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车内关门瞬间听觉不适的分析与控制
2021-12-17 21:27:52· 来源：AutoAero
摘要随着车辆空气泄露性能的不断提高，车门关闭瞬间出现了听觉不适现象。近20年来，关于关门声音质量的研究很多，但关于瞬态高气压波动引起的听觉不适的研究很少
摘要
随着车辆空气泄露性能的不断提高，车门关闭瞬间出现了听觉不适现象。近20年来，关于关门声音质量的研究很多，但关于瞬态高气压波动引起的听觉不适的研究很少见。本文系统地研究了车内气压波动与乘客听觉不适的关系。还通过CAE分析研究了车门表面积与乘员舱容积之比以及其他相关参数，如车辆横截面积、泄压阀尺寸、正压下车身泄露情况，并通过大量的客观测量和车辆主观评价验证。
在此研究的基础上，定义了一个新的人体听觉舒适度气压波动阈值，以及一个由瞬时气压波动引起的听觉不适的客观评价指标。提供了一些有关压力排气系统设计和开发的指南，以提高乘用车关门的听觉舒适度。
介绍
在关车门时，顾客的听觉不适现象与对汽车品牌的第一印象和购车偏好直接相关。图1中的每一点为当年选出的10款流行主流车型的漏风平均值，其中豪华车5辆，非豪华车5辆（包括A级、B级和SUV）。由于车辆的空气泄露量越来越严格，车辆的压力排气能力的设计在车辆设计过程中没有系统地考虑。压力排气能力的设计考虑不足，导致关门时会出现听觉不适现象。因此对关门听觉不适现象的研究十分必要。
图1 近10年车辆平均空气泄露趋势
目前，汽车乘坐舒适性的研究主要集中在客舱、车内噪声性能、音质、座椅舒适度、车内生态环境等心理和生理领域。然而，人们已经注意到，听觉不适会对乘客的心理和身体感觉产生负面影响，甚至在气压波动过大时会引起耳膜刺痛。
此外，随着车辆空气泄露要求的进一步提高，车门关闭时气压波动幅度会增大，从而降低乘客的乘坐舒适度。减小车门关门时车内气压波动幅度的方法有很多，例如减小车门表面积与驾驶室容积的比值，增加泄压阀的面积，减小车门的关门速度，改善车内气流通道畅通无阻。所有这些措施都应在车辆开发的早期纳入车辆设计，并提前制定有效的实施这些措施的计划，以避免增加成本和延误项目的风险。因此，乘客听觉舒适度的研究应该成为一个重要的研究领域。
本文提出了人体听觉舒适度阈值，并基于关门瞬间的气压波动提出了对听觉不适感的客观评价标准。该研究结果为重新设计和开发汽车内部的压力排气系统提供了方向，以提高车门关闭时乘客的听觉舒适度。
关门时听觉不适的机制
听觉不适的机制
关门时的听觉不适是由车内的瞬时压力波动引起的。在车门关闭的瞬间，车内压力突然升高，而乘客耳膜内的压力保持不变。鼓膜两侧的压力差导致鼓膜下陷（图2）。这时候，乘客会觉得耳朵不舒服。当飞机上升或下降以及高速列车通过隧道时，乘客也感受到了类似的听觉不适。在列车进入隧道的瞬间，靠近列车头部的空气受列车壁和隧道的限制而被压缩。空气随着列车向前流动，使列车前方的气压突然升高，产生压缩波。压缩波会引起乘客耳膜的听觉不适，这与关门瞬间车内瞬时压力波动引起听觉不适的机制是一致的。当压力下降时，中耳会自动平衡内外压力，当压力增加时，乘客可以通过吞咽或打哈欠来平衡压力。但与飞机和高铁内部的气压波动不同，气压波动如此剧烈，以至于乘客在车门关闭的那一刻没有足够的时间主动平衡压力。因此，关门时很容易在车内引起听觉不适。
图2 气压波动的鼓膜凹陷示意图
根据一些研究，亚洲人基于身体特征对内耳和外耳之间的气压差异更敏感，更容易受到压力波动的影响。值得注意的是，由于气压波动，婴儿的耳膜损伤比成人更大。
听觉不适客观评价指标的定义
听觉舒适度与关门时车内瞬时压力波动有关。这种现象是由于瞬态压力在极短的时间内传递到人耳，导致身体不适而引起的。这种现象在医学上称为鼓膜不适。这种现象会大大降低乘客的舒适度。但乘客对瞬时气压波动所产生的听觉舒适度有不同的感受。听觉舒适度超过一定值时，明显感觉不舒服，而低于一定值时，则感觉不到。因此，存在瞬时压力波动的阈值来衡量乘客耳朵的听觉舒适度。基于以上研究，应用高速列车通过隧道引起的听觉不适评价指标，对车内关门时的听觉不适进行评价。发现同时使用时，以下两个指标可以反映乘客的听觉舒适度：
1、峰峰值：最大压力波动
2、最大气压变化比
对于长时间的气压变化，即使幅度很大，鼓膜也不会不舒服，因为人有足够的时间主动（如吞咽）或被动（因为当外部压力降低时，中耳通道自动打开）。当气压剧烈变化，压力变化率高，但振幅低时，耳膜也不会不舒服。因此，目前评价听觉不适的参数是气压波动的“峰峰值”和最大压力变化比。1994年，日本研究人员通过在密闭实验室进行大量实验，提出了气压波动引起的听觉舒适与不适的界限。随后日本交通省制定了铁路系统气压波动听觉舒适度的国家评价标准。本标准中压力变化“峰峰值”不超过1kPa，最大压力变化比不超过300Pa/s。中国铁道部要求当高速列车通过隧道时最大压力变化比不超过200Pa/s。但是，在美国要求不超过 410Pa/s。
测试数据表明，当门以0.8-1.5m/s的正常速度关闭时，最大气压变化比将达到300-500Pa/s，已经超出了人类的听觉舒适范围。如图4所示，驾驶员车门以1.2m/s的速度关闭，右后座气压波动幅度变化为227.2Pa，最大压力变化率为470.6Pa/s（图3）。
图3 关门时听觉不适幅度的客观标准定义示例
听觉不适的产生原因分析
关门过程中的气压波动被简化为如下模型（图4）。
图4 车辆气压波动示意图
Acar代表汽车截面积，Avent代表泄压阀面积。根据质量守恒定律，关门过程中进入门的空气质量等于泄压阀漏风质量mdoor和泄压阀泄露气体质量mgap的和。因此：
假设空气是一种理想流体和连续介质，则有：
式中r为dA到门铰链中心线的距离，ω为关门时的角速度；绕铰链轴的门面积力矩为：
代入方程（3）式中： mdoor=ρωtIA
假设门为长方形，长为L，宽为H；
上述两式中，vvent为气体流经泄压阀的速度，Q为车辆漏气的泄漏量，单位为m^3/m，代入式（4）方程，（5）方程，（6）转化为方程（1），方程（7）得到如下：
根据伯努利流体方程：流体中任一点的动能、重力势能和压力势能之和都是常数：
上式中，Pear为人耳右后座压力，vear为气体流经人耳的速度，Hear为地面到人耳的高度，p0为大气压力，Hvent是从地面到泄压阀的高度；
带入上述方程可以得到：
上式中，v=ωL为关门线速度，S=HL为门面积；并且C可以忽略不计。
从方程（10），我们可以得出结论，通道耳部的气压值与关门速度、门面积、泄露量、车身横截面积和泄压阀面积有关。关门线速度越大，车门面积越大，车辆泄露量越大，车身截面积越小，泄压阀面积越小，气压值越大。如图5所示，乘客听觉不适的最大幅度波动与泄压阀面积呈负相关，其相关系数为，达到了相对可信的相关水平（图6），因此 证明了上述结论的正确性。
图5 乘客听觉不适绝对幅度与泄压阀面积的关系
图6 乘客听觉不适绝对幅度与泄压阀面积的相关性研究
车辆测试
测试系统
压力测试系统由数据采集单元和数据处理分析单元组成，如图7所示：
图7 气压波动测试系统
测试硬件包括人工头（微压力传感器集成在耳道中）、安装支架、笔记本电脑、跳线、电源、设备拉杆箱。
主要技术参数如下，压力测试范围：±2500Pa，采样频率：1000Hz，压力循环1亿次以上，压力变化过程的变化曲线由显示器显示和记录，数据可导出到 Excel 进行格式化。
测试数据
当驾驶员车门以1.2m/s的速度关闭时，在15辆汽车（包括10辆轿车和5辆SUV）上测试了右后座靠近人耳的压力波动。
如图 8 所示：
图8 16辆汽车气压波动曲线
1、轿车内的听觉不适感比SUV内更大；
2、后座的听觉不适感比前座更明显；
3、豪华车内的听觉不适感比非豪华车更明显；
4、在关门过程中，气压波动时间在0.7s左右，压力幅值上限约为230Pa，下限约为-50Pa。
CAE分析
CAE设置
方法：可实现k-ε模型；可实现k-ε模型与标准k-ε模型有所不同。对于许多应用程序，该模型比标准k-ε模型要好得多，并且通常可以依赖于提供至少同样准确的答案。
图9 关门过程中气压波动的CAE模型
图10 CAE分析关门速度
图11 关门瞬间车内气压波动的结果
网格：六面体；
时间增量：0.001s；
关门角度：35°；
出口压力：0Pa；
关门速度：0.97m/s、1.1m/s、1.2m/s；
CAE结果
从上表1可以看出，Good是完全没有感觉到听觉不适；OK 表示大多数人的听觉不适是可以接受的；Poor是大多数人无法接受的听觉不适。该模型的计算精度达到了5%左右，具有相当高的置信度。因此，CAE分析具有一定的指导方针，可以在开发生命周期的早期重新设计门尺寸和内部排气通道。
表1 CAE结果与测试结果的比较
主观评价设计与数据分析
测试对象
为寻找听力健康的受试者，提前对受试者进行健康状况调查，调查受试者是否有听力不良或听力疾病史。参与者在乘坐飞机或潜水等时不得有任何压力平衡问题。选取30名受试者，包括25名男性和5名女性，参与对听觉不适的主观评估。参与者的年龄从 26 岁到 53 岁不等，平均年龄为33.6 岁。
测试设计
测试表明，泄压阀的面积与车内的听觉不适呈负相关。为确保只有一个变量的原则，在一台不同泄压阀状态的汽车上进行了3轮测试。测试在半消声室中进行。为避免心理倾向影响评估等级，所有受试者均不了解泄压阀状态（如图12所示）。一名受试者任意两次关门的时间间隔大于30秒，使受试者有足够的时间摆脱压力波动带来的不适。主观评价分为10个等级。
图12 用于主观评估的3种不同的泄压阀状态
1-不可接受，6-可接受，7-满意，10-优秀
测试1，泄压阀正常，空调设置为内循环，所有的玻璃和门都关闭。以1.2m/s的速度关闭驾驶员车门，受试者坐在汽车的右后座上。
试验2，保持泄压阀半封闭，其他试验要求同试验1，重复试验1。
测试3、保持泄压阀关闭，其他测试要求同测试1，重复测试1。
结合主观评价，在3个泄压阀状态下测试了右后座耳位附近的最大气压波动。测试结果如表2所示。在测试1中，右后座耳位附近的耳压振幅绝对值194Pa，7～8分的被试占73.3%，平均分7.26分。在测试2中，最大气压波动为226Pa，80%的受试者评分为6-7，平均评分为6.46。测试3中，最大气压波动为269Pa，96.7%的受试者成绩低于6，平均成绩为4.26。最后，将受试者评估结果与测试结果的对比分析结果（如表 2 所示）告知 30 名受试者，并要求他们一次又一次地重复 3 次测试。
表2 3种不同泄压阀状态的主观评价结果
休息两小时后，30名受试者再次对15辆汽车（包括11辆中国汽车和4辆合资汽车）内右后座耳朵附近的听觉不适进行了评估。
驾驶员车门第一次以1.2m/s的速度关闭，其他车门和玻璃关闭，空调设置为内循环。最后对15辆汽车的右后座耳附近耳压绝对值和125Pa正压漏气（空调内循环）两个值依次进行测试。测试结果如下图13所示，正压泄漏与右后座耳附近的耳压绝对值几乎呈负相关。6 级被认为是人耳对听觉不适的可接受点。测试过程中，以下车型（8、9、10、11、12、13、14、15号）的成绩均在6级以上。在本文中，No.8 评分为 6，因此将其视为临界点。那么我们可以得出结论，当车辆正压泄漏≥360SCFM时，在1.2m/s的关门速度下，右后座耳朵附近的耳压幅值绝对值通常≤220Pa，听觉不适是可以接受的 用于主观评价。车内压力波动最大比≤300Pa/s，定义为关门瞬间空气压力波动的人体听觉舒适阈值。
图13 正压漏气与耳压幅值的关系
图14 乘客听觉不适绝对幅度与车辆正压泄漏的相关性研究
另外，根据对试验数据的相关性分析，正压下车辆泄漏量、车门面积与乘员舱容积之比、最大气压波动的相关系数分别为0.85（图14）和0.82（图15），两者都达到了一定的水平。
图15 乘客听觉不适绝对幅度与车门面积或轿厢容积的相关性研究
案例分析
在SUV软装车阶段，车辆被评价为明显听觉不舒服，尤其是驾驶员车门关闭时后排乘客。主观评价平均分4.5左右，最小闭合速度较高，达到1.17m/s。在对耳部不适的调查中，发现泄压阀通风面积为109cm2。泄压路径方面，我们检查了行李厢两侧进气格栅的3D模型，开口面积≥110cm2，满足泄压设计要求。此外，在取下杂物盘时，主观评价听觉不适感没有变化，说明漏风路径畅通无阻。根据理论以及前几部分的结论，提出了两种增加泄压阀面积的方案。同时，相应增加了行李厢两侧的进气格栅面积。测试结果如表3所示，客观测试数据如图16所示。综合考虑NVH、漏水、重量、空调等相关属性、封装、成本约束和项目进度要求后，案例1 最终被选中。案例2：泄压阀面积过大，导致成本和重量增加，泄压阀离地高度降低，驾驶室道路噪声和排气噪声增大。车辆主观评价为6.5级，消除了SUV的听觉不适感。
表3 两种情况下车辆后座听觉不适幅度的主观评估
图16 两种情况下后座听觉不适幅度对比
总结/结论
考虑到车辆气密等级越来越严格，关门的听觉不适感可能会更严重。未来2~3年，车内关门听觉不适可能会成为更普遍的问题。
本文通过大量的客观测试和主观评价，系统地研究了正压下车辆漏风与听觉不适感之间的关系。
此外，气压波动与最小关门速度、车门表面积与驾驶室容积之比、车辆漏风量、车辆截面积和泄压阀通风面积等参数的关系 由客观测试数据进行理论推导和验证。
进一步定义了关门时气压波动的人体听觉舒适阈值，建立了关门时车内听觉不适的标准和设计准则。
由于篇幅、时间、测试资源和CAE的限制，本文仅简述单个因素（例如：抽气面积、车辆漏风量、车门面积与驾驶室容积之比）和听觉不适。所有因素的相互作用仍有待研究。
文章来源：Jun, M., Cao, Y., Zhang, J., Zhang, K. et al., "The
Analysis and Control of Aural Discomfort inside a Car at the Instant of
Door Closing," SAE Technical Paper 2020-01-1260, 2020, https://doi.org/10.4271/2020-01-1260.
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