整車風噪聲性能的聲學風洞試驗分析

藺 磊，顧 彥，潘 雷，關 鵬

（上海汽車集團股份有限公司 技術中心，上海 201801）

車輛在高速行駛時，風噪聲會成為車內噪聲的主要噪聲源，嚴重影響乘客的駕乘感受。即使車內存在輕微的漏風聲，也會降低乘客的乘坐舒適性[1]。風噪聲來源于高速氣流的不穩(wěn)定性，在給定的條件下，風噪聲一般具有統(tǒng)計規(guī)律性而并不具有動力學規(guī)律性。也就是說，風激勵產生的車內噪聲是隨機信號，更容易引起乘客不適，所以需要盡量降低車內風噪聲水平，以滿足乘客需求。

近年來，國內風噪聲的仿真分析和試驗技術不斷得到突破，尤其是風洞風噪聲試驗的應用推廣，極大地推動了車輛風噪聲的評價分析和優(yōu)化工作[2]。在風洞試驗中，可以排除發(fā)動機噪聲和輪胎/路面噪聲的影響，獨立考察風噪聲，并且消除風速、風向等環(huán)境變化造成的試驗結果不穩(wěn)定性[3]。

本文通過聲學風洞試驗，實例分析了試驗方法、量化指標和分析方法，確定了玻璃隔聲、整車密封、風速、偏航角對整車風噪聲的影響，以及相應的設計優(yōu)化。

1 整車風噪聲性能的主要影響因素

整車風噪聲按照不同角度有不同的分類方法，如按聲源類型，可分為單極子源、偶極子源、四極子源；按系統(tǒng)開發(fā)，可分為后視鏡、門系統(tǒng)、A柱、天窗等；按控制手段，可分為氣吸噪聲、空腔噪聲、脈動噪聲、輻射噪聲等。下文將按照控制手段并結合其它方面分別進行討論。

1.1 氣吸噪聲

汽車門窗等各種開閉件主要依靠密封條、導槽及各類裝飾件來實現車內空腔與車外空間的隔絕。如果靜態(tài)密封或動態(tài)密封不良，存在縫隙，當車輛行駛時，車內外的空氣可以通過縫隙進出，從而產生氣吸噪聲。氣吸噪聲可以同時包括單極子源、偶極子源和四極子源，由于通常情況下車輛行駛速度的馬赫數較低（140 kPh時約0.1馬赫數），此時單極子源的輻射效率遠高于偶極子源和四極子源，所以氣吸噪聲以單極子源為主。

同時，整車風噪聲內存在的單極子源也主要以氣吸噪聲為主，考慮到單極子源的輻射效率，且局部區(qū)域的泄露往往存在明顯的指向性和頻率凸出特性，所以整車風噪聲的控制要特別關注氣吸噪聲的產生區(qū)域和優(yōu)化方案，如門密封條、玻璃導槽、水切等。

1.2 表面空腔噪聲

汽車外表面存在多處不連續(xù)之處，外流場在流經這些不連續(xù)表面時，會產生分離，在此區(qū)域內循環(huán)流動形成渦旋，并產生強烈的壓力脈動和輻射噪聲。控制表面不連續(xù)引起的空腔對應的高度、寬度、深度，以及設計逐漸傾斜或橢圓的腔壁，均可降低空腔噪聲。

在整車密封系統(tǒng)的外表面同時存在空腔，其附近區(qū)域的氣體壓力脈動會推動擠壓密封系統(tǒng)并向車內輻射噪聲。由于該輻射噪聲與經常存在于整車密封系統(tǒng)內的氣吸噪聲同在，所以采用各類輔助密封措施，在過渡車輛表面不連續(xù)處增加密封系統(tǒng)的氣密性和隔聲性能，也可以有效降低空腔噪聲。

1.3 外場脈動噪聲

外流場在流經車輛外表面和凸出部件時，如在發(fā)動機蓋前端、輪罩、前擋風玻璃底座、外后視鏡、A柱區(qū)域等處，會產生氣流的分離，引起流體的非定常壓力脈動。這些壓力脈動主要以渦旋和湍流的形式存在，當其與車輛外表面互相作用時，會向車內輻射噪聲。

由于玻璃和密封件的隔聲相對較弱，A柱區(qū)域和前擋區(qū)域附近的外流場通常是外造型的重點關注和優(yōu)化區(qū)域。

1.4 輻射噪聲

由于空氣存在粘性，外流場存在的渦旋和湍流也會以四極子源的形式直接向遠場和車內輻射噪聲。考慮到低馬赫數下四極子源的輻射效率遠低于單極子源和偶極子源，所以四極子源對車內聲壓級的貢獻度較低。

2 汽車風噪聲性能的聲學風洞試驗流程

隨著國內整車聲學風洞測試技術和規(guī)范的發(fā)展，在整車設計開發(fā)過程中，其風洞風噪聲性能已成為獨立的考核指標。一方面要求聲學風洞測試能夠客觀地評估整車風噪聲性能，另一方面要求可以深入查找分析整車風噪聲性能的薄弱點，并提出優(yōu)化改進方向。

2.1 聲學風洞

聲學風洞同時需要滿足高流場品質和低背景噪聲的要求。在試驗段，流場湍流強度應低于0.2%，速度穩(wěn)定性小于0.5%，軸向靜壓梯度、總壓均勻性、動壓和靜壓均勻性、氣流平均俯仰角和平均橫擺角等各項流場指標也需要滿足相應要求。同時，聲學風洞內還需要做一系列的聲學處理。在測量段，需要處理成半消聲室以滿足半自由聲場的要求，且要求在其兩側有足夠的空間以適配遠場聲學測量。為了滿足低背景噪聲要求，還需要對風機噪聲、流道氣動噪聲以及地面模擬系統(tǒng)引起的氣動噪聲進行有效控制。此外，風洞內還應能保持試驗溫度、濕度等環(huán)境參數的穩(wěn)定。

由于風洞中存在低頻顫振聲、風機功率與噪聲高等系列問題，且需同時具備高品質氣動特性，所以聲學風洞的設計具有較高技術難度[4]。國內近幾年落成的SAWTC風洞是一種3/4開口回流式氣動聲學風洞，常用于汽車氣動噪聲的試驗研究，流場品質優(yōu)異，背景噪聲低。

2.2 測點位置和工況選擇

車內風噪聲測試，可以選取人工頭或者傳聲器采集噪聲，一般布置在目標乘客的頭部位置。測試時，整車按照空氣流線方向擺放，固定布置在測試段的平衡臺上。風洞試驗中，一般選取穩(wěn)定風速。由于國內高速道路限速要求，建議選取120 km/h為典型基準工況。整車風洞示意圖如圖1所示。

圖1 整車風洞示意圖

通過轉動平衡臺，可以改變風向（來流與整車中線的相對角度），可以測試橫風/偏航角的影響。偏航角為正角度時，一般表示在轉盤內順時針轉動，使主駕駛位迎風，副駕駛位背風。風速為120 km/h，角度為±10°時，相當于存在4級橫風（約5.7 m/s）。

為了全面評估整車的風噪聲性能，并查找薄弱點，尋找優(yōu)化方向，通常會對車輛進行密封處理或更換不同部件，測量車內外的聲學響應變化，以分析其影響。

2.3 客觀評估

在整車NVH開發(fā)過程中，通常采用A計權聲壓級，語音清晰度AI和響度等客觀指標來評估整車車內風噪聲。此外，如果是由局部密封或部件更換引起的整車車內風噪聲變化，通常集中在500 Hz以上，A計權聲壓級等參數往往很難反映具體設計細節(jié)之間的差別，如圖2所示，所以在風噪聲性能優(yōu)化過程中，需要關注整個窄帶譜上各個峰值的變化。

圖2 后視鏡凸臺拆除前后的車內風噪聲頻譜

3 車輛風洞風噪聲性能的試驗分析

風洞風噪聲試驗可以用來客觀評估車輛的風噪聲水平，確認主要風噪聲源并通過“消去法”或“開窗法”查找薄弱環(huán)節(jié)，從而指導設計。以下分別討論整車密封系統(tǒng)、玻璃隔聲、風速以及偏航角對整車風噪聲的影響。

3.1 車輛密封系統(tǒng)對車內風噪聲的影響

通過采用膠帶等輔助密封方式，來增加整車的密封性能，可以查找分析整車密封系統(tǒng)對車內風噪聲的影響。如圖3所示，采用膠帶密封，會同時抹平車身表面的一些縫隙和溝槽，此時試驗所得的密封系統(tǒng)貢獻量也包含了氣吸噪聲和表面空腔噪聲的影響。

圖3 整車風洞試驗前的密封處理

圖4為某車整車車身密封前后，車內噪聲在500 Hz以上的中高頻段下降了6 dB以上。由此可見，氣吸噪聲和空腔噪聲對風噪聲的貢獻量起到決定性的作用。而這兩部分問題的解決都需要整車密封系統(tǒng)的優(yōu)化，是整車風噪聲設計的首要問題。

圖4 整車密封前后的車內風噪聲

3.2 玻璃隔聲對車內風噪聲的影響

試驗過程中，可以通過增加EVA等隔聲材料提高玻璃的隔聲性能，以此來分析玻璃隔聲對車內風噪聲的影響。由于整車密封對整車風噪聲的貢獻量更大，所以在測試玻璃隔聲對車內風噪聲的貢獻量時，需要同時對整車密封進行處理，以突顯玻璃隔聲的影響。玻璃的隔聲處理如圖5所示。

圖5 玻璃的隔聲處理

試驗結果表明，玻璃透聲主要影響到車內中高頻的噪聲，尤其是在玻璃吻合頻率內。通過外造型優(yōu)化或采用夾層阻尼玻璃可以有效降低該頻率風噪聲的貢獻量。玻璃隔聲處理對整車車內風噪聲的影響如圖6所示。

圖6 玻璃隔聲處理對整車車內風噪聲的影響

3.3 風速對車內風噪聲的影響

如圖7所示，隨著風速提高，尤其在中低頻段，車內風噪聲各頻率段的聲壓級會逐漸增加，但頻譜峰值基本保持不變。這是由于風激勵來自于非穩(wěn)態(tài)高速氣流，是隨機信號；車內風噪聲的頻譜峰值主要來源于車身結構和車內空腔的頻率響應，這些頻率響應的峰值可通過車身模態(tài)試驗逐一進行識別分析。

圖7 風速增加對整車車內風噪聲的影響

3.4 偏航角對車內風噪聲的影響

車輛在實際行駛過程中，由于行駛方向和自然風向的變化導致外流場的偏航角不斷發(fā)生變化。這一變化會對整車外流場產生影響，從而影響到車輛的動態(tài)密封性能和車內風噪聲。在整車風噪聲的聲學風洞試驗中，可以測試不同工況下，不同偏航角對車內風噪聲的影響。偏航+10°的整車風洞風噪聲測試如圖8所示。

圖8 偏航+10°的整車風洞風噪聲測試

圖9 偏航角對駕駛員位置處風噪聲的影響

如圖9所示，當風向存在偏航角時，車內風噪聲會增大，尤其在背風側位置，2500 Hz以上的中高頻增大3 dB左右。這是由于背風側存在明顯氣流分離，導致后視鏡區(qū)域形成一個風噪聲強度較大的區(qū)域。同時，在背風側的車門受到更大的內外壓差，車門系統(tǒng)發(fā)生更大的形變，還會進一步引起門窗系統(tǒng)的動態(tài)密封問題。

4 總結

通過整車聲學風洞試驗，可以分析整車外造型、玻璃隔聲與整車密封等因素對車內風噪聲性能的影響，并進一步查找薄弱點，分析局部泄露和凸出部件對風噪聲的影響，確認優(yōu)化方向。試驗表明，整車聲學風洞試驗對于整車風噪聲性能的評估優(yōu)化有著重要意義。