某SUV輪罩區域氣動噪聲試驗研究

劉海軍，孫富強，吳 楊

(1. 河北大學建筑工程學院，河北保定071002；2. 長城汽車股份有限公司，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000)

0 引 言

高速行駛的汽車，氣流經過車身表面突出物、車身不同部件之間的縫隙、凹凸不平處(如：輪罩區、A柱等)均會引起氣流分離，并產生湍流壓力脈動作用于車身表面，成為外部主要氣動噪聲源。車速超過100 km·h-1后，氣動噪聲便成為影響車內聲環境的主要因素，同時也會對車外產生噪聲污染，因此，控制氣動噪聲重要性越發突顯。氣動噪聲的理論研究與工程實際中的應用還有一段距離，整車氣動聲學風洞試驗目前一直是研究氣動噪聲的重要手段，且試驗研究更加直觀和可靠。在試驗研究中將平面波束形成聲陣列放置在氣動聲學風洞作為可視化和量化車外氣動噪聲源，將A柱區域、后視鏡、門把手、輪罩區域和雨刮器等[1-4]，作為氣動噪聲源產生的關鍵區域[5]進行研究。外后視鏡產生的氣動噪聲對車內聲學環境影響比較大，Walker等[6]、Hartmann等[7]使用風洞對汽車外后視鏡的氣動噪聲進行研究，后視鏡是脈動噪聲源的主要集中區，對車內聲學環境影響較大。Terakado等[8]采用一種1:1尺度風洞的新型湍流發生裝置，產生高達13%的湍流強度，對A柱的雨水槽產生的氣動噪聲進行了研究，雨水槽填平可以減少氣動噪聲的壓力脈動。文獻[9-11]中，賀銀芝等采用試驗的方法研究了汽車密封性對車內氣動噪聲的影響，發現泄漏噪聲以中高頻段為特征，對車內總噪聲影響較大，在對汽車外部氣動聲源與車內噪聲的關聯性研究的過程中，得到后視鏡對車內駕駛員的外耳影響較大，雨刮器及門把手對車內噪聲也有一定程度的貢獻。

隨著數值計算的迅速發展，汽車的氣動噪聲的控制和優化成為研究的重點[12-13]。劉海軍等[14]研究發現后視鏡的溝槽對噪聲源的產生具有較強的抑制作用。A柱區域在側風條件下是氣動噪聲貢獻較大的區域[15-16]。前人的研究主要集中在外后視鏡、雨刮器及門把手產生的氣動噪聲影響，對輪罩區域關注較少，本文在整車氣動聲學風洞內對輪罩區域的氣動噪聲進行研究。

1 試驗風洞與模型

1.1 試驗風洞

試驗在同濟大學上海地面交通工具風洞中心整車氣動聲學風洞中進行。該風洞是3/4開口回流式風洞，其噴口面積為 27 m2，背景噪聲水平在160 km·h-1風速下低于 61 dB(A)，是國際同類風洞中安靜度較高的風洞之一，如圖1所示。試驗最大風速可達 250 km·h-1，測試時將試驗車固定在風洞駐室的試驗段天平轉盤的中心位置。試驗過程中風洞邊界層抽吸及移動帶系統關閉。環境溫度和濕度對空氣密度影響較大，進而影響聲源的壓力脈動，在試驗過程中將溫度控制在室溫條件(22～24°)，相對濕度約為 36%～40%，環境氣壓約為 101.3～101.35 kPa。

圖1 上海整車氣動聲學風洞Fig.1 The aerodynamic acoustic wind tunnel in Shanghai

1.2 試驗模型

試驗模型使用某SUV的試驗(Experimental Test,ET)車型，車身表面縫隙、段差及空腔的密封，采用專用膠帶和工具進行密封，保留車輛的原狀態，但不讓氣體進入艙內，讓車內保持“安靜”狀態。為防止車外氣流直接進入到成員艙內，須將試驗車空調系統設置為內循環模式，并關閉。

2 試驗方法

2.1 試驗測試系統

測試使用德國 HEAD acoustics公司振動與噪聲測量及分析系統。試驗中由HMS Ⅲ 數字人工頭的雙耳接收信號，經多通道數據采集前端SQlabIII，利用雙耳信號采集軟件HEAD Recorder，將信號采集并導入到LMS分析軟件進行處理。

試驗中側窗表面無面麥克風，只將人工頭置于車內主副駕駛和后排乘客位，測試信號線經過后排座椅由行李箱引入風洞天平轉盤內的接口盒，如圖2所示，再經由天平基座接入測控室的數據采集分析系統。

圖2 測試系統布置Fig.2 Test system layout

2.2 試驗方法

試驗采用“開窗法”的原理來測試輪罩區域氣動噪聲的貢獻量大小。為不讓氣流通過輪罩區域和輪輻，在測試過程中輪罩使用定做的輪罩區域體進行填充，外面用聲學密封膠帶密封，膠帶須貼體無懸空和翹起，在測試過程中膠帶自身的影響可忽略不計，類似氣流通過輪罩區域的通道“窗口”進行關閉，即輪罩區域無氣動噪聲產生，該狀態為安靜狀態。如圖3所示，為讓氣流通過輪罩區域和輪輻，需揭開輪罩區域及輪輻處的密封膠帶，類似于“開窗”，輪罩區域氣動噪聲產生。兩種狀態下的車內噪聲環境參數均要收集，兩種狀態下底盤對氣動噪聲會有影響，但影響基本一致，且集中在中低頻。通過比對輪罩區域及輪輻有無密封的車內噪聲測試結果，確定輪罩區域及輪輻對車內噪聲貢獻量的相對大小。

圖3 汽車輪罩區域的密封處理Fig.3 Airtight treatment of vehicle wheelhouse area

2.3 試驗工況

工況1為測試車輛外表面結合部的縫隙、溝槽、前后大燈、前后霧燈、進氣格柵和輪罩區域及輪輻用密封膠帶進行密封，空調調至內循環，關閉并密封通風口，車輛處于最安靜狀態，如圖4所示。

圖4 車身外表面與輪罩區域密封(工況1)Fig.4 Airtight treatment of body surface and wheelhouse area of the vehicle (working condition 1)

工況2：應用“開窗法”在工況1全密封的基礎上拆除輪罩區域及輪輻的密封膠帶，如圖5所示。

圖5 拆除輪罩區域密封(工況2)Fig.5 Removing the seal on vehicle wheelhouse area(working condition 2)

測試條件：偏航角度為 0°，測試風速分別為100、120、140 km·h-1。

3 試驗結果及分析

3.1 車速與車內響應特性

以工況2為基礎，氣流偏航角為0°的條件下進行試驗，風速分別為：100，120、140 km·h-1，測試圖6中主駕駛位和圖7中后排乘客駕駛位的外耳聲壓譜，此時只有風速對輪罩區域噪聲產生的影響。兩圖車內聲能量均隨著車速的增加而增加，隨著頻率的增加而下降。通過輪罩區域的氣流產生的噪聲源以偶極子和四極子噪聲源為主，產生的聲功率與車速呈現6～8次方的關系，這與圖6和圖7表現的規律基本一致。

圖6 工況2偏航角0°不同風速主駕位外耳聲壓譜Fig.6 The sound pressure spectrums at driver ear under the yawing 0° and different wind velocities in working condition 2

圖7 工況2偏航角0°不同風速后排位外耳聲壓譜Fig.7 The sound pressure spectrums at rear passenger ear under the yawing 0°and different wind velocities in working condition 2

車內噪聲環境隨著車速的變化如圖8所示。車速在120 km·h-1以下，前后排乘客位聲壓級基本一樣，車速大于120 km·h-1時，對后排乘客位聲壓級的影響大于前排乘客位。氣流通過前輪罩區域和輪輻產生的壓力脈動沿著車身逐漸向后傳播，聲音在傳播過程中方向影響較大。

圖8 聲壓級與車速關系Fig.8 The relationship between the sound pressure level and the vehicle speed

車內司乘人員不同位置的響度隨著車速的增大而增大，呈現出線性變化規律，如圖9所示。車速在120 km·h-1以下，前后排乘客位響度基本相同，在車速大于120 km·h-1時，對后排乘客位響度的影響大于前排乘客位，這個變化規律與車內噪聲能量的變化規律基本一致。

圖9 響度與車速的關系Fig.9 The relationship between the loudness and the velocity speed

語言清晰度與車速關系如圖 10所示。不同頻率的噪聲源對語言清晰度影響權重不同，中低頻影響權重小，中高頻影響權重大。經輪罩區域和輪輻的氣流發生脫落，形成不同尺寸的脫落渦，渦體破碎產生寬頻氣動噪聲源，速度越大，高頻噪聲源增強，使語言清晰度變差。前輪罩區域和輪輻產生的中高頻噪聲沿著車身向后排傳播，故后排乘客位的聲品質受車速的影響大于前排乘客位，這與圖 10呈現的規律一致。

圖10 語言清晰度與車速關系Fig.10 The relationship between the articulation index and the velocity speed

3.2 輪罩區域氣動噪聲對主駕駛位外耳影響的特性分析

工況1和工況2偏航角度均為0°，風速分別為100、120、140 km·h-1。圖 11為不同工況和風速下主駕駛位外耳的聲壓譜。頻率≤50 Hz時，拆除輪罩區域密封后對車內主駕駛位外耳的噪聲環境起到改善作用，頻率≥50 Hz時，拆除輪罩區域密封使氣流流經輪罩區域和輪輻產生的氣動噪聲沿著氣流方向向后上方傳播，前排司乘人員位置幾乎與前輪罩區域產生的氣動噪聲傳播方向垂直，受影響較小。

圖11 不同工況和風速下主駕駛位外耳的聲壓譜Fig.11 The sound pressure spectrums at the front ear under different working conditions and wind velocities

3.3 輪罩區域氣動噪聲對后排外耳影響的特性分析

圖12為不同工況和風速下后排外耳聲壓譜。工況1和工況2偏航角度均為0°，風速分別為100、120、140 km·h-1時，拆除輪罩區域密封，經前輪罩區域和輪輻的氣流產生氣動噪聲是寬頻階次性噪聲，輪罩區域氣動噪聲首先是氣動噪聲，寬頻性是氣動噪聲特點，階次性是由于輪輻的存在，使得氣動噪聲中伴有一定階次性。沿著氣流方向傳播至后側窗區域，經后側窗傳遞至后排乘客位，進而影響后排噪聲環境，呈現出階次性，與前輪噪聲源一致。

圖12 不同工況和風速下后排外耳聲壓譜Fig.12 The sound pressure spectrums at the rear ear under different Working conditions and wind velocities

為更好說明輪罩區域氣動聲源對車內后排外耳響應的影響，采用響度、語言清晰度和能量的貢獻量來描述，貢獻量是封輪罩區域的工況下對車內后排響應影響的物理量減去拆輪罩區域的工況下對車內后排響應的物理除以拆輪罩區域物理量的絕對值乘以100%。

車內后排乘客位的響度貢獻量隨著車速的變化，呈線性變化規律，如圖13所示。

圖13 后排外耳響度貢獻隨車速的變化Fig.13 The relationship between the rear ear loudness and the vehicle speed

后排外耳語言清晰度隨車速的變化如圖 14所示。v≤120 km·h-1時，氣流經前輪輻產生階次性噪聲源所對語言清晰度貢獻量較小，v≥120 km·h-1時，階次性噪聲源隨速度的增大而增多，對語言清晰度貢獻量增加。

圖14 后排外耳語言清晰度隨車速的變化Fig.14 The relationship between the rear articulation index and the vehicle speed

后排外耳能量貢獻隨車速的變化如圖15所示。v≤120 km·h-1時，經前輪罩區域和輪輻的氣流形成的寬頻噪聲源，中低頻所占比重大，中低頻噪聲能量經側窗傳遞至車內衰減多，對車內后排位噪聲環境貢獻量影響較小。v≥120 km·h-1時，寬頻噪聲源中，中高頻所占比重增大，中高頻噪聲能量經側窗傳遞至車內衰減量小，對后排位噪聲環境貢獻量影響大。

圖15 后排外耳能量貢獻隨車速的變化Fig.15 The relationship between the energy contribution and the vehicle speed

氣流經輪罩區域和輪輻發生脫落，渦體破碎產生寬頻氣動噪聲源，速度越大，高頻噪聲源增強，且有階次性，沿著氣流方向向后傳播，對后排乘客舒適性影響較大。頻率f＜500 Hz，三種車速下的影響較小，f≥500 Hz，影響較大，階次性較突出。三種車速均有各自的基礎頻率，階次性是在基礎頻率的基礎上的整數倍變化規律，基礎頻率公式和頻率階次公式為

式中：f0為基礎頻率；α為修正系數，該修正系數與輪輻數(輪輻數越多，系數越大)、車速等因素相關；vw為風速；r為車輪半徑；n為階次，是正整數。

基礎頻率公式中的系數受車速的影響較大，圖16是式(1)中的修正系數 α隨著車速的變化曲線。從圖 16中可看出，修正系數隨著車速的變化，呈現冪指數變化規律。

圖16 修正系數隨著車速變化曲線Fig.16 The relationship between the modifying coefficient and the vehicle speed

輪罩區域的氣動噪聲的基礎頻率與車速相關，車速越高基礎頻率越大，試驗和數值計算得到的基礎頻率與車速的變化規律一致，如圖 17所示，數值方法得到的結果與試驗的結果誤差小于0.5%。

圖17 基礎頻率與車速關系Fig.17 The relationship between the base frequency and the vehicle speed

輪罩區域氣動噪聲對車內后排位聲環境的影響具有階次性，采用階次頻率公式獲得的階次性與試驗得到的階次性，如圖 18所示，數值計算與試驗結果吻合非常好，誤差均小于1%。

圖18 試驗與數值計算得到的頻率一階次曲線Fig.18 Curves of frequency versus rank obtained in experiment and numerical computation

由試驗得到的輪罩區域氣動噪聲對車內噪聲環境的影響的階次性，階次頻率隨著車速的變化，在階次n＜20時，變化較小，在n＞20時，變化較大，如圖19所示。

圖19 試驗得到的頻率與階次變化曲線Fig.19 Curves of frequency vs rank in the experiment

采用式(1)中的階次頻率公式計算得到的輪罩區域氣動噪聲的階次性與車速的變化關系如圖 20所示，階次頻率隨著車速變化，在 n＜20時，變化較小，在n＞20時，變化較大。

圖20 數值計算得到的數值階次與頻率變化曲線Fig.20 Curves of frequency vs rank by numerical computation

通過改善經輪罩區域和輪輻的氣流，讓氣流順暢通過輪罩區域和輪輻所減小產生的脫落渦，減少渦體破碎形成寬頻氣動噪聲源，降低車內后排位的噪聲環境，改善車內后排位的聲品質，提高后排乘客乘坐的舒適性。

該輪罩區域氣動噪聲控制技術，運用基礎頻率和階次性頻率的公式，一定程度上可以改善后排座位噪聲環境，并提高后排乘客位的聲品質。

4 結 論

采用試驗與數值相結合的方法研究輪罩區域氣動噪聲對車內噪聲環境的影響，得到的結論如下：

(1) 輪罩區域氣動噪聲對車內前排乘客位的噪聲環境的影響較小，可以忽略此影響，而對后排乘客位噪聲環境影響較大，且主要集中在中高頻段的影響。

(2) 輪罩區域氣動噪聲對后排位乘客的聲學環境的影響具有階次性，在 20階次以上頻率對車內聲品質影響較大。

(3) 試驗與數值計算得到的基礎頻率均隨著車速的增大而增大，且兩者吻合較好，誤差小于0.5%，計算公式的修正系數α與車速呈冪指數變化規律。

(4) 運用輪罩區域氣動噪聲的控制技術，減小輪罩區域產生的氣動噪聲源，改善了車內的噪聲環境，提高了車內的聲品質。