汽車車內氣動噪聲客觀評價分析?

賀銀芝，盧春陽，吳 宇，楊志剛

(1.同濟大學汽車學院，上海 201804； 2.上海市地面交通工具空氣動力與熱環境模擬重點實驗室，上海 201804)

前言

轎車高速行駛時，產生的空氣動力噪聲(風噪聲)是影響車內聲環境舒適性與行車安全性的重要因素[1-2]，同時也會對車外環境造成噪聲污染。由于氣動噪聲的理論研究與實際應用還有一定的差距，而試驗更加直觀和可靠，因此整車氣動聲學風洞試驗一直是研究氣動噪聲的重要手段之一[3]。本文中基于整車氣動聲學風洞氣動噪聲試驗，設定典型工況，應用不同的方法對車內氣動噪聲數據進行分析與評價。

對車內噪聲的評價一般分為主觀評價和客觀評價。主觀評價是指評價者(人)對聲音樣本的主觀喜好程度，常用的有成對比較法和等級評分法等[4]?？陀^評價分為客觀參量的客觀評價和主觀參量的客觀評價。傳統上基于線性聲壓級的客觀評價方法對具體的工程問題具有較大的局限性。因此近年來，基于心理聲學的噪聲聲品質評價方法得到了較快的發展和應用。比如響度、語音清晰度、粗糙度和抖動度等。每種分析方法均有其特點及適用性[5]?；谲噧葰鈩釉肼暤奶攸c，本文中分別采用A計權聲壓級、響度(Loudness)和語音清晰度AI，對車內噪聲進行對比分析與評價。

本文中首先簡單介紹了氣動噪聲產生機理及其向車內的傳遞，然后通過整車氣動聲學風洞試驗，針對某款合資品牌四門三廂中級轎車的典型工況，分析了不同車速和偏航角下車內氣動噪聲的變化規律，并對后視鏡密封和雨刮器對車內氣動噪聲的貢獻進行了研究。

1 氣動噪聲產生機理及其向車內的傳遞

車內感受到的風噪通常可以分成兩大類。一種是車身表面的非定常壓力脈動產生的噪聲，這種由于車身外表面的突出物或凹凸不平引起氣流分離從而產生的噪聲可以稱為外形噪聲。外形噪聲是典型的雙極子聲源，可通過車身結構傳入車內。另一種噪聲是由于時變的氣體流量穿過車身上狹小的孔縫而形成，稱為泄漏噪聲。這類噪聲屬于單極子聲源，聲輻射的效率很高，可直接傳到車內[3]。其問題主要來源于車身設計、制造或裝配誤差引起的車身部件連接的密封不良或失效。本文中采用不同評價方法對泄漏噪聲中后視鏡密封的影響和外形噪聲中雨刮器的貢獻進行詳細分析。

2 試驗方法與測試系統

2.1 試驗平臺

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，噴口面積為27m2，試驗最大風速可達250km/h。在160km/h風速下，背景噪聲低于61dB(A)，是國際同類風洞中最安靜的風洞之一[3]。測試時將試驗車固定在風洞駐室試驗段天平轉盤的中心位置。

2.2 測試系統

測試采用德國HEAD acoustics公司噪聲與振動測量及分析系統。試驗中由HMS III數字人工頭接收到的雙耳信號，經多通道數采前端SQlabIII，利用雙耳信號采集軟件HEAD Recorder，將信號采集并導入到Artemis分析軟件進行處理。試驗中人工頭置于主駕駛位，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，再經由天平基座接入測控室的數據采集分析系統。

2.3 試驗方法

試驗采用“開窗法”[3]的原理來測試后視鏡密封的貢獻量大小。先將整個試驗車的外表面零部件結合縫隙及溝槽處用密封膠帶密封，類似于將車身表面所有的泄漏通道“窗口”關閉，使車內噪聲水平處于最“安靜”的狀態。然后揭開后視鏡密封處的密封膠帶，類似于“開窗”。通過比較有無密封膠帶的車內噪聲測試結果確定后視鏡密封部位的密封效果對車內噪聲貢獻量的相對大小。然后通過比較雨刮拆除前后的車內噪聲測試結果確定雨刮器的造型因素帶來的外形噪聲的貢獻量。

2.4 試驗工況與流程

工況1中測試車輛處于基準狀態(Baseline)，前格柵密封，空調通風口關閉并密封，以免車外氣流直接進入車內。工況2將全車密封，使試驗車處于最“安靜”狀態。工況3考察后視鏡密封性能對車內噪聲的貢獻。工況4考查車身表面突出物雨刮器對車內噪聲的貢獻。具體工況如下。

工況1:試驗車處于基準狀態，偏航角為零時，試驗風速分別為 100，120，140，160 和 180km/h，然后固定試驗風速140km/h，設置偏航角分別為-5°，-10°，-15°和-20°。

工況2:將試驗車整車外表面零部件結合縫隙及溝槽處均用密封膠帶密封，即整車全密封狀態，試驗風速140km/h，偏航角為零。

工況3:應用“開窗法”在工況2全密封的基礎上去除左側后視鏡密封處的膠帶(圖1)。

工況4:在工況2全密封的基礎上，拆除雨刮器(圖2)。

試驗過程中風洞測試段溫度為22～25℃，相對濕度為60%，大氣壓為101.1kPa。偏航角為負值時，主駕駛位背風，其附近車身表面的氣流分離比迎風時更嚴重，會帶來側窗表面上更強烈的壓力脈動[6]。因此背風時車內噪聲水平對偏航角的變化更為敏感，也是工程上更為關注的情況。

圖1 去除試驗車左側后視鏡密封膠帶

圖2 拆除試驗車雨刮器

3 噪聲聲品質客觀評價分析方法

左側后視鏡密封的貢獻量可由工況3減去工況2獲得。雨刮的貢獻量由工況4減去工況2得到。在基于心理聲學參數對車內聲品質進行評價的參量中，只有響度得到廣泛的研究和認可，并制訂了ISO標準。在下文中分別采用3種不同的參量對試驗結果進行分析，即A計權聲壓級、響度和語音清晰度。

3.1 A計權聲壓級

A計權聲壓級是指對測試的線性聲壓級應用A計權網絡進行修正后得到的結果，單位為dB(A)。A計權聲壓級可模擬人耳對55dB以下低強度噪聲的頻率特性，即用倒置的40方等響曲線去修正頻響，從而實現頻率計權。它能較好地反映人耳對噪聲的主觀感受和評價，因此被廣泛應用于噪聲測量中，是國際標準化組織和許多國家評價噪聲的常用指標之一。

3.2 響度

響度可線性地表示人對聲音強弱的主觀感受，它考慮了人耳對聲音的掩蔽效應，比A計權聲壓級更能準確地反映聲音信號的響亮程度。Stevens[7]和Zwicker[8]等人分別對響度的計算理論模型展開了研究，其結果均被納入國際標準ISO532:1975[9]中。標準中提供了基于心理聲學試驗方法得到的兩種穩態噪聲響度計算方法，方法A主要參考Stevens等人的研究結論，以倍頻帶為分析帶寬，適用于擴散場的穩態噪聲場合；方法B參考Zwicker等人的研究成果，以1/3倍頻帶為分析帶寬，以臨界頻帶對人耳的掩蔽效應做出修正，適用于自由場、擴散場的穩態噪聲場合。本文中采用方法B。

3.3 語音清晰度

語音清晰度(articulation index，AI)中的清晰度指數是指語言經畸變后可聽清的程度，它是語言聽聞條件的最直接的評價。它用百分數描述了在噪聲環境下談話的清晰程度，依賴于背景噪聲的頻率和聲壓級，其分析頻率的范圍為200～6 300Hz。背景噪聲的1/3倍頻程頻譜在語言頻帶范圍內的成分對語言交談有重要影響。當噪聲在語音區域上限與下限之間時，對于每個頻帶的清晰度百分數進行累加即可得到總的清晰度。顯然，AI與前兩種分析方法不同，AI越高代表車內聲品質越好。

4 噪聲測試結果分析與評價

4.1 車內噪聲的速度特性分析

圖3 基準工況，0°偏航角，不同風速下主駕駛位人工頭外耳聲壓譜

這里速度特性指車內風噪水平與風速的關系。圖3為基準工況下，偏航角為0°，不同風速時主駕駛位人工頭外耳的窄帶譜(頻率分辨率11.7Hz)?？梢钥闯?，在整個分析頻域內，不同風速下，車內噪聲的頻譜特征相似，聲壓級隨著風速的增加而不斷升高，但隨著頻率升高而下降。

圖4為基準工況下，0°偏航角時，隨著風速提高，駕駛位人工頭外耳A計權總聲壓級(OASPL)的變化趨勢?？梢钥闯?，隨風速的提高，車內噪聲總聲壓級幾乎呈線性增加。采用線性擬合時得到的相關系數R2＝0.9931，說明此線性擬合的相關度很高。

圖4 基準工況，0°偏航角，車內A計權總聲壓級隨風速的變化

圖5 和圖6分別為基準工況，0°偏航角，主駕駛位外耳處響度和語音清晰度隨風速的變化。可以看出，隨著風速的增加，響度幾乎呈線性增長，而語音清晰度則大致呈線性下降。3種分析方法中，主駕駛外耳處的風噪水平都大體上隨風速線性變化，且擬合出的線性度都很高。其中響度的相關系數R2比A計權聲壓級和語音清晰度的R2略高，說明車內響度大小隨風速變化的線性度最好。

圖5 基準工況，0°偏航角，主駕駛位外耳處響度隨風速的變化

4.2 不同偏航角對車內噪聲的影響

當設置一定偏航角時，可以研究車內噪聲水平受側風的影響程度。圖 7為基準工況，風速為140km/h時，不同偏航角下車內噪聲1/3倍頻程頻譜。由圖可見，在有負偏航角的情況下，其車內聲壓級水平幾乎在整個頻段都比0°偏航角時大，且車內噪聲水平在整個頻段內都隨著偏航角的增加而增大，但不同偏航角下車內噪聲頻譜的趨勢基本相同。從圖8～圖10可以看出，隨著偏航角絕對值的增大，主駕駛外耳處的A計權總聲壓級和響度增加，而語音清晰度下降，但上升或下降的線性度不高。

圖6 基準工況，0°偏航角，主駕駛位外耳處語音清晰度隨風速的變化

圖7 基準狀態，風速為140km/h時，不同偏航角車內駕駛位人工頭外耳處1/3倍頻程頻譜

圖8 基準狀態，風速為140km/h時，車內駕駛位人工頭外耳處A計權總聲壓級隨偏航角而變化的曲線

4.3 后視鏡密封對車內噪聲的影響

圖11 為風速140km/h，0°偏航角時，工況3與工況2條件下主駕駛外耳處A計權聲壓級頻譜。由圖可見，在整車密封前提下，去掉后視鏡密封后，車內噪聲聲壓級主要在0.5-2kHz有所增高，該頻段內平均聲壓級增高約0.62dB(A)。這說明該后視鏡與密封相關的結構部分風噪設計較好。

分別采用3種評價方法分析后視鏡密封對車內噪聲的貢獻，結果見表1。可以看出，采用A計權聲壓級分析時，去除左側后視鏡密封，主駕駛外耳處的A計權總聲壓級(OASPL)由67.9增加到68.2dB(A)，增加 0.3dB(A)；響度由 23.9增加到24.4sone，增加了0.5sone；語音清晰度從63.4%下降到61.7%，降低了1.7個百分點。說明從數值上看，在對后視鏡密封的貢獻量進行分析時，語音清晰度評價方法靈敏度最高，可更好地反映后視鏡密封對車內噪聲的影響，響度次之，A計權聲壓級靈敏度最弱。

圖9 基準狀態，風速為140km/h時，車內駕駛位人工頭外耳處響度隨偏航角而變化的曲線

圖10 基準狀態，風速為140km/h時，車內駕駛位人工頭外耳處語音清晰度隨偏航角而變化的曲線

圖11 左側后視鏡密封與不密封條件下，主駕駛外耳處A計權聲壓級頻譜比較

表1 左側后視鏡密封貢獻量分析(主駕駛外耳)

4.4 雨刮器對車內噪聲的貢獻量

圖12為風速140km/h，0°偏航角時，工況4與工況2條件下，主駕駛位置內耳處的A計權聲壓級頻譜。由圖可見，在整車密封前提下，拆除兩個雨刮器后，車內噪聲主要在3 000-6 300Hz的較高頻段內有所降低，該頻段內平均聲壓級降低了約0.75dB(A)，雨刮器的造型因素引起的外形噪聲的貢獻量較小，說明該雨刮器的風噪性能設計較好。

圖12 雨刮器拆除前后，主駕駛內耳處A計權聲壓級頻譜比較

表2 雨刮器貢獻量分析(主駕駛位內耳)

分別采用3種評價方法分析工況4與工況2，得到的結果見表2?？梢钥闯觯捎肁計權聲壓級分析時，拆除兩個雨刮器后，主駕駛內耳位置處的A計權總聲壓級基本維持在66.3dB(A)；采用響度分析時，拆掉兩個雨刮器之后，主駕駛內耳位置處響度由21.7下降到21.6sone，僅下降0.1sone；采用語音清晰度作為評價標準時，AI從 69.80%增加到70.30%，增加了0.5個百分點?？梢钥闯?，在對雨刮器的貢獻量進行分析時，A計權聲壓級和響度有一定的局限性，采用主駕駛內耳處的AI可更好地反映出雨刮的造型因素對車內噪聲的影響。

5 結論

通過對某轎車進行整車氣動聲學風洞試驗，針對車內氣動噪聲試驗數據，分別采用A計權聲壓級、響度和語音清晰度3種不同評價方法，分析了典型工況下車內氣動噪聲的特征表現和典型氣動噪聲源的貢獻量大小，獲得以下主要結論。

(1)不同風速下，車內氣動噪聲的頻譜特征相似。3種評價分析方法中，車內風噪水平都大體上隨著風速呈線性變化，且線性相關度很高。其中響度隨車速變化的線性度最好。

(2)同樣風速下，車內氣動噪聲的頻譜特征隨偏航角的變化而發生較大變化。主駕駛位背風時，隨著偏航角增大，車內聲壓級和響度逐步上升，語音清晰度則逐步下降。但3種方法評價結果隨偏航角變化的線性度均不高。

(3)后視鏡密封對車內噪聲的貢獻主要在0.5-3kHz中高頻段。140km/h風速時，在整車密封前提下，去除左側后視鏡密封后，主駕駛外耳處A計權總聲壓級僅增加了0.3dB(A)，響度增加了0.5sone，語音清晰度AI則下降了1.7個百分點?？梢钥闯?，在對后視鏡密封貢獻量進行分析時，語音清晰度比A計權聲壓級和響度更靈敏，可更好地反映出后視鏡密封對車內噪聲的影響。

(4)雨刮器對車內噪聲的貢獻主要在3-6.3kHz的高頻段。在140km/h風速時，在整車密封前提下，拆除雨刮后，主駕駛內耳處A計權總聲壓級幾乎不變，響度僅下降了0.1sone，語音清晰度則增加了0.5個百分點?？梢钥闯?，從數值上看，在分析雨刮對噪聲的影響時，語音清晰度同樣比A計權聲壓級和響度更靈敏，是該情況下更為適用的評價方法。

因此，對于車內氣動噪聲的評價一般應根據頻譜特征采用多個參數進行綜合比較分析。