前言

純電動汽車?yán)m(xù)航能力是用戶判斷車輛性能的關(guān)鍵性指標(biāo)之一，各大主機(jī)廠為了提升純電動汽車?yán)m(xù)航能力：一方面從電機(jī)驅(qū)動技術(shù)入手，通過油冷、扁線、碳化硅等技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速的高速化，讓整車效能大大提升；另一方面，導(dǎo)流板的使用以及平整的電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等空氣動力學(xué)方案，讓純電動汽車擁有更低的風(fēng)阻系數(shù)，從而獲得更長的續(xù)航里程，隨著電機(jī)驅(qū)動技術(shù)以及空氣動力學(xué)技術(shù)的不斷更新，使得純電動汽車高速化趨勢愈發(fā)明顯。平整的電池包結(jié)構(gòu)帶來更低的風(fēng)阻系數(shù)，同時(shí)也將經(jīng)過電池包的氣流梳理平順，當(dāng)該氣流通過底盤后部空腔時(shí)，會產(chǎn)生較大的氣動載荷激勵，且為了平衡外循環(huán)時(shí)氣流壓力，往往在車輛后部設(shè)置單向泄壓閥，使得汽車后部成為隔聲薄弱區(qū)域。因此，高速行駛形成的氣動載荷通過車輛后部隔聲薄弱區(qū)域傳遞，在車內(nèi)形成明顯的氣動噪聲，會極大地影響用戶的使用體驗(yàn)。因此，研究純電動汽車底盤后部氣動噪聲產(chǎn)生機(jī)理，分析影響氣動噪聲的關(guān)鍵因素，在設(shè)計(jì)中予以規(guī)避將具有非常重要的工程開發(fā)意義。

國內(nèi)外學(xué)者對空腔自激振蕩現(xiàn)象及機(jī)理進(jìn)行了深入研究，Rossiter［1］對大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，提出氣流通過腔體可根據(jù)渦的運(yùn)動形式理解成為一個(gè)聲音的反饋回路模型，并總結(jié)出一個(gè)用于預(yù)測振蕩頻率的半經(jīng)驗(yàn)公式。Heller［2］研究了不同長深比的空腔噪聲在不同馬赫數(shù)來流下的差異，確定反饋速度為當(dāng)?shù)芈曀?，對預(yù)測振蕩頻率的半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正。李偉等［3］發(fā)現(xiàn)了空調(diào)管內(nèi)制冷劑流動時(shí)發(fā)生的流激噪聲問題，通過半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了自激振蕩頻率計(jì)算并通過避頻方法來解決該問題。王浩等［4］研究確定高速列車連接處產(chǎn)生低頻噪聲的原因是周期性渦脫落流過內(nèi)、外風(fēng)擋圍成空腔形成的“Helmholtz共振腔”造成。劉楊等［5］分析了渦輪增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣窄縫式消聲器嘯叫問題的原因是在特定流速下消聲器在多個(gè)開縫處自激振蕩頻率與內(nèi)腔聲學(xué)模態(tài)頻率發(fā)生共振導(dǎo)致。張軍等［6］通過靜置試驗(yàn)的方法還原了渦聲耦合導(dǎo)致車內(nèi)低頻噪聲的問題，并設(shè)計(jì)了工程化改進(jìn)方案。李鑫等［7］研究了汽車側(cè)窗風(fēng)振機(jī)理，并通過HMI人機(jī)交互技術(shù)解決了側(cè)窗風(fēng)振問題。但國內(nèi)外學(xué)者對純電動汽車高速工況下車輛底盤空腔引起的低頻噪聲問題研究較少，缺少系統(tǒng)性的問題分析和工程化解決方法。

本文中以某純電動汽車高速行駛工況下，車輛底盤后部空腔引起的低頻噪聲問題為案例，系統(tǒng)介紹了低頻噪聲問題的測試分析與排查過程，通過對低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析結(jié)合自激振蕩經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)了驗(yàn)證低頻噪聲產(chǎn)生原因的試驗(yàn)，確認(rèn)低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理是剪切層振蕩頻率與腔體自身結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性耦合導(dǎo)致的流體聲學(xué)共振問題?；诘皖l噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，提出了多種可以解決低頻噪聲問題的技術(shù)方案，并實(shí)車驗(yàn)證了方案的有效性。該案例問題的分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對于解決純電動汽車高速工況低頻噪聲問題具有重要的工程參考意義。

1 問題識別與排查

某純電動SUV前后各搭載一臺“三合一”永磁同步電驅(qū)動總成，電池包平整布置于底盤中部并與底護(hù)板平整過渡搭接，配備胎面寬度245 mm、高寬比45%、輪輞直徑19英寸的車輪，樣車在平直道路上高速行駛時(shí)，車內(nèi)后排能明顯識別到低頻噪聲。

1.1 問題客觀特征

為了客觀描述問題特征，如圖1所示，在駕駛員左耳和右后乘客右耳處布置傳聲器，汽車在平直光滑路面上以100~140 km/h車速行駛，多次來回測試并記錄測試數(shù)據(jù)。

圖1

圖1   傳聲器布置示意圖

不同車速下右后乘客右耳聲音測試結(jié)果如圖2所示，車速低于130 km/h車內(nèi)后排噪聲未出現(xiàn)明顯的峰值特征，當(dāng)車速達(dá)到140 km/h時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)明顯的53 Hz低頻峰值，峰值達(dá)到61 dB（A）。

圖2

圖2   不同車速車內(nèi)后排噪聲頻譜圖

結(jié)合各車速車內(nèi)噪聲測試結(jié)果與客戶常用車速段，后續(xù)將140 km/h車速作為典型工況進(jìn)行問題分析，140 km/h車速下車內(nèi)噪聲測試結(jié)果如圖3所示。

圖3

圖3   140 km/h車內(nèi)噪聲頻譜圖

通過測試數(shù)據(jù)分析，可以得出車速140 km/h工況下車內(nèi)噪聲客觀特征是：（1）駕駛員左耳噪聲頻譜曲線沒有明顯的低頻峰值，右后乘客右耳噪聲頻譜曲線在低頻段53 Hz左右出現(xiàn)明顯的峰值特征，其峰值達(dá)60 dB（A）；（2）右后乘客右耳噪聲頻譜呈現(xiàn)出以18 Hz左右為基頻、35與53 Hz左右分別為二倍頻和三倍頻特征。

高速行駛的純電動汽車噪聲激勵源主要有3個(gè)方面：第1是高速氣流激勵；第2是路面通過懸架激勵；第3是動力傳動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)激勵，隨著車速提升，氣流激勵會成為主要激勵源。配合車輛使用的車輪尺寸，可以計(jì)算得出問題發(fā)生的典型車速下車輪的旋轉(zhuǎn)頻率約為17.7 Hz，該激勵有可能成為低頻噪聲問題的基頻激勵。可以通過風(fēng)洞試驗(yàn)來分離高速氣流激勵與動力傳動系統(tǒng)和路面激勵，確認(rèn)高速低頻噪聲是否為氣動噪聲。

1.2 激勵源分離驗(yàn)證

在聲學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室對樣車進(jìn)行單一高速氣流激勵源激勵，以確認(rèn)高速低頻噪聲是否由氣流引起。首先，將風(fēng)洞來流方向設(shè)置為0°偏航角，來流速度設(shè)定為140 km/h，進(jìn)行主觀評價(jià)，能夠在后排識別到低頻噪聲。其次，在駕駛員、副駕駛員、左后乘客、右后乘客位置分別布置人工頭，主觀評價(jià)相同條件下，測試車內(nèi)噪聲。

風(fēng)洞中客觀測試結(jié)果如圖4所示，風(fēng)洞測試結(jié)果與路試結(jié)果的低頻噪聲特征吻合，都是以53 Hz為中心頻率的低頻噪聲。通過風(fēng)洞試驗(yàn)可以鎖定該車型高速低頻噪聲問題主要是高速氣流引起，屬于氣動噪聲類型。

圖4

圖4   140 km/h風(fēng)洞試驗(yàn)車內(nèi)噪聲頻譜圖

1.3 問題的排查

燃油車開發(fā)過程中暫未發(fā)現(xiàn)高速低頻氣動噪聲問題，然而，純電動汽車與燃油車在懸架及上車體部分不存在明顯差異，所以底盤氣動相關(guān)的造型結(jié)構(gòu)差異成為問題分析的重點(diǎn)排查對象。

樣車底部空間布置結(jié)構(gòu)如圖5所示，電池包及前底護(hù)板區(qū)域都布置平整、連續(xù)，但因后懸架運(yùn)動包絡(luò)原因，后底護(hù)板及后保險(xiǎn)杠區(qū)域在底盤后部兩側(cè)存在明顯的空腔結(jié)構(gòu)，初步推測氣動低頻噪聲的產(chǎn)生與該空腔結(jié)構(gòu)相關(guān)。

圖5

圖5   底部空腔位置示意圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證低頻噪聲產(chǎn)生原因，如圖6所示，分別在后底護(hù)板、后保險(xiǎn)杠布置振動傳感器，空腔位置與車內(nèi)布置傳聲器，在典型工況下同步采集噪聲與振動數(shù)據(jù)。

圖6

圖6   測點(diǎn)布置示意圖

測試結(jié)果如圖7所示。由圖可見：（1）車內(nèi)噪聲與空腔噪聲同時(shí)在53 Hz出現(xiàn)明顯的峰值特征，空腔噪聲峰值達(dá)到70 dB（A）；（2）后底護(hù)板及后保險(xiǎn)杠振動均以Z向?yàn)橹饕駝臃较?，后底護(hù)板在53 Hz處未出現(xiàn)明顯峰值，后保險(xiǎn)杠在53 Hz處出現(xiàn)了明顯的峰值，且峰值達(dá)到2 m/s2。經(jīng)過空腔相關(guān)噪聲及振動測試分析，高速低頻氣動噪聲與底盤后部空腔噪聲響應(yīng)及主要形成空腔的后保險(xiǎn)杠Z向振動對應(yīng)。推測低頻噪聲形成的潛在機(jī)理是汽車底部氣流通過電池包及前底護(hù)板梳流作用后，形成了穩(wěn)定的氣流，該氣流通過底盤后部空腔處形成了渦聲耦合或者流體彈性作用現(xiàn)象。

圖7

圖7   振動及噪聲測試結(jié)果

2 潛在機(jī)理的排查分析

2.1 流體彈性作用機(jī)理的排查

基于底護(hù)板使用PP+PET材料模壓成型，后保險(xiǎn)杠使用PP材料注塑成型，兩者聲輻射能力均較弱，且底護(hù)板振動與車內(nèi)噪聲幾乎無對應(yīng)關(guān)系，主要對后保險(xiǎn)杠振動進(jìn)行擾動排查，如圖8所示，在后保險(xiǎn)杠鋪貼丁基阻尼片，以擾動后保險(xiǎn)杠振動觀察低頻噪聲變化情況。

圖8

圖8   后保險(xiǎn)杠貼阻尼片示意圖

典型工況下測試后保險(xiǎn)杠振動與空腔和車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖9所示。由圖可見，后保險(xiǎn)杠53 Hz振動峰值降低80%，呈現(xiàn)無明顯峰值狀態(tài)，而空腔內(nèi)噪聲與車內(nèi)噪聲53 Hz峰值均無變化，即氣流引起后保險(xiǎn)杠本體振動對低頻噪聲無明顯影響。

圖9

圖9   后保險(xiǎn)杠貼阻尼片測試結(jié)果

2.2 渦聲耦合機(jī)理排查

后保險(xiǎn)杠對底盤后部空腔形成起到了關(guān)鍵性作用，如圖10所示，在后保險(xiǎn)杠形成的主要空腔內(nèi)填充滿三聚氰胺泡沫塊，用于改變空腔尺寸，以擾動渦聲耦合形成條件。

圖10

圖10   后保險(xiǎn)杠填充方案示意圖

典型工況下測試空腔和車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖11所示。由圖可見，填充后空腔內(nèi)53 Hz噪聲峰值為65 dB（A），較填充前降低5 dB（A），車內(nèi)53 Hz噪聲峰值為51 dB（A），較填充前降低10 dB（A）。

圖11

圖11   后保險(xiǎn)杠填充方案測試結(jié)果

3 流致噪聲理論分析

樣車底盤后部空腔可簡化為如圖12所示的模型，通過電池包整流后的穩(wěn)定氣流在通過底護(hù)板邊緣時(shí)會發(fā)生漩渦脫落現(xiàn)象。

圖12

圖12   空腔簡化模型

流體聲學(xué)共振模型如圖13所示，其中長、深分別用L、H表示，空腔口前端不穩(wěn)定的剪切層脫落形成漩渦，漩渦運(yùn)動到空腔后緣時(shí)與之發(fā)生碰撞并破裂，破裂產(chǎn)生的壓力波向四處擴(kuò)散，當(dāng)向上游的壓力波傳遞到空腔前緣時(shí)會激發(fā)新的漩渦脫落，當(dāng)腔體前緣脫落漩渦與反饋聲波組成的回路滿足一定相位關(guān)系后，空腔前緣脫落漩渦就會持續(xù)不斷地被激勵發(fā)生周期性脫落，從而形成渦聲耦合的自激振蕩現(xiàn)象［8］。

圖13

圖13   渦聲耦合自激振蕩回路

自激振蕩周期為漩渦脫落到撞擊后緣并擴(kuò)散至前緣的時(shí)間之和，其修正后的自激振蕩頻率預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式為

fn=UcL·n-0.25[1-0.22(1-Mac)](1/k+Mac),n=1，2，3，…

（1）

式中：Uc是來流速度；Mac是來流馬赫數(shù)； 1/k是試驗(yàn)確定的常數(shù)，取作1.75；n為正整數(shù)；L為空腔長度［9］。 汽車與列車都是高雷諾數(shù)、低馬赫數(shù)運(yùn)動的地面交通工具［10］，適用于式（1）半經(jīng)驗(yàn)公式。

當(dāng)流經(jīng)空腔的氣流引起了空腔壁的振動，且空腔壁振動為影響空腔噪聲的關(guān)鍵因素，即形成如圖14所示的流體彈性作用模型。

圖14

圖14   流體彈性作用模型

4 理論分析的驗(yàn)證

4.1 仿真分析的驗(yàn)證

氣流通過電池包整流后，形成了穩(wěn)定的氣流，才具備了在底盤后部空腔前緣形成脫落漩渦的前置條件，建立整車外流場模型進(jìn)行空氣動力學(xué)仿真，進(jìn)一步分析底盤后部流場情況。仿真結(jié)果如圖15所示，經(jīng)過電池包整流后，形成了非常穩(wěn)定的層流，層流通過底盤后部空腔時(shí)出現(xiàn)了大量的漩渦脫落現(xiàn)象，這為渦聲耦合的發(fā)生提供了條件。

圖15

圖15   空氣動力學(xué)仿真結(jié)果

4.2 理論計(jì)算驗(yàn)證

因?yàn)榧冸妱悠嚫咚傩旭偣r屬于高雷諾數(shù)、低馬赫數(shù)范疇，適用于式（1）半經(jīng)驗(yàn)公式，測量得到的空腔長度L約為0.6 m，將其代入式（1）計(jì)算得到典型工況下底盤后部空腔自激振蕩頻率約為52 Hz，比實(shí)測頻率小了1 Hz。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

不同車速下測試底盤后部空腔噪聲，測試結(jié)果如圖16所示，可以得到如下結(jié)果：（1）當(dāng)車速在140 km/h以下時(shí)未發(fā)現(xiàn)有明顯的低頻峰值；（2）當(dāng)車速達(dá)到140 km/h時(shí)出現(xiàn)53 Hz峰值。通過以上測試可以發(fā)現(xiàn)140 km/h車速與底盤后部長度為0.6 m的空腔正好滿足渦聲耦合的相位關(guān)系，即車速在140 km/h時(shí)樣車底盤后部空腔形成了渦聲耦合自激振蕩現(xiàn)象。

圖16

圖16   不同車速空腔噪聲測試結(jié)果

4.4 工程化改進(jìn)

根據(jù)渦聲耦合機(jī)理，可以考慮從來流、路徑等方面進(jìn)行優(yōu)化，比如增加導(dǎo)流板，封閉空腔結(jié)構(gòu)等，但基于工程化可行性及成本考慮，這里采用在泄壓閥處增加罩殼的方式，降低噪聲向車內(nèi)的傳遞，工程化方案測試結(jié)果如圖17所示，典型工況下車內(nèi)后排噪聲53 Hz峰值降低10 dB（A），有效地解決了該樣車高速低頻聲問題。

圖17

圖17   工程化方案效果

5 結(jié)論

純電動汽車高速化發(fā)展趨勢明顯，用戶將會越來越重視和關(guān)注高速工況的NVH問題，對于純電動汽車高速工況下的低頻噪聲問題在行業(yè)內(nèi)還未開展細(xì)致深入的分析研究。本文以某純電動SUV車型高速工況下后排低頻噪聲問題為案例，系統(tǒng)地進(jìn)行了問題特征識別與激勵源分離驗(yàn)證，提出了低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理的可能。通過擾動試驗(yàn)，確定了低頻噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，并通過整車外場流場仿真分析、半經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測自激振蕩頻率計(jì)算、試驗(yàn)分析不同速度下空腔噪聲情況，驗(yàn)證了產(chǎn)生低頻噪聲的機(jī)理為渦聲耦合自激振蕩。根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理分析，提供了問題改進(jìn)措施，并實(shí)車驗(yàn)證了措施的有效性，這對純電動汽車高速工況車外氣動噪聲開發(fā)具有一定的工程參考意義。

此外，仿真分析顯示了空腔外部流場特征，但還需要結(jié)合渦聲耦合自激振蕩理論對空腔內(nèi)部復(fù)雜流場展開高置信度的流體動力學(xué)仿真分析、風(fēng)洞和道路試驗(yàn)驗(yàn)證空腔內(nèi)部復(fù)雜流場分布等方面開展進(jìn)一步的理論分析和試驗(yàn)研究，并在車型開發(fā)前期充分合理分析、設(shè)計(jì)空腔尺寸等參數(shù)，避免發(fā)生高速低頻噪聲問題。