汽車車內(nèi)氣動噪聲客觀評價分析?

賀銀芝，盧春陽，吳 宇，楊志剛

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

前言

轎車高速行駛時，產(chǎn)生的空氣動力噪聲(風(fēng)噪聲)是影響車內(nèi)聲環(huán)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(huán)境造成噪聲污染。由于氣動噪聲的理論研究與實際應(yīng)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(xué)風(fēng)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(xué)風(fēng)洞氣動噪聲試驗，設(shè)定典型工況，應(yīng)用不同的方法對車內(nèi)氣動噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與評價。

對車內(nèi)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(tǒng)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(xué)的噪聲聲品質(zhì)評價方法得到了較快的發(fā)展和應(yīng)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?nèi)氣動噪聲的特點，本文中分別采用A計權(quán)聲壓級、響度(Loudness)和語音清晰度AI，對車內(nèi)噪聲進(jìn)行對比分析與評價。

本文中首先簡單介紹了氣動噪聲產(chǎn)生機理及其向車內(nèi)的傳遞，然后通過整車氣動聲學(xué)風(fēng)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(nèi)氣動噪聲的變化規(guī)律，并對后視鏡密封和雨刮器對車內(nèi)氣動噪聲的貢獻(xiàn)進(jìn)行了研究。

1 氣動噪聲產(chǎn)生機理及其向車內(nèi)的傳遞

車內(nèi)感受到的風(fēng)噪通?？梢苑殖蓛纱箢?。一種是車身表面的非定常壓力脈動產(chǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)傳入車內(nèi)。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(nèi)[3]。其問題主要來源于車身設(shè)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(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 試驗方法與測試系統(tǒng)

2.1 試驗平臺

試驗在同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心整車氣動聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞是3/4開口回流式風(fēng)洞，噴口面積為27m2，試驗最大風(fēng)速可達(dá)250km/h。在160km/h風(fēng)速下，背景噪聲低于61dB(A)，是國際同類風(fēng)洞中最安靜的風(fēng)洞之一[3]。測試時將試驗車固定在風(fēng)洞駐室試驗段天平轉(zhuǎn)盤的中心位置。

2.2 測試系統(tǒng)

測試采用德國HEAD acoustics公司噪聲與振動測量及分析系統(tǒng)。試驗中由HMS III數(shù)字人工頭接收到的雙耳信號，經(jīng)多通道數(shù)采前端SQlabIII，利用雙耳信號采集軟件HEAD Recorder，將信號采集并導(dǎo)入到Artemis分析軟件進(jìn)行處理。試驗中人工頭置于主駕駛位，測試信號線經(jīng)過后排座椅由行李箱引入風(fēng)洞天平轉(zhuǎn)盤內(nèi)的接口盒，再經(jīng)由天平基座接入測控室的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。

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(xiàn)量大小。先將整個試驗車的外表面零部件結(jié)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(guān)閉，使車內(nèi)噪聲水平處于最“安靜”的狀態(tài)。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(nèi)噪聲測試結(jié)果確定后視鏡密封部位的密封效果對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量的相對大小。然后通過比較雨刮拆除前后的車內(nèi)噪聲測試結(jié)果確定雨刮器的造型因素帶來的外形噪聲的貢獻(xiàn)量。

2.4 試驗工況與流程

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

工況1:試驗車處于基準(zhǔn)狀態(tài)，偏航角為零時，試驗風(fēng)速分別為 100，120，140，160 和 180km/h，然后固定試驗風(fēng)速140km/h，設(shè)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(jié)合縫隙及溝槽處均用密封膠帶密封，即整車全密封狀態(tài)，試驗風(fēng)速140km/h，偏航角為零。

工況3:應(yīng)用“開窗法”在工況2全密封的基礎(chǔ)上去除左側(cè)后視鏡密封處的膠帶(圖1)。

工況4:在工況2全密封的基礎(chǔ)上，拆除雨刮器(圖2)。

試驗過程中風(fēng)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(fù)值時，主駕駛位背風(fēng)，其附近車身表面的氣流分離比迎風(fēng)時更嚴(yán)重，會帶來側(cè)窗表面上更強烈的壓力脈動[6]。因此背風(fēng)時車內(nèi)噪聲水平對偏航角的變化更為敏感，也是工程上更為關(guān)注的情況。

圖1 去除試驗車左側(cè)后視鏡密封膠帶

圖2 拆除試驗車雨刮器

3 噪聲聲品質(zhì)客觀評價分析方法

左側(cè)后視鏡密封的貢獻(xiàn)量可由工況3減去工況2獲得。雨刮的貢獻(xiàn)量由工況4減去工況2得到。在基于心理聲學(xué)參數(shù)對車內(nèi)聲品質(zhì)進(jìn)行評價的參量中，只有響度得到廣泛的研究和認(rèn)可，并制訂了ISO標(biāo)準(zhǔn)。在下文中分別采用3種不同的參量對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，即A計權(quán)聲壓級、響度和語音清晰度。

3.1 A計權(quán)聲壓級

A計權(quán)聲壓級是指對測試的線性聲壓級應(yīng)用A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修正后得到的結(jié)果，單位為dB(A)。A計權(quán)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(xiàn)頻率計權(quán)。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(yīng)用于噪聲測量中，是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和許多國家評價噪聲的常用指標(biāo)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(yīng)，比A計權(quán)聲壓級更能準(zhǔn)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(jié)果均被納入國際標(biāo)準(zhǔn)ISO532:1975[9]中。標(biāo)準(zhǔn)中提供了基于心理聲學(xué)試驗方法得到的兩種穩(wěn)態(tài)噪聲響度計算方法，方法A主要參考Stevens等人的研究結(jié)論，以倍頻帶為分析帶寬，適用于擴(kuò)散場的穩(wěn)態(tài)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(yīng)做出修正，適用于自由場、擴(kuò)散場的穩(wěn)態(tài)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(shù)是指語言經(jīng)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?jǐn)?shù)描述了在噪聲環(huán)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(nèi)的成分對語言交談有重要影響。當(dāng)噪聲在語音區(qū)域上限與下限之間時，對于每個頻帶的清晰度百分?jǐn)?shù)進(jìn)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(nèi)聲品質(zhì)越好。

4 噪聲測試結(jié)果分析與評價

4.1 車內(nèi)噪聲的速度特性分析

圖3 基準(zhǔn)工況，0°偏航角，不同風(fēng)速下主駕駛位人工頭外耳聲壓譜

這里速度特性指車內(nèi)風(fēng)噪水平與風(fēng)速的關(guān)系。圖3為基準(zhǔn)工況下，偏航角為0°，不同風(fēng)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(nèi)，不同風(fēng)速下，車內(nèi)噪聲的頻譜特征相似，聲壓級隨著風(fēng)速的增加而不斷升高，但隨著頻率升高而下降。

圖4為基準(zhǔn)工況下，0°偏航角時，隨著風(fēng)速提高，駕駛位人工頭外耳A計權(quán)總聲壓級(OASPL)的變化趨勢?？梢钥闯?，隨風(fēng)速的提高，車內(nèi)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(guān)系數(shù)R2＝0.9931，說明此線性擬合的相關(guān)度很高。

圖4 基準(zhǔn)工況，0°偏航角，車內(nèi)A計權(quán)總聲壓級隨風(fēng)速的變化

圖5 和圖6分別為基準(zhǔn)工況，0°偏航角，主駕駛位外耳處響度和語音清晰度隨風(fēng)速的變化?？梢钥闯?，隨著風(fēng)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(fēng)噪水平都大體上隨風(fēng)速線性變化，且擬合出的線性度都很高。其中響度的相關(guān)系數(shù)R2比A計權(quán)聲壓級和語音清晰度的R2略高，說明車內(nèi)響度大小隨風(fēng)速變化的線性度最好。

圖5 基準(zhǔn)工況，0°偏航角，主駕駛位外耳處響度隨風(fēng)速的變化

4.2 不同偏航角對車內(nèi)噪聲的影響

當(dāng)設(shè)置一定偏航角時，可以研究車內(nèi)噪聲水平受側(cè)風(fēng)的影響程度。圖 7為基準(zhǔn)工況，風(fēng)速為140km/h時，不同偏航角下車內(nèi)噪聲1/3倍頻程頻譜。由圖可見，在有負(fù)偏航角的情況下，其車內(nèi)聲壓級水平幾乎在整個頻段都比0°偏航角時大，且車內(nèi)噪聲水平在整個頻段內(nèi)都隨著偏航角的增加而增大，但不同偏航角下車內(nèi)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(quán)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(zhǔn)工況，0°偏航角，主駕駛位外耳處語音清晰度隨風(fēng)速的變化

圖7 基準(zhǔn)狀態(tài)，風(fēng)速為140km/h時，不同偏航角車內(nèi)駕駛位人工頭外耳處1/3倍頻程頻譜

圖8 基準(zhǔn)狀態(tài)，風(fēng)速為140km/h時，車內(nèi)駕駛位人工頭外耳處A計權(quán)總聲壓級隨偏航角而變化的曲線

4.3 后視鏡密封對車內(nèi)噪聲的影響

圖11 為風(fēng)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(quán)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(nèi)噪聲聲壓級主要在0.5-2kHz有所增高，該頻段內(nèi)平均聲壓級增高約0.62dB(A)。這說明該后視鏡與密封相關(guān)的結(jié)構(gòu)部分風(fēng)噪設(shè)計較好。

分別采用3種評價方法分析后視鏡密封對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，采用A計權(quán)聲壓級分析時，去除左側(cè)后視鏡密封，主駕駛外耳處的A計權(quán)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(shù)值上看，在對后視鏡密封的貢獻(xiàn)量進(jìn)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(nèi)噪聲的影響，響度次之，A計權(quán)聲壓級靈敏度最弱。

圖9 基準(zhǔn)狀態(tài)，風(fēng)速為140km/h時，車內(nèi)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(zhǔn)狀態(tài)，風(fēng)速為140km/h時，車內(nèi)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(cè)后視鏡密封與不密封條件下，主駕駛外耳處A計權(quán)聲壓級頻譜比較

表1 左側(cè)后視鏡密封貢獻(xiàn)量分析(主駕駛外耳)

4.4 雨刮器對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量

圖12為風(fēng)速140km/h，0°偏航角時，工況4與工況2條件下，主駕駛位置內(nèi)耳處的A計權(quán)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(nèi)噪聲主要在3 000-6 300Hz的較高頻段內(nèi)有所降低，該頻段內(nèi)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(xiàn)量較小，說明該雨刮器的風(fēng)噪性能設(shè)計較好。

圖12 雨刮器拆除前后，主駕駛內(nèi)耳處A計權(quán)聲壓級頻譜比較

表2 雨刮器貢獻(xiàn)量分析(主駕駛位內(nèi)耳)

分別采用3種評價方法分析工況4與工況2，得到的結(jié)果見表2?？梢钥闯?，采用A計權(quán)聲壓級分析時，拆除兩個雨刮器后，主駕駛內(nèi)耳位置處的A計權(quán)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)時，AI從 69.80%增加到70.30%，增加了0.5個百分點?？梢钥闯觯趯τ旯纹鞯呢暙I(xiàn)量進(jìn)行分析時，A計權(quán)聲壓級和響度有一定的局限性，采用主駕駛內(nèi)耳處的AI可更好地反映出雨刮的造型因素對車內(nèi)噪聲的影響。

5 結(jié)論

通過對某轎車進(jìn)行整車氣動聲學(xué)風(fēng)洞試驗，針對車內(nèi)氣動噪聲試驗數(shù)據(jù)，分別采用A計權(quán)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(nèi)氣動噪聲的特征表現(xiàn)和典型氣動噪聲源的貢獻(xiàn)量大小，獲得以下主要結(jié)論。

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

(2)同樣風(fēng)速下，車內(nèi)氣動噪聲的頻譜特征隨偏航角的變化而發(fā)生較大變化。主駕駛位背風(fēng)時，隨著偏航角增大，車內(nèi)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(jié)果隨偏航角變化的線性度均不高。

(3)后視鏡密封對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)主要在0.5-3kHz中高頻段。140km/h風(fēng)速時，在整車密封前提下，去除左側(cè)后視鏡密封后，主駕駛外耳處A計權(quán)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(xiàn)量進(jìn)行分析時，語音清晰度比A計權(quán)聲壓級和響度更靈敏，可更好地反映出后視鏡密封對車內(nèi)噪聲的影響。

(4)雨刮器對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)主要在3-6.3kHz的高頻段。在140km/h風(fēng)速時，在整車密封前提下，拆除雨刮后，主駕駛內(nèi)耳處A計權(quán)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。可以看出，從數(shù)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(quán)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(nèi)氣動噪聲的評價一般應(yīng)根據(jù)頻譜特征采用多個參數(shù)進(jìn)行綜合比較分析。