汽车风噪声及抖振主动控制综述

其他测试

密封测试

声学包装的首要任务是解决密封问题，这决定了泄漏噪声。 常用的测试方法有烟雾测量、超声波测量和气密性测量。 气密性测量采用鼓风机对机体充气，当鼓风机气流稳定时，可根据流速Q计算泄漏面积。

式中aD为流量系数，A为泄漏面积，Pi和P0为车内外压力，ρ0为气体密度。 

声传输损耗测试

形状噪声通过车身结构和玻璃进入座舱的能力主要与声传播损失有关。 大多数车身结构的传递损失远大于窗户玻璃，而窗户玻璃是主要的传声构件。   如图15所示，随着频率的增加，单层结构的传输损耗逐渐增大。在频域上可分为三个区域:刚度控制、质量控制和重合效应控制。在质量控制区，斜率为每倍频程6 dB，质量加倍时传输损耗增加6 dB。 

图15  单层板在不同频段的声传输损失。

 此外，板阻尼也会影响传输损耗。  在符合频率下，玻璃的透射损耗比其他频率范围低。夹层玻璃具有较高的阻尼，增大了重合频率附近的声传播损失。  单层均匀壁板的重合频率可按公式计算

由于密度ρ，泊松比μ和杨氏模量E，玻璃的频率范围为4.2 ~ 2.1 kHz，玻璃厚度为3 ~ 6 mm。研究表明，夹层侧窗玻璃在2khz至6khz频段的隔音性能平均提高了4db，同时与钢化玻璃的厚度相同，与传统钢化玻璃相比，重量降低了12%。夹层玻璃还能提高安全性和抗侵入性。

如图16所示，待测样品玻璃放置在混响室和消声室之间，混响室放置球形声源和麦克风，消声室放置声强探头。样本的入射声功率和透射声功率如下

其中、I分别为平均声压、平均声强，S为样本面积。 样品的声传播损失STL可以表示为

,分别代表混响室的平均声压级和消声室的平均声强级。

图16  声音传输损耗测试

阻尼试验通常采用衰减率法进行。 如图17所示，得到随机分布的加速度计在锤击或激振器作用下的频响函数。 通过傅里叶反变换和滤波，将频响信号转换为不同频率的时域信号。使用Schroeder的积分，衰减率RD是根据衰减图的斜率计算的，如图18所示。各频率fn的阻尼损失因子η按如下计算

图17 阻尼损失因子测试

图18 震动衰减图

吸声测试

吸声系数和空腔阻尼反映了客舱内部材料的吸声能力。  如图19所示，将材料样品放置在混响室中，通过混响时间测试计算其吸收系数和阻尼。 当声源停止时，混响室内产生的能量是均匀的。 在试样吸声的作用下，声压级在T60一段时间内降低了60 dB，如图20所示。 混响室体积V、采样面积S、吸收系数α的关系为  

阻尼损失因子η与混响时间T60、频率f的关系为:

材料的吸声和阻尼特性可通过式18和式19计算，并将其作为车辆风噪声模拟等输入参数。

图20 声压级衰减图

3.3.仿真方法

泄漏噪声可以通过风洞试验等手段进行研究和优化。 目前用流动模拟直接模拟泄漏噪声的方法还比较困难。   而通过在时均流场中模拟车门在压力荷载作用下的变形程度，通过优化车门结构来提高其刚度以间接控制。

形状噪声通过车窗玻璃和车身面板的振动辐射到车内。 在试验过程中对实车的变形进行优化是比较困难和昂贵的，而通过仿真进行风噪声预测和形状优化具有效率高、成本低的优点。

客舱风噪声仿真过程通常包括获取外部声源和模拟声音通过窗口和车内的传播。外部声源模拟包括两种方法:直接气动声学(Computational Aeroacoustics)和混合气动声学(hybrid CAA)。 

Direct CAA以可压缩气体为介质，同时计算流场中的流体动压和声压，考虑了两者的耦合效应。 传统的计算流体力学(CFD)工具大多基于有限体积法，在求解Navier-Stokes偏微分方程组时，由于时间和空间的离散，会造成数值误差。 在声传播过程的模拟中，声压数量级比水动压小。因此，直接CAA需要较高的时间和空间离散精度、较大的网格尺寸和计算资源。  而求解介观尺度分子动力学方程的晶格Boltzmann方法(LBM)具有并行率高、耗散低的优点。 在获得窗口表面声源后，通过波数分解分别得到声压和水动压。 

混合CAA以不可压缩气体为介质，将传统CFD模拟与声学模拟相结合，将对流场与声学场解耦，并依次计算流体动力和声压。 采用不可压缩CFD模拟得到的对流信息作为输入计算声信息，忽略声场对对流的影响。 主要的混合CAA方法包括Lighthill声学类比法、Ffowcs Williams and hawkins (FW-H)积分法、声学扰动方程(APE)和随机噪声产生与辐射(SNGR)方法。 有时将不可压缩CFD模拟与有限元声学模拟相结合，得到外部流场声源。 当流体软件导出体积声源(对流速度、压力)时，通常需要数百gb的存储空间。  汽车风噪声主要涉及偶极子声源，可通过流体软件作为表面声源获得，数据存储大大减少。

窗口和内部的声透射可以通过SEA(统计能量分析)、FEM (有限元法)或BEM(边界元法)进行计算。 

5000 Hz以下的窗口振动模式为数百阶，3000hz以下的内部声学响应模式为上万阶。 频率越高，弯曲波长越小，需要更多的有限元网格，计算量急剧增加。SEA在求解高频风噪声时效率较高，在模态密度较低的低频区域精度较低。 有限元法的优点是可以预测座舱内特定测点的声响应，但有时更重要的是快速实现风噪声的相对优化。SEA用于快速预测车辆的平均响应，例如在车辆开发的早期阶段。

4.抖振特性和控制

侧窗抖振主要与客舱内剪切涡和共振现象的发展有关。 这可以类似于气流通过一个简化的空腔开口，其中存在三种振荡形式: 速度剪切层失稳引起的流体动力振荡、空腔内空气压缩膨胀引起的流体共振振荡、空腔固壁弹性位移引起的流体弹性振荡，如图21所示。  基于CFD软件的车辆仿真通常忽略内饰振动位移和吸声的影响。 结合CAE软件，可以考虑舱内边界阻抗的影响，提高仿真置信度。

如前所述，当剪切涡频率与空腔固有频率重合时，就会发生Helmholtz共振，空腔内的抖振噪声达到100 dB以上，而抖振频率(<20 Hz)虽然接近人耳听域的下限， 由于声压水平高，人体很容易感知。 

图21 流动震荡、流体共振、弹性空腔压力震荡

4.1.抖振特性

车速

随着车速的增加，剪切涡向车窗后缘移动并在较短的时间内破碎，增加了天窗和侧窗的抖振频率。当抖振频率接近座舱固有频率时，Helmholtz共振越强，抖振越强烈。因此，随着速度的增加，抖振通常先增大后减小，而抖振频率不断增加，如图22所示。

图22  风速对天窗峰值声压级(顶部)和抖振频率(底部)的影响。

窗户开度

减小的窗口开口流向长度缩短了脱落涡的运动路径。 在相同车速下，脱落周期缩短，增加了天窗抖振的频率。 由于开侧窗时流向长度变化不大，抖振频率保持不变。   此外，窗口开度越小，一般抖振越弱。天窗抖振强度对开口尺寸更敏感。

通风与偏航

由于压力通风效应，多个窗口同时开启时抖振较单独开启时弱。 对于左侧后窗，同时打开右侧前窗时抖振最小。 当存在侧风即偏航时，抖振在迎风侧增加，在背风侧减少。 窗口关闭时，宽带风噪声与偏航时的模式相反。