某SUV車內氣動噪聲特性風洞試驗研究?

王亓良，陳 鑫，林清龍，魏洪楨，黃秋萍，張英朝

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.東南(福建)汽車工業有限公司汽車研究院，福州 350119)

前言

隨著國內汽車工業的迅速發展，以及人們生活水平的提高，消費者對汽車乘員舒適性的要求越來越高。而道路交通基礎設施的完善和汽車安全的發展，必然使汽車的行駛速度越來越快，而氣動噪聲作為舒適性的一個重要指標，在汽車高速行駛過程中越發凸顯出來。

目前國內主機廠和各高校對氣動噪聲的研究還處于起步階段，特別是對于車內氣動噪聲的研究還比較少。文獻[1]～文獻[3]中分別通過仿真和試驗研究了A柱和后視鏡等主要突出部件對車外氣動噪聲的影響規律和控制方法，文獻[4]和文獻[5]中對車內噪聲的仿真方法做了研究和總結，文獻[6]中通過試驗研究了貨車駕駛艙內的噪聲特性，文獻[7]和文獻[8]中通過試驗初步探究了某三廂轎車車內氣動噪聲的規律，并針對車身密封性對車內噪聲的貢獻做了研究。而目前隨著國產SUV品質的提高，該車型逐漸成為年輕消費者的首選車型。由于前人對車內氣動噪聲的分布規律和頻率特性等研究還不完善，且針對車內氣動噪聲的改進方向和方法仍需進一步探究，本文中采用風洞試驗的方法對某SUV車型的車內氣動噪聲進行研究，分析車內氣動噪聲的組成，并總結車內氣動噪聲的空間分布規律和頻率特性，且考慮了側風和風速對車內噪聲的影響，考察了后視鏡、車門密封條和車身鈑金件等部件對車內噪聲水平的貢獻，提出一系列改進方向與方法，所得結論對乘用車的車身NVH開發和汽車造型設計提供一定的借鑒和參考，具有實際意義。

1 風洞及噪聲測試設備

1.1 試驗風洞

本試驗在吉林大學汽車風洞[9]實驗室進行(圖1)。該風洞實驗室本體結構為低速回流開式汽車風洞，試驗段噴口截面為2.2m×4m的切角矩形，試驗段尺寸為8m(長)×4m(寬)×2.2m(高)，試驗最高風速為60m/s，風扇電機功率為1 000kW。風洞試驗段采用了先進的邊界層控制方法，并配備了專業的移動帶地面效應模擬系統。風洞建設過程中采用了多項降噪技術和措施，獲得多項風洞降噪專利授權[5]，滿足低噪聲汽車風洞的要求。

圖1 吉林大學汽車風洞試驗段(左圖)和全密封的汽車布置于風洞中(右圖)

1.2 噪聲測試設備

噪聲測試采用LMS公司的噪聲測試設備(圖2)，集成Test.Lab 13A試驗分析軟件與SCADAS III高速數據采集前端，傳聲器采用GRAS公司的1/4英寸聲學傳感器與前置放大器。

圖2 噪聲測試設備與傳聲器

2 試驗工況與評價方法

2.1 試驗工況

工況1為基礎工況，汽車處于自然狀態(整個車身沒有密封)，偏航角為0°，試驗風速為120km/h，分析車內噪聲的空間分布規律和頻率特性。

工況 2，在工況 1 的基礎上，在 60，80，100，120，140和150km/h的試驗風速，分析車內噪聲的速度特性與頻率特性。

工況3，在工況 1 的基礎上，在-10°～10°(俯視圖中逆時針轉為正)范圍內改變汽車偏航角，間隔2.5°，分析汽車偏航角對車內噪聲的影響，即汽車行駛過程中有側風時車內噪聲的變化規律。

工況 4，在工況 1的基礎上，采用單層厚度250μm的優質布基膠帶，密封整車外側各部件連接縫隙和各車身動態密封處，以減小密封處由車內外氣流流動產生的泄漏噪聲，因膠帶厚度較薄而具有較低的傳聲損失，對外形噪聲影響較小，故可認為該工況車內噪聲是排除泄漏噪聲后的汽車外形噪聲。結合工況1結果，即可利用聲壓級減法獲得泄漏噪聲的聲壓級頻譜。根據結果分析車內噪聲的構成，即車身外形和泄漏噪聲對車內噪聲的貢獻和頻率特性。

工況5，在工況4的基礎上，單獨去除車身某部分的密封或單獨去除某個部件，可將在此工況前后的車內語音清晰度差值視為該方案的語音清晰度貢獻量，依次研究車身各部分密封和部件造型對車內噪聲的貢獻和各自的頻率特性。

2.2 評價方法

語音清晰度(articulation index，AI)[10]是描述在噪聲環境下說話清晰度的指標，用百分數來表示:100%表示說話可以完全聽清楚，0表示說話完全聽不清楚。其計算公式為

式中:UL(f)和LL(f)分別為上限和下限噪聲值；H(f)為說話聲音信號；W(f)為計權系數，由于人說話和聽力均與頻率有關，該計權系數只考慮頻率200～6 300Hz范圍內的噪聲；D(f)為系數，由噪聲值N(f)、上限值和下限值確定。

3 試驗結果分析

在進行噪聲測試時，風洞本身的背景噪聲對測試結果有很大影響，要嚴格控制背景噪聲，以最大限度地保證試驗結果的真實性。GB1495—2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》[11]中，要求背景噪聲A計權聲壓級至少要比汽車噪聲低10dB。經過測量，本試驗中風洞背景噪聲比試驗中所測風噪聲低20dB(A)以上，滿足測試要求，風洞背景噪聲如圖3所示。

圖3 風洞背景噪聲

3.1 車內噪聲的空間分布規律與頻率特性

汽車在自然狀態下，即車身無密封，試驗風速為120km/h，偏航角為0°時，乘員艙內4個乘員位置外耳噪聲頻譜如圖4所示。由圖可見:在頻率低于200Hz時，后排噪聲水平明顯高于前排，噪聲聲壓級平均相差2dB(A)；而頻率在500Hz以上時，前排噪聲水平明顯高于后排，平均相差3dB(A)，且前排噪聲聲壓級在頻率2 000Hz處存在峰值。根據文獻[7]，200Hz以下的低頻噪聲主要是由于汽車外部瞬態壓力脈動激勵車身板件和車窗玻璃等引起的，而2 000Hz以上噪聲主要來源于車身密封性引起的泄漏噪聲。由此可以認為，車內噪聲中，由于前排座椅靠近B柱，同時受到前后兩車門產生的泄漏噪聲影響，且靠近后視鏡尾流區，壓力脈動較大，所以前排噪聲由泄漏噪聲主導，主要分布在500Hz以上的中高頻，且在2 000Hz頻率聲壓級存在峰值；而后排位于后車門后方，靠近尾門，汽車尾部產生的渦流激勵尾門玻璃和尾門板件產生的外形噪聲占主要部分，主要分布在200Hz以下的低頻范圍內。如圖5所示，車身全密封狀態下，由于泄漏噪聲被排除，在500Hz以上，前排的聲壓級明顯降低。且由于密封狀態下，對外形噪聲幾乎不改變，200Hz以下后排噪聲依然較高，也驗證了之前的結論。

圖4 自然狀態(車身無密封，風速為120km/h，偏航角為0°)各乘員位置外耳噪聲A計權頻譜圖

圖5 全密封狀態(車身全密封，風速為120km/h，偏航角為0°)各乘員位置外耳噪聲A計權頻譜圖

如上述頻譜圖中所示，乘員艙內左右兩側乘員外耳聲壓級頻譜曲線走勢及聲壓級大小大體一致，即左右兩側人耳噪聲頻率特性相似。且從圖6中可見，前、后排座椅左右兩側人耳的A計權總聲壓級大體相等，由于試驗車輛左右兩側車窗密封性不完全相同，使右側噪聲聲壓級曲線在大約2 000Hz的頻率附近略高于左側，同時使右側語音清晰度降低約5個百分點；且容易發現前排噪聲總聲壓級高于后排約1dB(A)，這是由于車內噪聲中，泄漏噪聲占據了主要部分。為了簡化，此后以前排左側外耳噪聲作為試驗中噪聲分析的參考點。

圖6 自然狀態(車身無密封，風速為120km/h，偏航角為0°)各乘員位置外耳A計權總聲壓級與語音清晰度

3.2 車內噪聲的速度特性分析

工況2的測試結果如圖7和圖8所示。由圖7可見:10 000Hz以下頻率范圍內，不同風速下前排左側外耳的聲壓級曲線走勢大體一致，且由于泄漏噪聲的存在，使得在800Hz頻率處均存在聲壓級峰值；頻率超過1 000Hz以后，不同風速的聲壓級有趨同傾向，即隨著頻率的升高，聲壓級曲線逐漸靠攏，差異逐漸縮小，頻率到5 000Hz以上時，不同風速的聲壓級變化很小。另外，風速為60km/h的工況下，聲壓級頻譜中的聲能量主要由頻率在200Hz以上的中高頻噪聲產生，而隨著風速的增加，中低頻噪聲的聲能量貢獻開始增加，高頻噪聲在整個頻譜中的聲能量占比越來越小，直至風速為150km/h時，聲壓級頻譜中的聲能量主要由3 000Hz以下的噪聲貢獻，可能是由于風洞開啟時風機本身在高頻段產生的背景噪聲造成的，當風速在120km/h以上時，5 000Hz以上高頻噪聲的聲能量貢獻較低，背景噪聲影響較小。由圖8可見，車內噪聲水平隨風速增加幾乎呈線性遞增，且風速每提高20km/h，前排左側外耳總聲壓級增加約4dB(A)，車內語音清晰度降低約10個百分點。

圖7 偏航角為0°，車身無密封，不同風速下前排左側外耳A計權噪聲頻譜

圖8 偏航角為0°，車身無密封，不同風速下前排左側外耳A計權噪聲總聲壓級

3.3 側風對車內噪聲的影響

工況3的測試結果如圖9和圖10所示。當偏航角為正時，隨著偏航角度由0°增加至10°，前排乘員位置噪聲水平呈遞增趨勢，其中前排左側變化明顯，總聲壓級增加約3.1dB(A)，語音清晰度降低約10.3個百分點，而前排右側變化微弱。這是由于當偏航角為正時，側風來自于正對汽車行駛方向的右側，前排左側窗處于背風側，氣流分離程度的增加使得側窗非穩態壓力脈動更加劇烈，從而增加了駕駛位車內噪聲水平，同時語音清晰度降低。而前排右側由于距離左側風窗噪聲源位置較遠而受其影響小，噪聲水平變化不大。當偏航角為負，即側風方向來自車身左側時，由于前排右側座椅處于背風側，噪聲總聲壓級對風速增加而明顯增大約0.8dB(A)，而前排左側遠離噪聲源位置而噪聲變化不明顯，這與偏航角為正時的規律相同。由于偏航角為正時，車身右側試驗段墻壁對流場有輕微阻塞，此時噪聲水平變化幅度較小。不同偏航角下的噪聲頻譜如圖11所示。由圖可見，幾乎在整個頻率段內的噪聲都隨偏航角增加而變大，即包括形狀噪聲和泄漏噪聲在內的聲壓級都有所上升。這一方面由于壓力脈動程度的增加，使車窗玻璃和門板等部件振動更加明顯，引起外形噪聲的增加；另一方面，強烈的壓力脈動使汽車內外壓差變大，引起泄漏噪聲增加。

圖9 偏航角為正時，前排左(上圖)右(下圖)兩側噪聲A計權總聲壓級與語音清晰度

圖10 偏航角為負時，前排左(上圖)右(下圖)兩側噪聲A計權總聲壓級與語音清晰度

圖11 車身無密封，風速為120km/h，正偏航角左前(上圖)與負偏航角右前(下圖)A計權1/3倍頻程頻譜

3.4 車內氣動噪聲的組成

根據上述試驗結果整理得到風速120km/h、偏航角0°條件下車內總噪聲及其成分外形噪聲和泄漏噪聲聲壓級頻譜，如圖12所示(此后的數據，試驗條件同此)。由圖可見:300Hz以下的低頻段，外形噪聲大得多，平均相差約5dB(A)；頻率高于300Hz后泄漏噪聲開始占車內總噪聲主導地位，且除約800Hz處的聲壓級峰值外，在2 000Hz處還出現一個次峰；車內語音清晰度關注的頻率為200-6 300Hz，而由車身密封不良引起的泄漏噪聲主要分布在300～3 000Hz之間，是車內噪聲改進的重點。車內總噪聲的總聲壓級為68.1dB(A)，其中外形噪聲為64.4dB(A)，泄漏噪聲為65.7dB(A)，泄漏噪聲總聲壓級比外形噪聲高約1.3dB(A)，需要重點改進。

圖12 前排左側A計權1/3倍頻程頻譜圖

3.5 不同部分對車內噪聲的貢獻與改進方向研究

圖13 車身部分測試位置示意圖

表1 車身不同部分對車內語音清晰度的貢獻

根據工況5(部分工況位置如圖13所示)的測試得到車身各部分密封和部件對車內噪聲的貢獻量，如表1所示，負值表示語音清晰度降低。結果表明:門外縫隙產生的空腔噪聲對車內語音清晰度貢獻量最大，約5.41個百分點，但由于門縫大小與裝配和加工工藝的精度相關，其改進性價比較低；門內密封(使用具有一定傳聲損失的密封膠)后，在頻率300～5000Hz范圍內聲壓級明顯升高，平均增高3.6dB(A)(圖14)，對前后排語音清晰度的最大貢獻量分別為15.06個百分點和6.01個百分點，即車門密封襯條的隔聲特性還有較大改進空間；前門B柱玻璃導槽密封對車內語音清晰度最大貢獻量為1.88個百分點，建議添加密封條以增加玻璃貼合度；拆除后視鏡之后，車內噪聲明顯降低，聲壓級平均降低1.7dB(A)(圖15)，后視鏡對車內語音清晰度貢獻量最大約為5.31個百分點，需要對后視鏡從泄漏和造型兩個方面進行改進；整個外開門把手密封對車內語音清晰度貢獻量最大為9.09個百分點，而其中門把手與飾蓋間的縫隙貢獻量最大為5.1個百分點，說明門把手的主要改進方向為泄漏點的查找和補漏；其他位置，包括前風窗玻璃兩側密封、A柱與前擋段差、雨刮器、發動機蓋前緣縫隙等對車內噪聲影響均不大，不作為改進重點。

圖14 有無后視鏡時A計權1/3倍頻程頻譜圖

圖15 有無門內密封時A計權1/3倍頻程頻譜圖

3.6 噪聲改進方案研究與試驗驗證

在3.5節噪聲改進方向研究的基礎上，分別對左側后視鏡、車身鈑金件和襯條等部位進行改進，部分方案和試驗結果分別如圖16、圖17和表2中所示。在后視鏡全密封的基礎上，分別開啟后視鏡轉軸縫隙、螺栓孔和漏水孔處的密封，結果表明這3處泄漏對車內噪聲均有明顯貢獻，因此采用泡棉封堵氣流通過后視鏡與乘員艙的唯一路徑即線束穿孔，大大降低了后視鏡的泄漏噪聲，車內語音清晰度提高1.79個百分點；對于后視鏡的造型，采用后視鏡前側距側窗平面45mm、后側距側窗平面60mm的喇叭口新造型，試驗證明在此尺寸以上能夠使后視鏡尾流區遠離側窗表面而減小車內噪聲，同時采用較薄的后視鏡支撐柄，車內語音清晰度改善了2.34個百分點；關于車身鈑金件，分別在頂棚、四門和翼子板鈑金件內側加貼阻尼片進行補強，車內語音清晰度分別改善了3.21，1.46和0.15個百分點(誤差范圍內)，即面積較大的鈑金件越容易發生振動及變形而產生噪聲，需要進行補強；至于四門襯條，則分別換用了改軟和改硬的兩款襯條，對車內噪聲均無改善，即襯條的硬度對車內噪聲無明顯效果，根據車內試驗人員的主觀感受，建議對A柱附近的襯條進行局部補強，以改善車內噪聲。

圖16 后視鏡部分改進方案示意圖

圖17 車身部分改進方案示意圖

表2 改進方案對語音清晰度的貢獻

4 結論

(1)車內氣動噪聲主要由泄漏噪聲與外形噪聲組成。由密封不嚴引起的泄漏噪聲，在 300-3 000Hz的中高頻范圍內主導車內噪聲，且在2 000Hz處聲壓級存在峰值。

(2)空間上車內噪聲水平左右對稱分布，前排高于后排約1dB(A)。由于前排靠近B柱，受前后兩車門泄漏影響，且靠近后視鏡，導致前排泄漏噪聲大于后排；后排處于后車門后方，密封性好，而汽車尾渦激勵尾門結構產生的外形噪聲貢獻較大，使得后排外形噪聲高于前排。

(3)在不同風速下，車內噪聲頻譜具有相似的頻率特性，車內噪聲水平隨風速增加呈線性遞增，且風速每提高20km/h，總聲壓級增加約4dB(A)，語音清晰度降低約10個百分點。

(4)隨著偏航角度增加，處于背風側的部位，由于氣流分離變大而噪聲逐漸增加，整個頻率段的聲壓級最大增加約3.1dB(A)，語音清晰度降低約10.3個百分點；而迎風側由于遠離聲源位置，風噪變化微弱。

(5)試驗發現，襯條硬度對其隔聲性能無明顯影響，建議對A柱附近襯條進行局部補強；后視鏡轉軸縫隙、螺栓孔、漏水孔處存在泄漏，通過泡棉封堵線束穿孔有效降低后視鏡泄漏噪聲；新造型后視鏡采用喇叭口造型和減薄的鏡柄，降低了后視鏡外形噪聲；在頂棚和四門鈑金件加貼阻尼片補強，有效降低車內噪聲，且面積較大的鈑金件加貼阻尼片改進的效果更好。