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用于汽车车内风噪评价的频谱光顺度研究
2020-12-07 11:45:44· 来源：AUTO行家
现有评价汽车车内风噪的指标仅能反映各个频率成分的宏观计权，缺乏对频谱局部问题的判断，加以完善。通过分析２３辆不同量产汽车的风洞试验数据，证明车型等级与
现有评价汽车车内风噪的指标仅能反映各个频率成分的宏观计权，缺乏对频谱局部问题的判断，加以完善。通过分析２３辆不同量产汽车的风洞试验数据，证明车型等级与车内风噪性能呈正相关，并总结较优样本的频谱规律。频谱中高频段较窄范围内不光顺现象产生的主要原因是泄漏噪声，应尽量避免。提出将作移动平均后的频谱与原始频谱差值进行累加得到频谱不光顺程度量化指标的方法。结果表明，频谱光顺度与车内风噪性能密切相关，对泄漏噪声尤为敏感，可用于车内风噪水平的评价。
关键词：风噪；评价方法；频谱分析；泄漏噪声
作者：沈哲，王毅刚，杨志刚，贺银芝，彭里奇
单位： 同济大学机械工程博士后流动站， 同济大学上海地面交通工具风洞中心， 上海市地面交通工具空气动力与热环境模拟重点实验室， 北京民用飞机技术研究中心
来源：知网
汽车车内风噪水平影响车内乘客的舒适性和行车安全性，是当前汽车行业重点关注的一项性能指标。研究汽车风噪最有效的手段是风洞试验，通过测试数据快速准确地评价车内风噪性能是当前汽车风噪开发中的关键问题之一。
评价声的优劣应当以人的主观感受为最终衡量标准，但人的主观感受差异大且量化困难［１］，现阶段评价噪声性能的优劣仍以客观参量为主。其中，Ａ计权总声压级是最常用的声学参数指标；随着心理声学发展，响度、语音清晰度等对异常噪声更敏感的心理声学参数［２］也被汽车工程界普遍认可［３］。车内风噪声源分布和传递路径均极为复杂，因此其频谱构成也非常复杂［４］。上述单值参量能给出声信号按频谱记权后的幅值大小，但对车内噪声评价时仍有较明显的不足［５］：
（１）没有考虑频谱各个成分之间的关系，如量值相等的两个信号给人的主观感受可能差别很大；
（２）对幅值较低的频率成分容易忽略其贡献，如车内风噪高频段幅值整体较低，有局部峰值对总值影响很小，但实际人耳主观感受非常明显，应当予以考虑。
针对车内风噪的评价参数问题，本文中以实际量产车的风洞试验数据为样本，关注声信号频谱的光顺性，分析频谱上毛刺、凸起等不平顺点产生的原因，研究频谱光顺程度客观参量化方法。本文研究成果可用于车内风噪评价的工程应用，提高风噪评价准确度和整车风噪开发效率。
1、汽车风噪样本
1.1 测试介绍
本文中测试均在同济大学上海地面交通工具风洞中心的整车气动声学风洞中完成。该风洞是３／４开口回流风洞，喷口面积２７ｍ２，最高试验风速２５０ｋｍ／ｈ，试验段自由场空间的低频截止频率为５０Ｈｚ，背景噪声水平在１６０ｋｍ／ｈ风速下低于６１ｄＢ（Ａ）。测试设备使用的是ＨＥＡＤａｃｏｕｓｔｉｃ公司的噪声测量分析系统，包括ＨＭＳＩＩＩ型数字人工头、ＨｅａｄＬａｂ多通道数采前端和ＨｅａｄＲｅｃｏｒｄ采集软件。测试时人工头启用２２Ｈｚ高通滤波器，采样频率为４８ｋＨｚ，采样时间为１０ｓ。试验测点位置、测试工况（风速、偏航角）较多，为保证数据的一致可比性，本文中给出的结果均为试验风速保持１２０ｋｍ／ｈ、０°偏航角时，主驾驶人工头外耳测点的结果。后期进行数据分析处理使用ＡｒｔｅｍｉｓＳｕｉｔｅ分析软件，包含心理声学参数计算模块。
1.2 风噪样本分级
以２３辆乘用车的风洞实测数据作为样本对象。样车均为近年在国内上市的量产车型，包括多种尺寸的三厢轿车、两厢轿车、运动型多用途车（ＳＵＶ），低配车型市场指导价范围为８～８０万元，涵盖范围较广。所有车辆性能良好、风噪水平可视为出厂状态。
由于样车尺寸、类型众多，直接横向比较风噪水平，较为困难。不同市场定位的车型由于开发目标、制造成本等原因，各方面性能包括风噪水平之间有一定差距。参考品牌和市场定位，按价格区间将２３辆样车分为经济型（１５万元以下）、舒适型（１５～２５万元）、豪华型（２５万元以上）。３个级别车型的风噪性能参数的平均值如表１所示。
由表１可见，３个不同级别样车的声压级、响度和语言清晰度有明显的级差，车型定位越高，总声压级和响度越小且语言清晰度越高。因此，可认为整车风噪性能与车型定位高低呈正相关。
2、车内风噪与频谱光顺关系
2.1 车型等级与频谱光顺
为观察不同级别车型的车内频谱特性，每个级别选取一辆具有代表性的样车，给出Ａ计权声压谱，如图１所示。
图１ ３辆不同等级样车车内风噪频谱
由图１可观察到，不同风噪水平等级的样车除声压级大小的区别之外，谱线的光顺程度也差距明显：风噪性能最差的Ａ１曲线平顺性最差，在１０００Ｈｚ附近有几个明显的尖峰，６０００Ｈｚ以上有频谱的毛刺非常明显；整体风噪性能最优的样车Ｃ１的频谱曲线非常光顺，在１２００Ｈｚ以上几乎无明显的凸起或毛刺；而风噪水平处于两者之间的Ｂ１频谱光顺度也处于两者之间。综上可得以下假设：车型风噪性能越佳的车型频谱曲线越光顺，之后将对此假设进行进一步的研究。
2.2 泄漏噪声与频谱光顺关系
从２.１节可知，频谱的光顺程度和风噪性能是密切相关的，而引起频谱曲线不光顺的主要原因分为如下两大类：
（１）中低频内某些频率段幅值较大主要是由汽车外形凹凸不平引起，如Ａ柱、后视镜等部件或前后风挡与车身连接处的形变等，此类问题与车身造型密切相关，在实车上改善较为困难；
（２）中频以上频谱的凸起、毛刺基本都由车身密封系统中局部密封不佳引起的气吸噪声［６］，此类问题可通过改进实车的密封状态进行改善。
研究汽车泄漏噪声对车内风噪频谱的影响，可用布基胶带进行全车密封，比较密封前后频谱的差别。图２为经济型样车Ａ２的车内风噪频谱，可观察到，通过胶带密封之后，车内风噪声压级频谱从３００Ｈｚ起均有不同程度的下降，中高频原本相对凸起的频率段下降较多，例如８５００Ｈｚ附近一个峰值下降尤为明显。
图２ 经济型样车Ａ２车身密封前后频谱
通过加强密封、降低泄漏噪声可显著提高车内 风噪频谱的光顺程度，说明频谱在中高频的不光顺 与泄露噪声密切相关。
3、频谱不光顺度量化
3.1 计算方法
直接量化频谱的光顺程度较为困难，用频谱的不光顺程度来表示更为直接。本文中定义频谱不光顺度Ｒ用以度量频谱曲线的光顺程度，Ｒ越大，则频谱的光顺性越差，其具体量化方法如下。
首先将原始的频谱曲线进行光顺化，在此采用较为直接的方法，对频谱作连续移动平均，获得曲线即为光顺化后的曲线，计算方法如式（１）所示。
式中：ｐｎ为第ｎ个频率点的原始声压值；ｐａｎ为光顺化后的声压值；Ｎａ为求平均值的数据点数，是需要确定的重要参数。
然后计算每个频率点ｎ光顺化前后的差值：
考虑到任意宽频信号作傅里叶变换过程中由于 数值离散化的原因，频谱总是略有一定程度的高低 起伏，为排除此部分的影响，需设定一个阈值Ｙ，当 差值Δｐｎ大于此阈值才认为此频率点是非光顺点， 得到有效差值Δｐｎ′
最后计算选定频率范围内的频谱不平滑度Ｒ：
式中：ｎｓ为选定频率范围的起始点序号；ｎｅ为选定频率范围的终止点序号。
3.2 计算参数
用上述方法，计算全部２３辆样车的频谱不光顺 度Ｒ，选取的参数如下。
（１）初始的频谱曲线为：对４８ｋＨｚ采样频率的 时域信号作快速傅里叶变换（ＦＦＴ）并作Ａ计权，分块数（Ｂｌｏｃｋ Ｓｉｚｅ）Ｎｆｆｔ＝４０９６，得到的２０４７个频率点上的声压级值，起始频率和频率间隔均为１１.７Ｈｚ。
（２）移动平均点数Ｎａ：该参数取值过小时频谱 平滑度不够、取值过大频谱失真严重［７］，为取得较好的结果，本文中经过反复调试，取Ｎａ ＝２５７，即每个频率点前后各取１２８个点进行平顺化。
（３）有效阈值Ｙ：为避免计入傅里叶变换产生的 数值毛刺计入设定的值，本文中取１，即光顺化后的值与原始值相差１ｄＢ以上才认为有效。
（４）计算频率范围：本文重点是泄漏噪声引起 的频谱不光顺，因此主要考虑中高频段，且移动平均取点需要，频率起始值选择１５００Ｈｚ，综合人耳的可听范围阈值上限，最终选择的频率范围为１５００～１６０００Ｈｚ，对应的ｎｓ＝１２８、ｎｅ＝１３６６。
3.3 结果分析
按照３.２节条件，２３辆样车计算得到频谱不光 顺度Ｒ值的区间范围为０.０９７～０.２１９，本节将分析 其与车内风噪水平的关系。
首先，给出３种级别车型的频谱不光顺度均值 Ｒ，观察其整体趋势，如图３所示。
图３ ３种车型级别的频谱不光顺度
从图３可观察到，车型级别越高，频谱不光顺度 越低，说明频谱不光顺度与声压级等参数一致，能整 体上反映车内风噪水平的优劣。
然后，从样本个体角度研究频谱不光顺度与车 内风噪的关系。由于除了声压级等单参数声学指 标，缺乏评价风噪性能的客观指标，图４给出车价与 频谱不光顺度之间的关系。结果可见不光顺度与车 价呈一定的负相关，即整体上车价越高则不光顺度 越小，与按等级分类后的结果一致。尤其是价格集 中在低价位段的经济型样车，频谱不光顺度也集中 在较大值区域。通过上述分析，说明车价虽然不能 准确代表车内风噪水平，但从之前按车辆等级分析 的结果，整体上车价与风噪之间的关系是符合“价高 质优”这一趋势的。
图４ 车型价格与频谱不光顺度关系
最后，对代表车型的具体频谱进行分析。选取 的样本车型为图４中所标示的舒适型Ｂ２样车和豪 华型Ｃ２样车，选取这两辆样车的原因是这两个点在 图中是离拟合直线最远的，即背离“价高质优”最为 明显的。图５和图６分别是Ｂ２、Ｃ２样车光顺化前后 的频谱曲线。
图５ 舒适型Ｂ２样车频谱
图６ 豪华型Ｃ２样车频谱
从图５中可见Ｂ２样车是典型的“价低质优”， 其频谱曲线在展示的中高频相当光顺，光顺化后的 曲线与原始曲线贴合得非常好，频谱不光顺度较低 （Ｒ＝０.１１）。
从图６中可见，Ｃ２则反映出“价高质低”，其频 谱曲线在中高频光顺程度较差，尤其在８ｋＨｚ附近 频谱有一块明显的凸起，与光顺后的频谱曲线差异 明显，在此处应当有较为明显的泄漏噪声。说明其 相对较高的频谱不光顺度（Ｒ＝０.１８４）也是真实频谱 的反映。
通过以上计算分析，证明频谱不光顺度Ｒ能直 接反映原始频谱的光顺程度，以此反映由泄漏噪声 等原因产生的频谱尖峰等问题，最终与车辆的车内 风噪水平等级相符。
4、结论
本文中以实车风洞测试数据为基础，将车辆分 级，研究频谱不平顺性与车内风噪性能的关系，给出 一种将频谱光顺度量化的方法，并得到以下结论：
（１）对于一般单值参数权重较少的高频部分， 频谱不光顺度对局部峰值的辨识较为灵敏；
（２）中高频段，频谱不光顺与泄漏噪声密切相 关，频谱不光顺度很好地反映泄漏噪声的严重程度；
（３）计算频谱不光顺度参数取值，如移动平均 点数Ｎａ、有效阈值Ｙ等，可在提高样本数的前提下 进一步优化；
（４）频谱不光顺度虽能弥补传统单值参数对局 部频率细节不敏感的劣势，但不能反映总噪声能量 大小，后续研究宜采用主观评价方法与声压级等能 够反映声大小的参数联合使用，构建更为精细合理 的风噪声品质评价体系。
参考文献
［１］ 王登峰，刘宗巍，梁杰，等．车内噪声品质的主观评价试验与客观量化描述［Ｊ］．吉林大学学报（工学版），２００６，３６（Ｓ２）：４１－４５.
［２］ ＯＴＴＯＮ．Ａｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｓｔａｒｔｅｒ ｓｏｕｎｄｓ［Ｊ］．ＮｏｉｓｅＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，１９９３，４１：３７７－３８２．
［３］ 张伟，蒋伟康．基于心理声学分析的车内异常噪声辨识［Ｊ］．汽车工程，２００３，２５（６）：６０３－６０５．
［４］ ＧＲＡＦＡ，ＬＥＰＬＥＹＤ，ＳＥＮＴＨＯＯＲＡＮＳ．Ａｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌａｐ.ｐｒｏａｃｈｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｉｎｔｅｒｉｏｒｎｏｉｓｅｆｒｏｍｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｗｉｎｄｎｏｉｓｅｓｏｕｒｃｅｓ－ＰａｒｔＩＩ［Ｃ］．ＳＡＥＰａｐｅｒ２０１１－０１－１６２０．
［５］ ＳＣＨＵＬＴＥＦＯＲＴＫＡＭＰＢ，ＧＥＮＵＩＴＫ．Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆａｓｓｏｃｉａｔｅｄｉｍａｇｉｎａｔｉｏｎｓｏｎｓｏｕｎｄｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎａｓｕｂｊｅｃｔ.ｃｅｎｔｅｒｅｄｍｅｔｈｏｄｆｏｒ ｂｅｎｃｈｍａｒｋｉｎｇｏｆｖｅｈｉｃｌｅ［Ｃ］．ＳＡＥＰａｐｅｒ２００５－０１－２２６３．
［６］ 贺银芝，杨志刚，王毅刚．汽车车身密封对车内气动噪声影响
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