汽車車內風噪頻率特性的風洞試驗研究

楊健國，張思文，董國旭，姜 豪

（1.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 401120；2.長安汽車工程研究總院，重慶 401120）

近年來，隨著汽車工業的發展，消費者對于汽車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness，NVH）的要求越來越高，尤其是車內噪聲方面的性能。汽車車內噪聲主要包含發動機動力系統噪聲、汽車行駛產生的輪胎-路面噪聲和汽車高速行駛時產生的空氣動力噪聲（風噪聲）。當汽車以50～80 km/h行駛時，車內噪聲主要由發動機動力系統噪聲與輪胎-路面噪聲產生。隨著車速不斷提高（車身速度超過80 km/h），風噪聲成為主要的噪聲源[1]。

20世紀90年代初，國內外興起對空氣動力噪聲的研究。在我國，關于車內氣動噪聲分析與測試的研究隨著2009年同濟大學風洞中心的投入使用才得到快速發展。王毅剛等[2]、徐鵬等[3]、劉龍貴等[4]、藍天等[5]利用仿真手段對汽車車身后視鏡、門把手等部件的氣動噪聲貢獻量進行了數值模擬分析。MENDONCA 等[6]和MORON等[7]對車內噪聲的仿真方法做了研究和總結。OETTLE 等[8]通過試驗研究了貨車駕駛艙內的噪聲特性。孫飛等[9]和黃麗那等[10]研究了車身密封部件對車內風噪的影響規律。賀銀芝等[11]研究了某轎車車內氣動噪聲空間分布、速度特性、密封系統及后視鏡對車內噪聲貢獻量的規律。目前，氣動噪聲的理論研究在許多方面還不夠具體和細化，汽車空氣動力噪聲數值模擬分析與試驗相關性研究距離實際應用還有較大差距，尤其是與車內風噪直接相關的汽車車身各主要部件對風噪的影響規律及頻率特性缺乏系統性的試驗研究。

本研究在分析汽車風噪產生機理的基礎上，以某品牌3款不同車型為研究對象：某5座SUV車型（1號）、某7座SUV車型（2號）和某轎車車型（3號），采用整車氣動聲學風洞的車內風噪貢獻量分解試驗法，得到典型工況下汽車車身主要部件對車內風噪貢獻量大小及頻率特性分布。利用統計手段總結汽車車身主要部件對車內風噪的影響及整改方向。

1 風噪的來源

風噪的形式有脈動噪聲、氣吸噪聲、空腔噪聲和風振噪聲[12]。脈動噪聲是氣流流經車身表面產生壓力波動而形成的噪聲，最易形成的區域為車身表面有斷差、過渡不平順的部位，如A柱、前風擋玻璃等。氣吸噪聲是車外噪聲透過車身縫隙傳遞到車內的噪聲，形成和傳遞的區域主要是車身表面通向車內的縫隙和車身密封出現問題的部位，如車門把手、車門玻璃夾條等?？涨辉肼暿菤饬鞔档杰嚿肀砻嫔系男】涨粫r產生的噪聲，主要產生區域為車門分縫位置、頂棚與擾流板分縫位置。風振噪聲是指汽車天窗或車窗打開時，車內產生的強烈轟鳴聲，不作為本文研究內容。

2 試驗方法與測試系統

2.1 試驗方法

本研究采用貢獻量分解法分析統計出車身各個部件車內風噪的影響規律，具體是通過在車內各個座椅頭枕左右位置分別布置測點，采集不同工況下車內噪聲數據，測試時保證前后兩次測試工況只能有一個車身部件狀態有差異，然后運用Artemis軟件分析出每個工況下不同風速、不同測點的A計權聲壓級頻譜及語言清晰度（Articulation Index，AI）。最后，通過對不同車型的試驗結果，總結得出車身各個部件對車內風噪的貢獻量大小及頻率特征規律。

2.2 車輛狀態與試驗工況

根據風噪產生機理與傳遞路徑，試驗開始前需對試驗車輛的車身主要部件進行必要處理，主要包括前擋風玻璃上部膠帶粘貼，頂棚與擾流板分縫縫隙膠帶封堵，外后視鏡蓋板一圈膠帶封堵，車門玻璃內夾條密封膠封堵，車門玻璃尼槽密封膠封堵，車門密封條密封膠封堵，車門分縫縫隙膠帶封堵，車門把手膠帶粘貼，該狀態稱為全密封狀態，如圖1所示。

圖1 試驗車輛及全密封狀態處理

試驗時，采用“開窗法”原則進行工況設置，工況1為基礎工況，即為全密封狀態，工況2至工況9為依次去除掉車身某個部位的膠帶或者密封膠。每個工況的測試風速分別為80 km/h、100 km/h、120 km/h，且偏航角均為0°。

2.3 測試系統與測點

試驗在同濟大學風洞中心整車氣動聲學風洞中進行，該風洞最大風速可達250 km/h，背景噪聲水平在160 km/h風速下低于61 dB(A)。

測試采用德國HEAD公司的噪聲與振動測試系統，具體包括HEAD DIC-24測試前端、Grass_46AE傳感器和Artemis 9分析軟件。試驗時，車內每個座椅頭枕左右分別布置1個傳感器，用于采集車內噪聲信號。為便于分析，將車內測點定義為：左前排左/右耳測點分別以FLL/FLR表示；右前排左/右耳測點分別以FRL/FRR表示；左后排左/右耳測點分別以RLL/RLR表示；右后排左/右耳測點分別以RRL/RRR表示。

3 車內噪聲測試結果及分析

3.1 車內噪聲空間分布規律與頻率特性分析

為了盡量降低車身表面的設計段差、分縫縫隙、局部空腔等因素對研究車內噪聲空間分布與頻譜特性的影響。選擇全密封狀態工況下的測試數據為分析對象，不同車型在風速為120 km/h，偏航角為0°時，乘員艙內前排與后排乘員位置外耳噪聲頻譜如圖2所示。由圖可知，除2號車外，在頻率低于100 Hz時，后排聲壓級明顯高于前排，平均相差4 dB(A)；頻率高于2 000 Hz時，后排噪聲水平明顯高于前排，平均聲壓級相差3 dB(A)。

如圖2所示，乘員艙內左右兩側外耳聲壓級頻譜曲線走勢及聲壓級大小基本一致，左右兩側車內噪聲頻率特性相似。

圖2 1號、2號、3號車全密封狀態下各乘員位置外耳A計權頻譜圖（風速120 km/h、偏航角0°）

3.2 不同風速下車內噪聲頻率特性分析

由3.1節的分析結論可知，車內不同位置的噪聲聲壓級及頻譜具有對稱性，現選取前排左側外耳測點的測試數據為分析對象，不同車型在不同風速下噪聲大小及頻譜特性如圖3所示。同一車型在不同風速下，前排左側外耳聲壓級頻譜曲線走勢及峰值特征基本一致。不同車型前排左側外耳聲壓級大小有以下規律：風速100 km/h比風速80 km/h時，總聲壓級增加5 dB(A)；風速120 km/h比風速100 km/h時，總聲壓級增加4 dB(A)。

圖3 1號、2號、3號車全密封狀態下前排左側外耳位置A計權頻譜圖（不同風速、偏航角0°）

3.3 車身主要部件對車內風噪貢獻量分析

由3.1節及3.2節的分析結論可知，不同車型的車內風噪聲場具有對稱性，且隨著風速的線性變化，不同車型車內相同位置的風噪頻率特性呈線性一致性變化趨勢。根據2.3節規定的工況，對不同車型車身的主要部件在相同測試條件下（左前排外耳、風速120 km/h、0°偏航角）車內噪聲貢獻量的頻譜特性分布進行統計分析。AI[4]是描述在噪聲環境下說話清晰度的指標，用百分數表示，100%表示說話可以完全聽清楚，0表示說話完全聽不清楚。通過對圖4、圖5、圖6不同車型在各工況下的A計權頻率特性進行分析，總結出不同車型車身的主要部件車內風噪頻率特性及車內AI貢獻量。AI貢獻量為正值，說明在去除該車身部位的膠帶或密封膠后車內AI降低的量，見表1。貢獻量頻率段表示在去除該車身部位的膠帶或者密封膠后，車內風噪A計權聲壓級增大的頻率范圍。

圖4 1號車各工況下A計權頻譜圖（偏航角0°、風速120 km/h、前排左側外耳）

圖5 2號車各工況下A計權頻譜圖（偏航角0°、風速120 km/h、前排左側外耳）

圖6 3號車各工況下A計權頻譜圖（偏航角0°、風速120 km/h、前排左側外耳）

如圖7所示，按照1號、2號、3號車身主要部件對車內AI平均貢獻量的大小排序，不同車型車身各部件對車內噪聲影響程度排名依次為：車門分縫縫隙、前風擋玻璃與頂棚段差、車門玻璃尼槽密封、后視鏡蓋板密封、車門玻璃內夾條密封、車門密封條密封、頂棚與擾流板分縫縫隙、車門把手分縫縫隙。對應的主要影響頻率范圍見表1，分別為100～1 500 Hz、1 200～2 000 Hz、1 700～4 300 Hz、1 500～4 500 Hz、1 700～2 600 Hz、850～7 000 Hz、250～1 100 Hz、4 500～10 000 Hz。上述車身各部件中前風擋玻璃與頂棚段差處噪聲產生的原因，是由于高速氣流在經過該區域時產生了分離，從而形成脈動聲源；頂棚與擾流板分縫縫隙和車門分縫縫隙處噪聲產生的原因，是由于頂棚與擾流板分縫區域、車門與側圍分縫區域、車門與車門分縫區域形成了不同尺寸的小空腔，這些空腔與車內不相通，當氣流吹到這些空腔時即產生空腔噪聲；后視鏡蓋板密封、車門玻璃內夾條密封、車門把手分縫縫隙、車門玻璃尼槽密封、車門密封條密封處噪聲產生的原因，均是由于在高風速下，車身內外表面存在較大壓差，當這些區域的密封失效時，高速氣流便會穿過密封失效的部位，從而形成氣吸噪聲。其中有些特殊規律，例如1號、2號車型頂棚與擾流板分縫縫隙對車內風噪貢獻量較大，而3號車型該部位沒有貢獻量，這是由于兩廂車在該區域由頂棚與擾流板及背門組成了一個半開口的不封閉空腔，當氣流流經該部位縫隙時產生了較大的空腔噪聲。還有3號車型在車門把手分縫縫隙部位與車門密封條部位對車內風噪均沒有明顯貢獻量，這與其它車型的規律不一致。

表1 車身主要部件車內風噪貢獻量大小及頻率特性（偏航角0°、風速120 km/h）

圖7 1號、2號、3號車身主要部件車內AI平均貢獻量大小（偏航角0°、風速120 km/h、FLL）

3.4 車內風噪問題整改方案效果驗證

根據3.3節的試驗結果分析，對1號車進行結構解析，其主要存在以下問題：前風擋玻璃與頂棚過渡存在明顯高差，高速氣流在該區域分離，從而產生脈動聲源；車門外開手柄分縫縫隙未密封、車門玻璃內夾條端部密封不良、車門玻璃尼槽接角密封不良，而在高風速下車身內外表面存在較大壓差，使高速氣流通過這些區域時形成氣吸噪聲。對1號車以上幾個車身部位進行如圖8所示的處理：優化前風擋玻璃密封條斷面，使前風擋玻璃與頂棚段差處平滑過渡，車門玻璃內夾條端部密封加強，車門玻璃尼槽接角位置密封加強，車門把手分縫縫隙設計密封結構。對處理后的1號車進行車內風噪測試。1號車處理前、后車內風噪頻譜對比結果如圖9所示。1號車處理后的車內風噪在250～10 000 Hz頻率范圍內有了明顯改善（AI改善6%），這與3.3節中總結的規律一致。

圖8 1號車風噪優化方案

圖9 1號車處理前、后A計權頻譜圖（偏航角0°、風速120 km/h、前排左側外耳）

4 結論

（1）不同車型乘員艙內聲壓級頻譜曲線呈對稱性，且趨勢及大小基本一致，在100 Hz以內，后排平均聲壓級比前排高4 dB(A)；在2 000 Hz以上，后排平均聲壓級比前排低3 dB(A)。

（2）不同車型隨著風速的線性增加，車內風噪頻率分布及大小也呈線性變化，風速100 km/h比風速80 km/h時，車內總聲壓級增加5 dB(A)；風速120 km/h比風速100 km/h時，車內總聲壓級增加4 dB(A)。

（3）不同車型車身主要部件對車內風噪頻率影響范圍及貢獻量大小具有規律性，可為不同車型開發過程中解決風噪問題提供方向。

（4）試驗發現，車身主要部件對車內風噪貢獻量頻率特性規律具有較強可靠性。