整車關門耳壓性能特性研究

關鵬 潘雷 顧彥

摘 要：關門耳壓感是影響人對車輛主觀感受的重要NVH性能之一，其評價目標及分析方法在車輛開發早期至關重要。通過主觀感受與試驗測量的對比分析，將乘員艙壓力峰值作為耳壓設計的目標參數。建立兩腔計算模型，應用數值計算方法分析計算，結果顯示，壓力曲線與試驗基本吻合。基于峰值壓力目標的兩腔模型計算，模型簡單，計算速度快且主客觀結果一致性高，可應用于車輛早期開發階段。

關鍵詞：關門耳壓;峰值壓力;兩腔模型

中圖分類號：U462.3 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-177-04

Research on Vehicle Ear Pressure Performance Character of Slamming Door

Guan Peng， Pan Lei， Gu Yan

（ Vehicle Integration Department， Technical Center of SAIC Motor， Shanghai 201804?）

Abstract：?The performance of ear pressure is one of important subjective experience of vehicle NVH. Its evaluation and analysis method are important in the early stage of vehicle development. Through the comparative analysis of subjective experience and experimental measurement， the cabin peak pressure is taken as the target parameter of ear pressure design. The two-cavity model is established， and coded with numerical calculation. The results show that the pressure curve is in good agreement with the experiment. The advantage of two-cavity calculation is simple， efficient and consistency with subjective experiment. The method can be applied in early stage of vehicle development.

Keywords： Ear pressure;?Peak pressure;?Two-cavity model

CLC NO.：?U462.3 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-177-04

前言

耳壓感的產生普遍存在于各種交通工具使用的環境當中，例如飛機的起降，高速列車進出隧道以及車輛關門的過程中。導致其產生的原因是人耳鼓膜兩側的壓差使得鼓膜變形，進而出現耳壓感。以整車關閉車門過程為例，關門時乘員艙壓力升高，鼓膜內側壓力小于外側，耳壓感產生。由于該主觀感受的大小會直接影響乘客對該車舒適性的評估，所以該性能逐漸成為影響關門聲品質提升的主要因素之一。耳壓感是一種主觀感受，同時也是客觀現象。將主觀感受與客觀物理量相統一，不僅能夠為車輛初期設計給出明確目標，同時還可以對于該現象背后所存在的物理規律給出合理的解釋。

本文通過將試驗測量數據與主觀感受的對比分析，提出耳壓感性能評價的目標參數。并在此基礎之上提取影響目標參數的主要因素，建立兩腔計算模型。經過計算與試驗的分析驗證表明，?該方法具有建模簡單、計算速度快及準確性高等特點。適用于車輛開發早期階段的耳壓感評估及優化。

1?目標參數確定

人耳的結構如圖^[1]（1）所示。鼓膜位于中耳腔與外耳道之間，當耳膜兩側的出現壓力差時，耳壓感隨即產生。連接鼻咽腔的咽鼓管處于常閉狀態，當外耳道壓力小于中耳腔，咽鼓管會自動打開;當外耳道壓力大于中耳腔，咽鼓管需吞咽才能被動打開，調節鼓膜兩側壓力^[2]。車門關閉的過程中，乘員艙壓力逐漸升高，外耳道與周圍環境相通，從而隨之升高。由于該過程非常短暫（0.4秒左右），所以需被動打開的咽鼓管尚未打開，當壓差達到一定閾值，耳壓感產生。如何用試驗測量值評估耳壓感，國內外學者對此進行過相關的研究，主要因素（即目標參數）可歸納總結為以下幾類^[3]：壓力幅值，壓力變化率，瞬變壓力重復和作用的時間等。本文?將通過試驗與主觀評測結果，確定目標參數。

1.1?試驗內容

1.1.1 試驗設備

試驗設備主要由三部分組成：1.用于測量關門速度的關門速度傳感器，如圖（2a）。該傳感器布置在車門鎖扣處，主要用于測量車門在關閉前鎖扣處的瞬間線速度。2.壓力傳感器（兩個），如圖（2b）。試驗過程中該傳感器分別布置在主駕人耳側及泄壓閥附近，可監測乘員艙內整個關閉車門過程中壓力變化的數值。3.車門及泄壓閥開關監測儀，用以監測泄壓閥與車門的同步性^[4]。

1.1.2 數據采集

選取不同類型車輛，不同速度下測量乘員艙壓力，并全程記錄壓力數值變化曲線，該過程約2～3秒。

1.2 主觀評測

主觀評測是關門耳壓性能主觀評價的關鍵步驟，影響評價結果的有效性及合理性。主觀評測的方法主要有排序法、等級評分法、數值估計法、語義細分法和成對比較法。根據本試驗的具體情況，本文選擇簡單易行且效率高的等級評分法作為主觀評測方法。

1.3?參數確定

壓力隨時間變化曲線如圖（3）所示，此處將峰值壓力所對應的時間設為0，可便于多條曲線對比。關門信號顯示，在關門的瞬間，艙內壓力達到峰值。A，B，C為主觀評測時不同峰值壓力的測量值。

通過車輛在不同關門速度下的多次試驗，可以看出峰值壓力與主觀評測結果更趨一致如表（1）所示。故將峰值壓力作為目標參數。

2 兩腔模型計算

關門過程中乘員艙壓力變化的仿真分析，目前主要使用三維流體分析軟件完成^[5，6]。使用三維仿真分析的優勢在于計算結果直觀，能夠動態觀察流場及壓力場在空間分布的情況，同時能夠檢測空間中任意點的物理變化量。其不足在于，需要詳細的模型數據，而此類數據要在車輛開發后期才能提供。最主要的是此方法建模復雜，計算資源要求較高，較難滿足車輛開發前期的優化需求，而一維仿真分析方法^[7]可以克服上述不足。

2.1 模型建立

兩腔計算模型的建立是將影響乘員艙關門耳壓的主要因素抽象為幾個具體參數，以壓力為目標函數，通過物理方程建立其它參數與之聯系，最終得到壓力隨時間變化的規律。

以本計算為例，兩腔計算模型如圖（4）所示。其中車內空間劃分為V₁，V₂兩部分。V₁為乘員艙區域，V₂為泄壓閥附近且與乘員艙之間由內飾阻隔區域。且V₁與V₂之間有面積為A₁₂的孔相連通。由H與R組成的矩形面積為車門的簡化模型，開度為θ，高為H，半徑為R。V₂腔體與大氣聯通域的面積為A₂₂（泄壓閥）。關門過程中，氣體經V₁腔通過A₁₂進入V₂腔，并由泄壓閥（A₂₂）進入車外大氣環境。建立V₁與V₂兩腔體之間的聯通域，是因為在實車狀態下，泄壓閥與乘員艙之間通常會有內飾的阻隔，且該阻隔的等效聯通面積會影響乘員艙壓力的峰值。此外，兩腔模型的建立還可以拓展為內飾更為復雜的三腔甚至多腔模型。

2.1.1 兩腔模型

經推導，兩腔壓力的微分表達式如下：

其中，p為艙室壓力，ω（t）為關門角速度。

聯立（1），（2）兩式，可得艙室壓力。

2.1.2 泄壓閥建模

上述方程中A₂₂即為泄壓閥的等效泄漏面積，其值可由試驗測量結果確定。試驗結果為不同壓力對應的體積流量，通過方程（7）可以得到不同壓力對應的等效泄漏面積，公式如下：

其中，AF為體積流量。

據某款泄壓閥試驗數據，可得到不同壓力下的等效泄壓面積，如圖（5）所示。A₂₂的等效泄壓面積隨著壓力升高逐漸增大，當達到一定壓力后，該值保持不變。

2.2 試驗驗證與分析

2.2.1 內飾隔板對峰值壓力的影響

以某量產車型為例，乘員艙與泄壓閥之間的阻隔主要來自泄壓閥附近的開孔內飾隔板。試驗中分別保留及拆除該內飾隔板如圖（6），試驗工況為三個不同的關門速度1.5m/s、1.7m/s，2.0m/s。

記錄乘員艙壓力變化過程，并提取峰值壓力，結果如圖（7）所示。

圖（7）的試驗數據經整理，如表（2）所示。隨著關門速度的增大，有無隔板對乘員艙峰值的影響隨之增大。

2.2.2 兩腔計算與試驗結果比較

兩腔計算所需的參數如腔體的體積，門的面積和關門半徑以及聯通域面積等，可以通過數模獲取。車門初始的開啟角度對于計算結果影響較小，本例以300為初始角。泄壓閥等效面積可以通過試驗結果分段擬合。以1.5m/s工況為例，圖（8）是仿真與試驗壓力曲線的對比，乘員艙壓力變化過程曲線與試驗結果基本一致。

從表（3）可以看出，三種工況計算與試驗的峰值壓力結果誤差小于5%。

3 主要影響因素分析

根據方程（11），（12）可以看出，艙室容積、門面積以及關門速度的增大，壓力峰值將會增大;泄壓閥及兩腔聯通面積的增大，壓力峰值將會減小。工程設計中可優化的主要參數為關門速度，兩腔間的聯通面積以及泄壓閥的大小，本文將研究以上三個參數對艙室峰值壓力的影響。

3.1 關門速度的影響

根據試驗并結合仿真分析如圖（9）所示。該圖顯示關門速度在區間1.0～2.0m/s范圍內，峰值壓力與關門速度成正比，即隨著關門速度的增加，峰值壓力以25Pa/（0.1m/s）線性增加。因此，降低最小關門速度，是有效減小關門耳壓感的重要手段之一。

3.2 兩腔間聯通等效面積的影響

兩腔之間的等效面積（A₁₂）可以用來衡量泄壓閥與乘員艙之間的通路受內飾件影響的程度。本文以1.5m/s的關門速度為例，調整該參數，考察其對峰值壓力的影響。如圖（10）所示，聯通域等效面積越小，峰值壓力對面積的變化越敏感;聯通域等效面積達到一定值后，邊際效應出現，即增加聯通域等效面積將不會影響峰值壓力的變化，此刻對應工況為去除內飾隔板的壓力峰值。因此，優化設計兩腔間的等效面積，盡量避開峰值敏感范圍，可以有效的降低耳壓感。

3.3 泄壓閥的影響

泄壓閥的主要作用是平衡乘員艙內的壓力，其等效面積

將直接影響到乘員艙峰值壓力。本文將三種常用泄壓閥對艙內峰值壓力的影響進行對比，如圖（11）所示。在保證乘員艙與泄壓閥通道暢通的情況下，泄壓閥等效面積與乘員艙峰值壓力成反比。但泄壓閥的選用需要兼顧空調及NVH性能及成本的要求，平衡利弊，合理選用。

4 結論

本文通過主觀評測與客觀試驗數據分析相結合的方法，將乘員艙峰值壓力作為關門耳壓感評估的主要參數。采用兩腔計算的仿真分析方法，取代建模復雜，耗時長且精度低的三維計算。經試驗數據驗證，兩腔計算模型建模簡單，耗時短，精度高，適合車輛前期開發階段關門耳壓感性能的評估與優化。

在此基礎之上，對影響關門耳壓性能的主要因素進行分析，結果顯示：

（1）關門速度與峰值壓力成正比，速度每增加0.1m/s，壓力增加25Pa。降低最小關門速度是有效降低耳壓感的手段之一。

（2）乘員艙與泄壓閥之間的等效聯通面積影響泄壓閥的性能，該面積同時存在敏感區與邊際效應區。內飾的布置需留出相關區域，滿足艙內空調及關門耳壓性能需求。

（3）泄壓閥是艙內與外界壓力平衡的主要通道，其等效面積的大小與峰值壓力成反比。選用不同型號的泄壓閥，需考慮對空調及整車NVH的影響。

參考文獻

[1] 邵水金.人體解剖學[M].北京：中國中醫藥出版社，2016：507.

[2] 林鳳，陳春俊等.車內壓力波動對旅客舒適度影響的研究[J].中國測試，2014，40（2），125～129.

[3] 蘇曉峰，程建峰，韓增盛.高速列車氣密性研究綜述[J].鐵道車輛， 2004，42（5），16～19.

[4] 相龍洋，何融，顧彥，關鵬，康飛.電動小車關門耳壓感研究及優化[J].上海汽車，2019，11，18～22.

[5] Y.L. Lee and S.H. Hwang. Flow characteristics in a cabin during door closure[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part D： Journal of Automobile Engineering， 2011.

[6] Sheng Li and Cunfu Chen. Numerical Simulation Research on Pres -sure during Door Closure of Commercial Vehicle [J]. SAE，2017， vol（10），453～ 459.

[7] 高云凱，高大威，余海燕.基于Excel平臺的車門氣壓阻效應計算軟件的開發研究[J].汽車技術，2009（09）： 6-9.