汽车风噪声及抖振主动控制综述

摘要

随着风速的增大，风噪声的贡献逐渐超过其他噪声源，影响舒适性。首先，根据汽车风噪声的形成机理、声类比和压力类型对汽车风噪声进行了详细的分类。然后对风噪声评价和开发工具进行了总结。最后讨论了车辆车窗产生的抖振噪声的特点及控制方法。考虑到外观和视野，通过被动方式控制侧窗抖振噪声十分困难。因此，本文提出的基于控制逻辑的主动控制开窗尺寸、主动打开多个窗口甚至释放反相位声源的方法具有良好的应用前景。 

引言

风噪声是影响用户舒适度的主要噪声源之一。随着电动汽车的发展以及发动机，轮胎噪声控制技术的提升，风噪声的重要性日益显著，随汽车车速增加风噪声压级急剧增加。

本文首先从多个角度分析了汽车风噪声源的分类，总结了风噪声形成机理的相关理论。然后介绍了风噪声开发中常用的评价指标，并利用心理指标考虑了人耳对不同频带噪声的感知。对汽车风噪声的测试和仿真方法进行了总结。最后，重点介绍了汽车车窗噪声的特点及控制方法。提出了一种基于控制逻辑的主动控制方法，具有广阔的应用前景。

1.风噪贡献

可以通过试验可以研究发动机噪声、轮胎滚动噪声和风噪声对车内噪声的影响， 在50 km/h低速时，风噪声的贡献较小，内部噪声主要以发动机噪声和轮胎噪声为主。 在90 km/h时，风噪声的贡献高于人耳敏感频段2000 Hz以上的其他噪声。 当车速继续提高到160 km/h时，除了发动机噪声在160 Hz时的贡献较大外，风噪声几乎在整个频带中都占主导地位。显然，风速越高，风噪声的贡献越大。

2.噪声源分类

2.1.按原机理区分

密封泄露噪声

在汽车众多风噪源中，泄露噪声通常是首先考虑的，泄漏噪声具有中高频特征，其对内部噪声的贡献大于对外部形状噪声的贡献，如图1所示。最严重的泄露发生在门，侧窗以及侧视镜附近。

图1 泄露噪声与形状噪声频谱比较

如图2所示，泄露噪声的形成有两种机制，第一种是由于汽车内外的压力差导致气流穿过密封条进出车体，将直接导致噪声产生，又称为吸音噪声。另一种是由于密封条的传声损失较小，风噪声通过密封从车外直接传递到车内，  如门缝产生的腔隙噪声。

图2 泄露噪声机制的类型

汽车流场是典型的非稳态流动，尤其是在压力波动较大的区域，如A柱位置，在密封条处有非稳态质量流动，形成单极子声源。气流通过缝隙进入车辆，通常会形成气流分离，与门框等表面相互作用，形成偶极声源。此外，空间中的自由射流可以形成四极源，尽管在低马赫数流动中可以忽略不计。   

车外的非定常压力脉动激励密封条振动并向车内辐射噪声。 这与车身面板和车窗玻璃的声传播机制类似，其中声传播损失与密封的刚度、质量和阻尼有关。 通过增加密封件的数量，而不是增加刚度和阻尼，可以有效地降低泄漏噪声。 此外，门的刚度 [8] 影响门在高速下的动密封性能，对泄漏噪声有很大的影响。

外形噪声

如图3所示，在车附近的流场中有存在许多流动分离和涡结构，这将导致不稳定的压力脉动，进而产生形状噪声源。

图3 汽车周围流场和一些噪声源区域

a柱

在前挡风玻璃和侧窗之间有很强的a柱涡流，由于靠近人耳，导致车内噪音增加。   研究表明，a柱涡分离区的非定常压力脉动明显高于再附着区。当汽车偏航或有侧风时，a柱涡在背风侧增大，风噪声较大。 增大湍流度可以延缓a柱的边界层分离，降低a柱涡量，从而降低风噪声。

后视镜

作为车辆外侧的主要突出部分，靠近侧窗的侧视镜是形状噪声的主要来源之一。 研究表明，增加镜子与门之间的间隙可以减缓局部气流加速，降低风噪声。 通过改变后视镜的形状，减小尾流，风噪声明显减小。 反射镜腔的共振和边界层的不稳定都会产生单极子噪声。 通过改变反射镜后缘形状或将边界层变为湍流，可以消除反射镜的极子噪声。 目前的规定要求汽车安装外镜，但一些概念车被设计成没有镜子或更小的镜子。

底盘

由于许多部件暴露在气流中，在车辆下方形成一个复杂的流场，激发地板结构振动，向车内辐射噪声，主要在低频范围内，如图1所示，裙座排除了车底噪声的贡献。此外，下部某些空腔的共振也形成风噪声源。下部导流板和气坝可以使气流从底部偏转，减少风噪声。

其余形状

当位于前挡风玻璃下方的雨刷暴露在空气中时，风噪声更加明显。 将发动机罩后缘抬高，将雨刷隐藏在下方，可有效降低风噪。 天线尾部存在类似于冯·卡门涡的脱落涡。 在天线周围缠绕螺旋可以降低音调风噪声。 采用不规则形状减小顶板尾部的相干脱落涡也可以降低风噪声。 尽管天线和车顶栏杆在目前的乘用车中不太常见。

空腔共振噪声

汽车中的空腔共振噪声主要有两种类型，一种是大型窗户的抖振噪声，另一种是小空腔的共振噪声，如门缝和格栅空腔。 空腔噪声的研究最早起源于航空工业。如图4所示，与泄漏噪声、形状噪声等宽带噪声不同，腔共振噪声是一种音调噪声，通常有基频和和声频率。 

图4 有无绕流板天窗抖振频谱对比

窗边抖振

由于打开窗口周围的静止空气与外部气流存在速度梯度，剪切层失稳导致旋涡脱落。剪切涡的压力脉动引发客舱的亥姆霍兹共振。 共振与剪切涡的耦合产生频率锁定，通常称为共振或者wind throb或booming 。现在更常用的叫法是抖振（buffeting）。当前天窗抖振噪声主要通过增加扰流板来减少剪切涡对天窗的激励来消除。 考虑到侧窗的外观和视野，采用被动方法控制侧窗抖振比较困难。

门缝与格栅

当空气流经门板间隙时，边界层内的压力脉动引发空腔声共振，形成风噪声源，风噪声源可以通过密封条进入舱室。 在测试过程中，通常用胶带密封门接头，以隔离这部分声源。 在汽车设计中，应尽量减小装配误差，使车门接头和腔体尽可能小。此外，空心格栅也能产生类似的声源 。

2.2.按声学类比区分

在古典声学中，声音是由固体表面振动引起周围空气的压缩和膨胀而产生的。 风噪声的产生机制不同，但可以类似于经典声学中的单极、偶极和四极声源。不同声源的功率和辐射能力是不同的。单极源是由一个脉动球的连续周期性压缩和膨胀引起的，并向周围辐射球面波，如图5所示。非定常体积流动的运动产生单极子源，如图2所示密封件周围的单极子源。 低马赫数(<0.3 Ma)时，其辐射效率高于偶极和四极源。其声功率与流速的四次方成正比  

ρ是密度，c是声速，M是流速和声速的比值。

图5 单极子声源辐射声波

如图6所示，一个偶极子源由一对相位相反的单极子源组成。车身表面的非定常压力波动会产生偶极子源。它来自于固体表面上的反作用力。其声功率与流速u的六次方成正比  

图6 偶极子声源辐射声波