)方法提供了較為清晰的物理圖像。羅柏華等[4]的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明空腔深度對(duì)振蕩頻率影響不大，對(duì)模態(tài)的幅值有明顯影響，空腔越深，最大振蕩峰值越大。李偉等[5]研究了在汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)中由制冷劑流動(dòng)引起的流激噪聲問(wèn)題，并通過(guò)半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了頻率預(yù)測(cè)與避頻處理來(lái)解決問(wèn)題。劉楊等[6]結(jié)合自激振蕩原理，解決了在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣窄縫式消聲器中的空腔自激振蕩問(wèn)題，并通過(guò)修正經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確認(rèn)了自激振蕩頻率。此外，也有較多文獻(xiàn)針對(duì)天窗風(fēng)振和側(cè)窗風(fēng)振[7-9]進(jìn)行了深入的研究。

本文介紹了高速工況下某電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身泄壓閥引起車(chē)內(nèi)低頻噪聲問(wèn)題的案例，通過(guò)對(duì)道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)、風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)、靜置試驗(yàn)數(shù)據(jù)、自激振蕩理論和共振理論的分析，找到了低頻噪聲的關(guān)鍵影響因素并提出了可行的工程化方案，有效解決了泄壓閥引起的車(chē)內(nèi)低頻噪聲問(wèn)題。該案例問(wèn)題的分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，有助于為后續(xù)電動(dòng)汽車(chē)高速工況NVH設(shè)計(jì)提供借鑒和指導(dǎo)。

1 問(wèn)題特征識(shí)別

某四驅(qū)純電動(dòng)SUV開(kāi)發(fā)過(guò)程中，出現(xiàn)高速行駛時(shí)車(chē)內(nèi)低頻轟鳴噪聲問(wèn)題。經(jīng)過(guò)主觀評(píng)價(jià)，問(wèn)題現(xiàn)象如下：(1)空調(diào)置于外循環(huán)狀態(tài)，在光滑平直路面上行駛，當(dāng)車(chē)速上升至130km/h時(shí)，在車(chē)輛后排位置能夠聽(tīng)到明顯的低頻噪聲；(2)隨著車(chē)速繼續(xù)上升，后排低頻噪聲幅值明顯增加，當(dāng)車(chē)速為140km/h時(shí)噪聲達(dá)到最大；(3)空調(diào)置于內(nèi)循環(huán)狀態(tài)，各車(chē)速均無(wú)明顯的低頻噪聲。隨著高速公路里程總和的不斷增長(zhǎng)和純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力的不斷提升，高速工況使用愈發(fā)頻繁，這大大增加了低頻噪聲問(wèn)題發(fā)生的概率，降低了乘坐舒適性，可能會(huì)引起市場(chǎng)抱怨。

該車(chē)前后搭載了兩臺(tái)永磁同步電機(jī)，前后電機(jī)下方均設(shè)計(jì)了平整的下護(hù)板。前電機(jī)下護(hù)板與前保險(xiǎn)杠和動(dòng)力電池前端平齊連通，后電機(jī)下護(hù)板與動(dòng)力電池后端和后保險(xiǎn)杠平齊連通。因避讓后懸架運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，后底護(hù)板與后保險(xiǎn)杠之間存在較大的缺口。泄壓閥左右對(duì)稱(chēng)布置于車(chē)身末端兩側(cè)，開(kāi)口朝向車(chē)輛正后方。這種車(chē)輛底部平順的結(jié)構(gòu)帶來(lái)了較好的風(fēng)阻表現(xiàn)，但也為氣流順利進(jìn)入后保險(xiǎn)杠并流經(jīng)泄壓閥表面創(chuàng)造了條件。

1.1?道路試驗(yàn)測(cè)試分析

結(jié)合主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，為了進(jìn)一步分析此問(wèn)題的特征，如圖1所示，分別在駕駛員左耳、副駕駛員右耳、左后乘客左耳、右后乘客右耳布置傳聲器，汽車(chē)在光滑平直路面上，空調(diào)置于外循環(huán)狀態(tài)，以140km/h車(chē)速勻速行駛，測(cè)試車(chē)內(nèi)各位置噪聲數(shù)據(jù)。

圖1傳聲器布置示意圖

車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果如圖2所示。通過(guò)對(duì)各位置噪聲的頻域特征分析及聲頻回放和濾波回放的對(duì)比辨識(shí)，可以得出：(1)車(chē)內(nèi)低頻噪聲存在明顯的位置特征，前排不明顯而后排明顯。車(chē)內(nèi)后排左右位置噪聲特征一致，均存在55Hz低頻噪聲峰值特征。前排左右位置噪聲特征一致，均無(wú)低頻噪聲峰值特征。(2)車(chē)內(nèi)后排噪聲頻譜呈現(xiàn)出以18Hz為基頻，37Hz、55Hz、73Hz為倍頻的諧階次特征。(3)車(chē)內(nèi)后排噪聲峰值以55Hz為中心頻率，幅值達(dá)57dB(A)，此為整車(chē)抱怨問(wèn)題的客觀測(cè)試特征。

圖2 140km/h車(chē)內(nèi)各位置噪聲頻譜圖

車(chē)輛高速行駛時(shí)受到的激勵(lì)主要來(lái)自于三個(gè)方面：第一是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)激勵(lì)；第二是路面激勵(lì)；第三是高速氣流激勵(lì)。問(wèn)題發(fā)生與空調(diào)外循環(huán)狀態(tài)強(qiáng)相關(guān)，高速行駛空調(diào)置于外循環(huán)狀態(tài)時(shí)泄壓閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，存在高速氣流激勵(lì)泄壓閥引起低頻噪聲問(wèn)題的可能性。

1.2?風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試分析

為了鎖定高速低頻噪聲問(wèn)題的激勵(lì)源，在聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行激勵(lì)源分離試驗(yàn)驗(yàn)證。分別在駕駛員、副駕駛員、左后乘客、右后乘客位置布置人工頭，測(cè)試0°偏航角，來(lái)流速度140km/h，空調(diào)置于外循環(huán)狀態(tài)下的車(chē)內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)。

測(cè)試結(jié)果如圖3所示。因風(fēng)洞只有穩(wěn)定來(lái)流激勵(lì)，相比于道路試驗(yàn)低頻成分激勵(lì)偏少，如再使用A計(jì)權(quán)將低頻部分的幅值降低，會(huì)導(dǎo)致對(duì)低頻數(shù)據(jù)分析的失真，故對(duì)風(fēng)洞數(shù)據(jù)采取不計(jì)權(quán)分析。通過(guò)噪聲回放辨識(shí)及各位置噪聲頻域特征分析可得到以下結(jié)論：(1)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與道路試驗(yàn)結(jié)果一致，后排左右位置噪聲頻譜一致，存在明顯的18Hz、55Hz倍頻特征。前排左右位置噪聲頻譜一致，沒(méi)有低頻噪聲特征。(2)風(fēng)洞試驗(yàn)中，高速氣流單獨(dú)激勵(lì)可以復(fù)現(xiàn)低頻噪聲問(wèn)題，說(shuō)明該問(wèn)題產(chǎn)生與路面激勵(lì)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)激勵(lì)無(wú)關(guān)，屬于氣動(dòng)噪聲類(lèi)型。

圖3 140km/h風(fēng)洞試驗(yàn)車(chē)內(nèi)各位置噪聲頻譜圖

2 潛在機(jī)理分析

2.1?激勵(lì)源特征分析

為了分析高速低頻噪聲問(wèn)題發(fā)生的潛在原因和影響因素，結(jié)合道路試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)分析結(jié)論，設(shè)計(jì)底護(hù)板間隙封閉、左側(cè)泄壓閥封閉、右側(cè)泄壓閥封閉、兩個(gè)泄壓閥封閉的4個(gè)驗(yàn)證方案，進(jìn)行排查對(duì)比工作。泄壓閥封閉狀態(tài)如圖4所示，并在兩個(gè)泄壓閥近場(chǎng)布置傳聲器，以分析泄壓閥位置的聲源特征。

圖4 泄壓閥封閉示意圖

整車(chē)以140km/h車(chē)速勻速行駛時(shí)，分別測(cè)試各方案車(chē)內(nèi)右后乘客右耳噪聲，并進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。主要排查工作的結(jié)論如下：(1)兩個(gè)泄壓閥封閉后，主觀評(píng)價(jià)問(wèn)題消失，客觀測(cè)試后排噪聲18Hz峰值降低12dB(A)，55Hz峰值降低了12dB(A)，確認(rèn)問(wèn)題由泄壓閥引起，18Hz峰值與55Hz峰值呈現(xiàn)出正相關(guān)性；(2)只進(jìn)行左側(cè)或右側(cè)泄壓閥封閉，后排噪聲55Hz峰值下降8dB(A)，只封閉一個(gè)泄壓閥問(wèn)題峰值有所下降，但問(wèn)題特征仍然存在，即每個(gè)泄壓閥均單獨(dú)對(duì)低頻噪聲問(wèn)題產(chǎn)生貢獻(xiàn)；(3)封閉底護(hù)板與后保險(xiǎn)杠縫隙，問(wèn)題頻率峰值下降5dB(A)，由于縫隙不能完全封閉，故問(wèn)題不能完全消失。

圖5 各驗(yàn)證方案車(chē)內(nèi)噪聲頻譜圖

泄壓閥近場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果如圖6所示，左右泄壓閥近場(chǎng)噪聲均出現(xiàn)了明顯的18Hz峰值特征，并伴隨有37Hz、55Hz為倍頻的諧階次峰值特征，此為泄壓閥處因氣流產(chǎn)生的激勵(lì)源特征。

圖6泄壓閥近場(chǎng)噪聲頻譜圖

根據(jù)以上道路試驗(yàn)方案排查結(jié)果，初步推測(cè)低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理為氣流流經(jīng)泄壓閥產(chǎn)生18Hz激勵(lì)源，該激勵(lì)源諧階次與車(chē)內(nèi)某頻率為55Hz的模態(tài)耦合放大，形成了車(chē)內(nèi)55Hz低頻噪聲問(wèn)題。

2.2?靜置試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證道路試驗(yàn)排查推測(cè)，設(shè)計(jì)如圖7所示的靜置試驗(yàn)裝置，使用體積聲源模擬泄壓閥處激勵(lì)，同步測(cè)試車(chē)內(nèi)噪聲響應(yīng)，研究泄壓閥處激勵(lì)頻率與車(chē)內(nèi)噪聲響應(yīng)頻率的關(guān)系。

靜置試驗(yàn)裝置由消聲室、整車(chē)、體積聲源、車(chē)內(nèi)傳聲器和數(shù)采設(shè)備構(gòu)成。試驗(yàn)時(shí)將整車(chē)靜置于消聲室，泄壓閥閥片開(kāi)啟，體積聲源布置在泄壓閥開(kāi)口處進(jìn)行聲載荷激勵(lì)，并分別在車(chē)內(nèi)駕駛員左耳、副駕駛員右耳、左后乘客左耳、右后乘客右耳布置傳聲器，通過(guò)數(shù)采設(shè)備記錄數(shù)據(jù)，同步進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。

圖7靜置試驗(yàn)示意圖

首先使用體積聲源進(jìn)行慢速掃頻激勵(lì)，在車(chē)內(nèi)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，當(dāng)掃頻激勵(lì)在18Hz附近時(shí)車(chē)內(nèi)出現(xiàn)了明顯的低頻噪聲。然后使用體積聲源進(jìn)行18Hz為基頻的定頻激勵(lì)，并同步測(cè)試車(chē)內(nèi)噪聲，計(jì)算聲聲傳遞函數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖8所示，聲聲傳遞函數(shù)曲線出現(xiàn)了明顯的18Hz和55Hz峰值。確認(rèn)泄壓閥處18Hz聲載荷激勵(lì)能夠引起車(chē)內(nèi)18Hz和55Hz的噪聲響應(yīng)。

圖8靜置試驗(yàn)車(chē)內(nèi)聲聲傳函

2.3?車(chē)內(nèi)空腔模態(tài)分析

將車(chē)內(nèi)空腔簡(jiǎn)化，建立實(shí)體模型，進(jìn)行二維網(wǎng)格劃分，然后生成三維網(wǎng)格進(jìn)行車(chē)內(nèi)空腔模態(tài)的有限元仿真分析。車(chē)內(nèi)聲腔縱向一階模態(tài)頻率及振型仿真結(jié)果如圖9所示。車(chē)內(nèi)低頻噪聲存在前排無(wú)后排有的位置特征，與車(chē)內(nèi)空腔縱向模態(tài)節(jié)線位于前排人耳位置吻合。

仿真分析模態(tài)值58Hz與實(shí)車(chē)問(wèn)題頻率存在3Hz差異，仿真差異主要來(lái)源是幾何建模的簡(jiǎn)化不夠精準(zhǔn)、材料屬性定義不夠準(zhǔn)確、邊界條件定義存在差異等?？紤]實(shí)車(chē)問(wèn)題是以55Hz為中心頻率，故仿真結(jié)果可以參考。

圖9車(chē)內(nèi)聲腔縱向一階模態(tài)

通過(guò)道路試驗(yàn)排查確認(rèn)泄壓閥導(dǎo)致了高速低頻噪聲問(wèn)題，并確定泄壓閥處存在18Hz激勵(lì)；通過(guò)靜置試驗(yàn)確認(rèn)了泄壓閥處18Hz激勵(lì)引起了車(chē)內(nèi)55Hz低頻噪聲響應(yīng)；通過(guò)仿真分析確認(rèn)了車(chē)內(nèi)空腔縱向一階模態(tài)頻率與問(wèn)題噪聲頻率接近。

以上分析可以進(jìn)一步推測(cè)高速低頻噪聲問(wèn)題潛在機(jī)理為：氣流流經(jīng)泄壓閥空腔引起渦的脫落，脫落渦的頻率與下游渦爆破聲波耦合，產(chǎn)生頻率為18Hz的自激振蕩現(xiàn)象，泄壓閥內(nèi)腔為深腔，導(dǎo)致自激振蕩頻率出現(xiàn)多個(gè)諧階次特征，其三階與車(chē)內(nèi)縱向一階聲腔模態(tài)耦合共振，導(dǎo)致車(chē)內(nèi)存在明顯的55Hz低頻噪聲。

3 渦聲耦合與共振理論分析

結(jié)合道路試驗(yàn)排查、靜置試驗(yàn)、仿真分析得出的高速低頻噪聲問(wèn)題潛在機(jī)理，將整車(chē)外循環(huán)狀態(tài)下的車(chē)內(nèi)空腔和泄壓閥系統(tǒng)簡(jiǎn)化成開(kāi)口空腔模型。高速行駛時(shí)，氣流流經(jīng)該模型并產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象，自激振蕩頻率或其諧階次頻率與車(chē)內(nèi)聲腔模態(tài)耦合共振引起低頻噪聲問(wèn)題。

3.1?渦聲耦合的自激振蕩

如圖10所示的長(zhǎng)為L(zhǎng)、深為H、寬為B的空腔，Rossiter從渦運(yùn)動(dòng)的角度提出了一個(gè)聲反饋模型，空腔口流動(dòng)的剪切層是由空腔前邊緣周期性脫落的渦組成，并向下游流動(dòng)，脫落的渦流動(dòng)到空腔后緣并與之發(fā)生碰撞相互作用后，產(chǎn)生的壓力波反向向上游傳播，當(dāng)壓力波傳遞到空腔前緣時(shí)會(huì)激發(fā)新的渦脫落。當(dāng)空腔前緣脫落渦與反饋聲波組成的回路滿足一定相位關(guān)系，空腔前緣的渦就會(huì)不斷被激勵(lì)發(fā)生周期性脫落，從而導(dǎo)致出現(xiàn)渦聲耦合的自激振蕩現(xiàn)象。

圖10渦聲耦合自激振蕩回路

振蕩的周期為渦從空腔前緣脫落到運(yùn)動(dòng)至空腔后緣發(fā)生碰撞與碰撞后壓力波傳遞至前緣的時(shí)間之和。朱幼君[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)將預(yù)測(cè)自激振蕩頻率的半經(jīng)驗(yàn)公式修正為 

式(1)中，