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整车风噪声性能的声学风洞试验分析
2020-08-28 00:25:00· 来源：汽车CFD技术之家 作者：蔺磊，顾彦，潘雷，关鹏
摘 要：结合车辆风噪声机理和整车声学风洞试验实例，分析了玻璃隔声、整车密封、偏航对整车风噪声的影响，以及不同速度下的车辆风噪声频谱特征与整车道路风噪声
摘 要：结合车辆风噪声机理和整车声学风洞试验实例，分析了玻璃隔声、整车密封、偏航对整车风噪声的影响，以及不同速度下的车辆风噪声频谱特征与整车道路风噪声之间的关联。试验表明，整车声学风洞试验对于整车风噪声性能的评估和优化有着重要意义。
车辆在高速行驶时，风噪声会成为车内噪声的主要噪声源，严重影响乘客的驾乘感受。即使车内存在轻微的漏风声，也会降低乘客的乘坐舒适性[1]。风噪声来源于高速气流的不稳定性，在给定的条件下，风噪声一般具有统计规律性而并不具有动力学规律性。也就是说，风激励产生的车内噪声是随机信号，更容易引起乘客不适，所以需要尽量降低车内风噪声水平，以满足乘客需求。
近年来，国内风噪声的仿真分析和试验技术不断得到突破，尤其是风洞风噪声试验的应用推广，极大地推动了车辆风噪声的评价分析和优化工作[2]。在风洞试验中，可以排除发动机噪声和轮胎/路面噪声的影响，独立考察风噪声，并且消除风速、风向等环境变化造成的试验结果不稳定性[3]。
本文通过声学风洞试验，实例分析了试验方法、量化指标和分析方法，确定了玻璃隔声、整车密封、风速、偏航角对整车风噪声的影响，以及相应的设计优化。
1 整车风噪声性能的主要影响因素
整车风噪声按照不同角度有不同的分类方法，如按声源类型，可分为单极子源、偶极子源、四极子源；按系统开发，可分为后视镜、门系统、A柱、天窗等；按控制手段，可分为气吸噪声、空腔噪声、脉动噪声、辐射噪声等。下文将按照控制手段并结合其它方面分别进行讨论。
1.1 气吸噪声
汽车门窗等各种开闭件主要依靠密封条、导槽及各类装饰件来实现车内空腔与车外空间的隔绝。如果静态密封或动态密封不良，存在缝隙，当车辆行驶时，车内外的空气可以通过缝隙进出，从而产生气吸噪声。气吸噪声可以同时包括单极子源、偶极子源和四极子源，由于通常情况下车辆行驶速度的马赫数较低（140kPh时约0.1马赫数），此时单极子源的辐射效率远高于偶极子源和四极子源，所以气吸噪声以单极子源为主。
同时，整车风噪声内存在的单极子源也主要以气吸噪声为主，考虑到单极子源的辐射效率，且局部区域的泄露往往存在明显的指向性和频率凸出特性，所以整车风噪声的控制要特别关注气吸噪声的产生区域和优化方案，如门密封条、玻璃导槽、水切等。
1.2 表面空腔噪声
汽车外表面存在多处不连续之处，外流场在流经这些不连续表面时，会产生分离，在此区域内循环流动形成涡旋，并产生强烈的压力脉动和辐射噪声。控制表面不连续引起的空腔对应的高度、宽度、深度，以及设计逐渐倾斜或椭圆的腔壁，均可降低空腔噪声。
在整车密封系统的外表面同时存在空腔，其附近区域的气体压力脉动会推动挤压密封系统并向车内辐射噪声。由于该辐射噪声与经常存在于整车密封系统内的气吸噪声同在，所以采用各类辅助密封措施，在过渡车辆表面不连续处增加密封系统的气密性和隔声性能，也可以有效降低空腔噪声。
1.3 外场脉动噪声
外流场在流经车辆外表面和凸出部件时，如在发动机盖前端、轮罩、前挡风玻璃底座、外后视镜、A柱区域等处，会产生气流的分离，引起流体的非定常压力脉动。这些压力脉动主要以涡旋和湍流的形式存在，当其与车辆外表面互相作用时，会向车内辐射噪声。
由于玻璃和密封件的隔声相对较弱，A柱区域和前挡区域附近的外流场通常是外造型的重点关注和优化区域。
1.4 辐射噪声
由于空气存在粘性，外流场存在的涡旋和湍流也会以四极子源的形式直接向远场和车内辐射噪声。考虑到低马赫数下四极子源的辐射效率远低于单极子源和偶极子源，所以四极子源对车内声压级的贡献度较低。
2 汽车风噪声性能的声学风洞试验流程
随着国内整车声学风洞测试技术和规范的发展，在整车设计开发过程中，其风洞风噪声性能已成为独立的考核指标。一方面要求声学风洞测试能够客观地评估整车风噪声性能，另一方面要求可以深入查找分析整车风噪声性能的薄弱点，并提出优化改进方向。
2.1 声学风洞
声学风洞同时需要满足高流场品质和低背景噪声的要求。在试验段，流场湍流强度应低于0.2%，速度稳定性小于0.5%，轴向静压梯度、总压均匀性、动压和静压均匀性、气流平均俯仰角和平均横摆角等各项流场指标也需要满足相应要求。同时，声学风洞内还需要做一系列的声学处理。在测量段，需要处理成半消声室以满足半自由声场的要求，且要求在其两侧有足够的空间以适配远场声学测量。为了满足低背景噪声要求，还需要对风机噪声、流道气动噪声以及地面模拟系统引起的气动噪声进行有效控制。此外，风洞内还应能保持试验温度、湿度等环境参数的稳定。
由于风洞中存在低频颤振声、风机功率与噪声高等系列问题，且需同时具备高品质气动特性，所以声学风洞的设计具有较高技术难度[4]。国内近几年落成的SAWTC风洞是一种3/4开口回流式气动声学风洞，常用于汽车气动噪声的试验研究，流场品质优异，背景噪声低。
2.2 测点位置和工况选择
车内风噪声测试，可以选取人工头或者传声器采集噪声，一般布置在目标乘客的头部位置。测试时，整车按照空气流线方向摆放，固定布置在测试段的平衡台上。风洞试验中，一般选取稳定风速。由于国内高速道路限速要求，建议选取120km/h为典型基准工况。整车风洞示意图如图1所示。
通过转动平衡台，可以改变风向（来流与整车中线的相对角度），可以测试横风/偏航角的影响。偏航角为正角度时，一般表示在转盘内顺时针转动，使主驾驶位迎风，副驾驶位背风。风速为120km/h，角度为±10°时，相当于存在4级横风（约5.7 m/s）。
为了全面评估整车的风噪声性能，并查找薄弱点，寻找优化方向，通常会对车辆进行密封处理或更换不同部件，测量车内外的声学响应变化，以分析其影响。
2.3 客观评估
在整车NVH开发过程中，通常采用A计权声压级，语音清晰度AI和响度等客观指标来评估整车车内风噪声。此外，如果是由局部密封或部件更换引起的整车车内风噪声变化，通常集中在500Hz以上，A计权声压级等参数往往很难反映具体设计细节之间的差别，如图2所示，所以在风噪声性能优化过程中，需要关注整个窄带谱上各个峰值的变化。
3 车辆风洞风噪声性能的试验分析
风洞风噪声试验可以用来客观评估车辆的风噪声水平，确认主要风噪声源并通过“消去法”或“开窗法”查找薄弱环节，从而指导设计。以下分别讨论整车密封系统、玻璃隔声、风速以及偏航角对整车风噪声的影响。
3.1 车辆密封系统对车内风噪声的影响
通过采用胶带等辅助密封方式，来增加整车的密封性能，可以查找分析整车密封系统对车内风噪声的影响。如图3所示，采用胶带密封，会同时抹平车身表面的一些缝隙和沟槽，此时试验所得的密封系统贡献量也包含了气吸噪声和表面空腔噪声的影响。
图4为某车整车车身密封前后，车内噪声在500Hz以上的中高频段下降了6dB 以上。由此可见，气吸噪声和空腔噪声对风噪声的贡献量起到决定性的作用。而这两部分问题的解决都需要整车密封系统的优化，是整车风噪声设计的首要问题。
3.2 玻璃隔声对车内风噪声的影响
试验过程中，可以通过增加EVA等隔声材料提高玻璃的隔声性能，以此来分析玻璃隔声对车内风噪声的影响。由于整车密封对整车风噪声的贡献量更大，所以在测试玻璃隔声对车内风噪声的贡献量时，需要同时对整车密封进行处理，以突显玻璃隔声的影响。玻璃的隔声处理如图5所示。
试验结果表明，玻璃透声主要影响到车内中高频的噪声，尤其是在玻璃吻合频率内。通过外造型优化或采用夹层阻尼玻璃可以有效降低该频率风噪声的贡献量。玻璃隔声处理对整车车内风噪声的影响如图6所示。
3.3 风速对车内风噪声的影响
如图7所示，随着风速提高，尤其在中低频段，车内风噪声各频率段的声压级会逐渐增加，但频谱峰值基本保持不变。这是由于风激励来自于非稳态高速气流，是随机信号；车内风噪声的频谱峰值主要来源于车身结构和车内空腔的频率响应，这些频率响应的峰值可通过车身模态试验逐一进行识别分析。
3.4 偏航角对车内风噪声的影响
车辆在实际行驶过程中，由于行驶方向和自然风向的变化导致外流场的偏航角不断发生变化。这一变化会对整车外流场产生影响，从而影响到车辆的动态密封性能和车内风噪声。在整车风噪声的声学风洞试验中，可以测试不同工况下，不同偏航角对车内风噪声的影响。偏航+10°的整车风洞风噪声测试如图8所示。
如图9所示，当风向存在偏航角时，车内风噪声会增大，尤其在背风侧位置，2 500Hz以上的中高频增大3dB左右。这是由于背风侧存在明显气流分离，导致后视镜区域形成一个风噪声强度较大的区域。同时，在背风侧的车门受到更大的内外压差，车门系统发生更大的形变，还会进一步引起门窗系统的动态密封问题。
4 总结
通过整车声学风洞试验，可以分析整车外造型、玻璃隔声与整车密封等因素对车内风噪声性能的影响，并进一步查找薄弱点，分析局部泄露和凸出部件对风噪声的影响，确认优化方向。试验表明，整车声学风洞试验对于整车风噪声性能的评估优化有着重要意义。
作者：蔺磊，顾彦，潘雷，关鹏
上海汽车集团股份有限公司 技术中心
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