車身密封性對風噪聲聲品質(zhì)影響試驗分析

張輝劉浩周鋐

（1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所；2.同濟大學汽車學院）

隨著汽車的高速化，風噪聲已經(jīng)成為影響車內(nèi)噪聲的主要成分[1]。車身密封性能的優(yōu)劣對車內(nèi)噪聲的影響非常大。文獻[2-3]研究了車身密封性對車內(nèi)A計權(quán)聲壓級的影響；文獻[4]提出采用語言清晰度和1/3倍頻程譜中心頻率聲壓級作為風噪聲評價指標。目前汽車風噪聲的評價指標大多數(shù)側(cè)重聲壓級，采用聲品質(zhì)進行評價的較少。針對某國產(chǎn)轎車風噪聲較大問題，文章通過道路測試風噪聲，采用聲品質(zhì)相關(guān)客觀評價參量對車身不同部位密封狀況對風噪聲的影響進行分析，并提出優(yōu)化建議。

1 風噪聲影響因素分析

影響汽車風噪的因素主要有[1，3]：1）密封不良引起的噪聲，與車門風窗及前風擋玻璃等密封設(shè)計有關(guān)；2）車身外表面的溝、縫等幾何表面過渡處的不平度引起的噪聲；3）車身外表面突出結(jié)構(gòu)，如后視鏡及雨刷等部件引起的噪聲。

對于開發(fā)后期正在試制車輛的車型來說，整車造型基本不會改變。因此，由于車身外表面不平度和車身外表面突出結(jié)構(gòu)引起的風噪聲無法改變，所以整車密封性能的改善將會很好地改善車內(nèi)噪聲狀況。

研究表明：對于轎車而言，汽車在低速行駛時，輪胎噪聲和發(fā)動機噪聲是主要噪聲源，風噪聲成分?。卉囁俑哂?00 km/h時，風噪聲的影響超過輪胎噪聲和發(fā)動機噪聲；車速高于130 km/h時，風噪聲成為主要噪聲源。汽車主要噪聲源與發(fā)動機負載和車速的關(guān)系，如圖1 所示[4]。

目前轎車風噪聲的精確測試大多數(shù)在聲學風洞中進行，相比試驗場道路測試，風洞可以提供精確的溫度和風速，測試準確性高。但是風洞高昂的試驗費用以及國內(nèi)較少的風洞實驗室現(xiàn)狀使得風洞測試的準備工作相當漫長。在這樣的背景下，在大量風噪聲測量項目經(jīng)驗的基礎(chǔ)上提出在試驗場道路上進行風噪聲測試的做法。

汽車在試驗場長直線道路上高速空擋滑行時，輪胎噪聲較小，發(fā)動機處于怠速狀態(tài)，對于車內(nèi)噪聲的貢獻也很小，此時風噪聲是車內(nèi)噪聲的主要組成部分。因此風噪聲數(shù)據(jù)采集和聲品質(zhì)分析行駛工況定為汽車從130km/h掛空擋滑行至80km/h，試驗場地全長2.77km，滿足加速及滑行所需的距離要求。

2 試驗方法與測試系統(tǒng)

2.1 試驗方法

試驗在交通部試驗場進行，路面為全長2.77 km的長直線測試路段，試驗時保證風速＜3 m/s，背景噪聲低于50 dB（A），路面干燥無積水。

試驗采用“開窗法”原理，測試車身不同位置密封情況對風噪聲的影響程度，試驗流程如下。

工況1：將試驗車的外表面結(jié)合溝槽及縫隙用膠帶密封，比如車門與車身結(jié)合位置及前風擋玻璃等部位。部分位置采用瀝青阻尼板進行密封，比如前后輪罩阻尼板。保證整車處于全密封狀態(tài)，測試車內(nèi)風噪聲。

工況2：應用“開窗法”，撕去前風擋玻璃的密封膠帶，在長直線上進行風噪聲的測量。

工況3：將前風擋玻璃重新進行密封，保證整車處于全密封狀態(tài)。

重復以上步驟，并在工況1階段不斷撕去不同位置的密封膠帶或者瀝青阻尼板，進行不同部位密封情況對風噪聲貢獻量的測試。

2.2 測試系統(tǒng)

測試采用LMS便攜式數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)由4部分構(gòu)成，包括LMS SCADAS Mobile移動式數(shù)據(jù)采集前端、PCB公司130E21型麥克風、小野發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器及LMSTest.lab數(shù)據(jù)采集分析軟件。試驗時將麥克風固定在駕駛員左耳（外耳）處，用于采集左耳處噪聲信號。按照國標要求[5]，麥克風與座椅中線距離為15 cm，距離駕駛員座椅豎直距離為70 cm，如圖2所示。將小野發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器夾在點火線圈上，用于測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速，通過換算可以得到車速。測試時將轉(zhuǎn)速傳感器的接線緊貼車身表面，保證不會影響風噪聲測量。試驗時采樣頻率設(shè)為40 960 Hz，分辨率為2 Hz。

3 風噪聲客觀評價參量

風噪聲評價一般采用A計權(quán)聲壓級進行評價，而聲品質(zhì)是評價車內(nèi)噪聲和舒適性的關(guān)鍵指標，聲品質(zhì)包括語言清晰度、尖銳度、響度及粗糙度等參量，這些參量之間有很好的相關(guān)性[6]。因為風噪聲主要集中在高頻，因此文中選取聲壓級、語言清晰度及尖銳度進行聲品質(zhì)評價。

3.1 等效聲壓級

聲壓級（SPL）是聲信號最基本的測量參數(shù)。以聲壓級的刺激來詮釋人的聽覺時，在求總有效值（RMS）前，必須對聲壓信號的頻譜先倍乘計權(quán)函數(shù)。

ISO1996/1—1982和ISO1999/1—1990規(guī)定了“等效A計權(quán)聲壓級dB值”的定義，其表達式為：

式中：LAeq,T——等效連續(xù)A計權(quán)聲壓級，dB；

t1，t2——信號采集起始及終了時刻，s；

P0——參考聲壓，μPa；

PA（t）——t時刻聲信號的瞬時A計權(quán)聲壓，μPa。

3.2 語言清晰度

語言清晰度指數(shù)（AI）是以保證交談的私密性觀點提出的參數(shù)。交談的私密性可以定義為背景噪聲或噪聲侵擾正常交談的程度，它提供私密性的正面品質(zhì)評價[7]。

噪聲對語言的掩蔽造成的干擾作用，可通過對噪聲頻譜（1/3倍頻程帶）按其對語言可懂度影響的重要程度適當加權(quán)，由經(jīng)過加權(quán)的譜求出AI值。

圖3示出相應的圖形計算法。與語言相關(guān)的倍頻程帶通過圓點的數(shù)目來計權(quán)。將聲壓級的1/3倍頻程譜繪在圖上，譜線以上的點數(shù)除以總點數(shù)就是要求的AI值，實際計算可以表格化。

AI與可懂音節(jié)的百分比有關(guān)。對于完全私密而言，AI值等于0.05是其上限，對于商談非保密性的事情而言，可接受的AI值為0.1。

3.3 尖銳度

尖銳度是聲音是否使人愉悅的一種感覺。尖銳度感覺主要與窄帶聲的譜成分及中心頻率有關(guān)，而不依賴于響度級和聲譜成分的細節(jié)。

對應某一臨界帶的尖銳度分量（S'（z）/acum）及總尖銳度（S/acum）的計算公式為：

式中：z——臨界頻帶，Bark；

N'（z）——臨界帶的Zwicker響度，sone；

g（z）——用于強化高頻分量的計權(quán)響度，sone。

4 風噪聲品質(zhì)評價

為了評價風噪聲對車內(nèi)噪聲的影響，首先采用等效聲壓級、語言清晰度平均值及尖銳度平均值對不同位置密封的測試數(shù)據(jù)進行分析。表1示出車身不同密封狀態(tài)對應的代號。

表1 車身不同密封部位對應代號

圖4示出不同密封位置對等效聲壓級的影響，圖5示出某些密封位置在不同車速下的聲壓級曲線。

從圖4可見，A狀態(tài)下等效聲壓級為70.17 dB（A），噪聲最嚴重的工況為C狀態(tài)，等效聲壓級為70.92dB（A），與A狀態(tài)下的等效聲壓級差距很小。

通過圖5也可以發(fā)現(xiàn)，滑行工況下不同密封狀態(tài)下A計權(quán)聲壓級沒有較大區(qū)別。雖然隨著車速降低，A計權(quán)聲壓級都降低，但是不同密封狀態(tài)的A計權(quán)聲壓級曲線沒有較大區(qū)別。因此撕去不同位置密封對等效聲壓級及A計權(quán)聲壓級影響較小，這與主觀評價結(jié)果嚴重不符。在實際試車中，C狀態(tài)高頻噪聲較嚴重，車內(nèi)噪聲明顯比A狀態(tài)大。

因此由于人體對不同頻率成分的聲音敏感程度完全不同，僅分析車內(nèi)噪聲的等效聲壓級和A計權(quán)聲壓級不能準確地描述駕駛員對風噪聲的感受，需要對聲品質(zhì)參數(shù)進行分析。

圖6示出不同密封位置對語言清晰度平均值的影響。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，對語言清晰度平均值影響較大的分別為G，H，D，I狀態(tài)。A狀態(tài)下語言清晰度平均值達到了66.21%，噪聲最糟糕的為G狀態(tài)，語言清晰度為55.43%。

為了更好地說明不同密封狀態(tài)對語言清晰度的影響，在圖7和圖8中分別對A，G和A，D，H，I狀態(tài)下的語言清晰度進行對比。從圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著車速降低，不同密封狀態(tài)的語言清晰度升高。從圖7可見，不同車速下G狀態(tài)與A狀態(tài)下的語言清晰度差別很大，雖然隨著車速變大，A狀態(tài)下的語言清晰度也下降較多，但是G狀態(tài)時每個車速下大約都比A狀態(tài)下的語言清晰度小10%，這與車內(nèi)出現(xiàn)的“嘶嘶”漏風聲音吻合。

通過圖8可以發(fā)現(xiàn)，整個滑行工況下語言清晰度從小到大的大致趨勢分別為：H，D，I狀態(tài)。這與語言清晰度平均值的排序相同，說明采用語言清晰度平均值對風噪聲評價是正確的。

圖9示出不同密封位置對尖銳度平均值的影響。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，對尖銳度平均值影響較大的分別為G，H，I，D狀態(tài)。A狀態(tài)下尖銳度平均值較小，為0.74acum。尖銳度平均值最大的為G狀態(tài)，尖銳度達到0.87 acum。

為了更好地說明不同密封狀態(tài)對尖銳度的影響，在圖10和圖11中分別對A，G和A，D，H，I狀態(tài)下的尖銳度進行對比。從圖10可以發(fā)現(xiàn)，不同車速下G狀態(tài)與A狀態(tài)下的尖銳度差別很大，雖然隨著車速變大A狀態(tài)下的尖銳度也上升較大，但是G狀態(tài)時每個車速下都比A狀態(tài)下的尖銳度大0.1 acum左右。

圖11說明速度大于110 km/h時尖銳度從大到小的排序分別為：H，I，D狀態(tài)。這與尖銳度平均值的排序相同，說明采用尖銳度平均值對風噪聲評價是可行的。

5 優(yōu)化建議

針對風噪聲聲品質(zhì)分析結(jié)果，得到對語言清晰度和尖銳度影響較大的有前風擋玻璃密封和后裙板密封，因此針對這2個位置的密封情況結(jié)合整車提出優(yōu)化建議。

圖12示出前風擋玻璃處的優(yōu)化位置示意圖，建議控制此處安裝工藝及涂膠密封工藝。

圖13示出后裙板優(yōu)化位置示意圖，建議在位置①處優(yōu)化涂膠密封工藝；在位置②（即后裙板空腔內(nèi)部），可以優(yōu)化鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計，取消孔洞，保證密封性能。

6 結(jié)論

1）工程實踐證明：在試驗場道路上高速空擋滑行對風噪聲進行測試分析是可行的，通過路試對車身不同部位密封對風噪聲的影響進行對比分析可以節(jié)省開發(fā)費用。

2）汽車道路風噪聲評價中，聲品質(zhì)是評價車內(nèi)噪聲水平的關(guān)鍵指標。需要綜合考慮聲壓級、語言清晰度及尖銳度3個重要參量。

3）汽車道路風噪聲評價中，前風擋玻璃密封和后裙板密封對尖銳度和語言清晰度影響最大，是改善車內(nèi)風噪聲應主要考慮的因素。對語言清晰度影響較大的密封部位對尖銳度影響也很大。