基于頻率切片算法的風振測試方法

摘 "要：通過分析一般乘用車風振發生的機理、過程，并結合次聲對人體影響的研究結果，提出了采用風振聲壓級評價風振的單參數工程評價方案。提出采用頻域切片算法求解風振聲壓級的數據處理方案，并基于此優化了風振的測試方法。最后分析了優化方法相對傳統風振測試方法的高效率和高精度，以及更能反映風振動態過程的特點。

關鍵詞：風振;次聲危害;頻率切片;噪聲測試

中圖分類號：U467.5 " " "文獻標志碼：A " " "文章編號：1005-2550（2022）05-0042-04

Buffeting Test Method Based On Frequency Slicing Algorithm

ZHOU Wan-tian， JIANG Cai-mao， LONG Liang-huo

（GAC Automotive Research amp; Development Center， Guangzhou 511434， China）

Abstract： By analyzing the mechanism and process of buffeting of passenger cars， and combining with the research results of the influence of infrasound on human body， a single parameter engineering evaluation scheme using buffeting amplitude value to evaluate buffeting is proposed. The data processing scheme of solving buffeting sound pressure level by frequency domain slicing algorithm is proposed， and the test method of buffeting is optimized based on this. Finally， the high efficiency and high precision of the optimization method compared with the traditional buffeting test method， and the characteristics of better reflecting the dynamic process of buffeting are analyzed.

Key Words： Buffeting; Infrasound; Frequency Slice; Noise Testing

前 " "言

汽車行駛中側窗或天窗打開時，在某些速度區間車內乘員感受到強烈的壓耳“噗噗”噪聲，這種現象就是風振。汽車開窗風振為超低頻、高強度的一類噪聲，嚴重影響駕乘舒適性。研究表明長期處于高強度噪聲環境下，會影響乘員健康[1，5]。

本文通過研究風振現象的特征以及乘員主觀感受，提出了風振聲壓級評價風振噪聲的單參數評價方案，以及一種基于頻率切片算法的風振數據處理方案。根據頻率切片數據處理方案的特點，提出采用緩加速（或減速）的風振優化測試方法。并且通過工程實踐，驗證了優化測試方法相對傳統勻速測試方法的高效和高精度的特點。

1 " "風振現象

1.1 " 風振現象物理性質

風振是一種亥姆霍茲共振現象，當車窗開口區域脫落渦的一階模態頻率等于車廂體的固有振蕩頻率時，此時風振的“鎖定（lock in）”現象發生，并且風振的聲壓級達到最高[2]。根據亥姆霍茲共振理論，空腔固有頻率可由車廂的特征參數進行計算，見公式（1），參數示意為圖1。開口腔的渦旋脫落周期性頻率見公式（2）[3]。

f=（c/2π）（A/Vl）-2 " " " " " " " " " " "（1）

式中： f為共振頻率;c為聲速;A為空腔開口面積;l為開口壁厚;V是空腔容積。

n/f=d/c+d/a0 ，n=1，2，3…… " " " " " （2）

式中：n為風振模態數;d為空腔開口跨度;a0 為渦的對流速度。

代入某轎車打開天窗時的車廂特征參數，在20km/h至70km/h速度段每隔10km/h取一個速度進行仿真和試驗[4]。結果如圖2和圖3，其風振頻率大致為18Hz，發生的速度區間為30km/h至50km/h，峰值可達110dB以上。由該數據可知，風振發生在一定速度區間內，不同的速度下幅值變化很大，其頻率變化不大。

1.2 " 風振現象與人體感官

傳統聲學研究認為人耳可感知的聲音頻率范圍為20Hz - 20000Hz[5]，圖3顯示某轎車的風振頻率為18Hz，已經超過人耳感知范圍。實際上，風振發生時乘員可以感知非常明顯的“噗噗”噪聲，這與傳統的聲學認知相違。根據一些研究次聲與低頻噪聲對人體影響資料表明，人耳是可以感知次聲的，只是其聽閾值較高[6，7]，圖4為次聲聽閾曲線[7]。

一般汽車風振頻率為20Hz左右[2]，由圖3可知風振頻率區間的聽閾大約90dB，而風振峰值聲壓級往往超過110dB以上，遠高于聽閾，所以車內乘員才對風振有強烈主觀感知，即強烈的“噗噗”聲。

風振是一種低頻（已到次聲頻段）且聲壓非常高（超過110dB）的噪聲。根據研究表明，長期處于這類噪聲環境會對人的聽覺、大腦、激素等多項生理指標產生危害性影響，甚至發生不可逆危害[6，7]。

1.3 " 風振評價參數

風振也是一種噪聲，評價噪聲有很多參數，例如頻率、響度、聲壓級、抖動度、粗糙度、尖銳度等等。在工程上，評價一個噪聲一般只選取和主觀感受對應最為線性的一個或多個參數。例如風噪常用語音清晰度評價，路噪常用響度，電機嘯叫常用尖銳度等。

結合1.2節描述，風振是一種典型的次聲段噪聲，人耳能感知次聲即次聲的聲壓級高于聽閾，高的越多，人耳感知越明顯，故聲壓級是與風振主觀感受比較匹配的物理量。根據筆者工程實踐，制定了風振聲壓級和主觀評價的對應表，如表1。

2 " "風振試驗

2.1 " 傳統風振測試方法

傳統風振測試采用勻速行駛工況[2，8]。在風振發生速度區間內每隔一定速度進行一次勻速工況測試，例如間隔5km/h或者10km/h。測點選擇駕駛員內耳以及后排乘客內耳[9]。測試結果如圖2和圖3。

2.2 " 基于頻率切片算法的風振測試

2.2.1頻率切片介紹

對于一個給定的頻譜，將起始頻率 f1 到終點頻率 f2 之間頻段提取，稱為頻率切片。如圖5所示，其物理量表示 f1 到 f2 的積分運算，例如計算 f1到 f2 的聲壓級總值為公式3。

（3）

式中：Aslice表示切片總聲壓級;A（ f ）表示幅值信息。

實際噪聲是連續信號，可以采用公式3進行切片計算。但工程上噪聲的采集是對連續信號離散抽樣，采集到的噪聲信號是離散化的。通過對離散信號進行處理，最終得到的噪聲頻譜是由若干條間隔為Δf（頻率分辨率）的譜線組成，每一條譜線對應唯一的頻率和幅值信息，如圖6。離散化頻譜的切片計算則由積分轉化為求和，如公式4。離散譜中每個頻率點具有一定帶寬Δf，首尾截止點實質只取了該點的一半帶寬，起始頻率 f1 取后半帶寬，終點頻率 f2取前半帶寬。所以公式4中首尾頻率點的幅值只取一半。

（4）

式中：A1=A（f1）;A2=A（f2）;Ai=A（fi）;f1lt;filt;f2。

多個聲壓級求和如公式5：

（5）

式中：LP表示總聲壓級。

將公式4和公式5結合，得到公式6。

（6）

即通過頻率切片截取的頻段其總聲壓級可以由公式6計算。

2.2.2 風振與頻率切片

如圖7，為典型的風振頻譜圖，分辨率1Hz。分析該頻譜特征，風振頻率f處的幅值非常高，達到112dB。采用公式6計算以風振頻率f為中心頻率的20Hz帶寬Δf的頻率切片的總聲壓級，為114dB，基本與風振頻率處的幅值相當。風振的聲壓級采用風振頻率處幅值聲壓級或者一定帶寬切片的聲壓級表達均可。

觀察圖2，不同速度下風振的幅值差異較大。傳統風振測試采用間隔速度方式，并沒有完整表達風振發生速度區間的過程。由公式1和公式2可知，風振的頻率由車身尺寸確定，其變化區間較小。引入頻率切片方法，將風振發生速度區間內的風振頻段連續提取后求總聲壓級，即可得到風振聲壓級隨速度變化的連續過程。

2.2.3 風振測試優化方法

引入頻率切片處理風振測試數據，則測試方法相應優化。不同于傳統方法針對風振速度區間選擇多個速度進行多組別測試。優化方法只需采用緩加速或者減速的方式，其速度范圍包含風振速度區間即可。過程如下：

a、推薦采用0.5m/s-2加速度（假如風洞內則采用來流速度緩慢增加方式）緩加速行駛，采集噪聲數據，并進行傅里葉變換得到三維頻譜圖，如圖8。

b、做頻率切片，頻率切片帶寬可以采用起始頻率到終點頻率的方式。也可以采用中心頻率與固定帶寬的方式。風振頻率相對固定，采用中心頻率的方式做切片更加方便，中心頻率即為風振頻率，如圖8。

c、確定中心頻率后，選擇一個固定帶寬，要求完全覆蓋風振頻率變化范圍即可，推薦20Hz，如圖8：

d、采用公式6，計算切片的總聲壓級。并輸出聲壓級-速度（時間）曲線，如圖9：

2.2.4 傳統測試方法和優化測試方法比較

在效率上，傳統方法需要測試多組數據;而優化方法只需一組數據。在精度上，傳統方法類似離散抽樣，并不能把風振過程完整的表述;而優化方法則是完整記錄風振發生速度區間的數據。某車型采用兩種方法測試的對比如表2：

3 " "結論

通過對風振現象的一些評價研究，可以得出以下結論：

1、從風振對人體的感官影響上看，聲壓級是最直接的因素。在工程上也常把100dB作為風振性能是否達標的判斷標準。

2、風振是一種共振現象，其共振頻率處的聲壓級峰值遠高于其他頻率。故聲壓級表達方式采用共振頻率處的峰值，或者共振頻率為中心的頻段切片聲壓級，其差異一般1dB -2dB。

3、引入切片方法處理風振測試數據，其測試方法可以顯著簡化，而測試的精度反而提高，在工程上非常適用。

參考文獻：

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[9]GB/T 18697-2002，聲學 汽車車內噪聲測量方法[S].

周萬田

畢業于合肥工業大學，車輛工程專業，本科學歷，現就職于廣汽研究院，任NVH部責任工程師，長期從事汽車風噪性能開發、汽車NVH性能集成管理工作。

專家推薦語

劉 " 浩

東風汽車集團有限公司技術中心

首席總師 "研究員高級工程師

論文概述了一般乘用車風振發生的機理與過程，及人體對次聲的感知等研究結果。結合實際評價提出了采用緩加速試驗方法測量風振發生過程的聲壓級，而后引入頻域切片方案求解風振聲壓級的處理方法，該方法與傳統風振測試方法相比，具有高效率的特點，可供相關工程師借鑒。