汽车车内气动噪声客观评价分析∗

贺银芝，卢春阳，吴 宇，杨志刚

(1.同济大学汽车学院，上海 201804； 2.上海市地面交通工具空气动力与热环境模拟重点实验室，上海 201804)

前言

轿车高速行驶时，产生的空气动力噪声(风噪声)是影响车内声环境舒适性与行车安全性的重要因素[1-2]，同时也会对车外环境造成噪声污染。由于气动噪声的理论研究与实际应用还有一定的差距，而试验更加直观和可靠，因此整车气动声学风洞试验一直是研究气动噪声的重要手段之一[3]。本文中基于整车气动声学风洞气动噪声试验，设定典型工况，应用不同的方法对车内气动噪声数据进行分析与评价。

对车内噪声的评价一般分为主观评价和客观评价。主观评价是指评价者(人)对声音样本的主观喜好程度，常用的有成对比较法和等级评分法等[4]。客观评价分为客观参量的客观评价和主观参量的客观评价。传统上基于线性声压级的客观评价方法对具体的工程问题具有较大的局限性。因此近年来，基于心理声学的噪声声品质评价方法得到了较快的发展和应用。比如响度、语音清晰度、粗糙度和抖动度等。每种分析方法均有其特点及适用性[5]。基于车内气动噪声的特点，本文中分别采用A计权声压级、响度(Loudness)和语音清晰度AI，对车内噪声进行对比分析与评价。

本文中首先简单介绍了气动噪声产生机理及其向车内的传递，然后通过整车气动声学风洞试验，针对某款合资品牌四门三厢中级轿车的典型工况，分析了不同车速和偏航角下车内气动噪声的变化规律，并对后视镜密封和雨刮器对车内气动噪声的贡献进行了研究。

1 气动噪声产生机理及其向车内的传递

车内感受到的风噪通常可以分成两大类。一种是车身表面的非定常压力脉动产生的噪声，这种由于车身外表面的突出物或凹凸不平引起气流分离从而产生的噪声可以称为外形噪声。外形噪声是典型的双极子声源，可通过车身结构传入车内。另一种噪声是由于时变的气体流量穿过车身上狭小的孔缝而形成，称为泄漏噪声。这类噪声属于单极子声源，声辐射的效率很高，可直接传到车内[3]。其问题主要来源于车身设计、制造或装配误差引起的车身部件连接的密封不良或失效。本文中采用不同评价方法对泄漏噪声中后视镜密封的影响和外形噪声中雨刮器的贡献进行详细分析。

2 试验方法与测试系统

2.1 试验平台

试验在同济大学上海地面交通工具风洞中心整车气动声学风洞中进行。该风洞是3/4开口回流式风洞，喷口面积为27m2，试验最大风速可达250km/h。在160km/h风速下，背景噪声低于61dB(A)，是国际同类风洞中最安静的风洞之一[3]。测试时将试验车固定在风洞驻室试验段天平转盘的中心位置。

2.2 测试系统

测试采用德国HEAD acoustics公司噪声与振动测量及分析系统。试验中由HMS III数字人工头接收到的双耳信号，经多通道数采前端SQlabIII，利用双耳信号采集软件HEAD Recorder，将信号采集并导入到Artemis分析软件进行处理。试验中人工头置于主驾驶位，测试信号线经过后排座椅由行李箱引入风洞天平转盘内的接口盒，再经由天平基座接入测控室的数据采集分析系统。

2.3 试验方法

试验采用“开窗法”[3]的原理来测试后视镜密封的贡献量大小。先将整个试验车的外表面零部件结合缝隙及沟槽处用密封胶带密封，类似于将车身表面所有的泄漏通道“窗口”关闭，使车内噪声水平处于最“安静”的状态。然后揭开后视镜密封处的密封胶带，类似于“开窗”。通过比较有无密封胶带的车内噪声测试结果确定后视镜密封部位的密封效果对车内噪声贡献量的相对大小。然后通过比较雨刮拆除前后的车内噪声测试结果确定雨刮器的造型因素带来的外形噪声的贡献量。

2.4 试验工况与流程

工况1中测试车辆处于基准状态(Baseline)，前格栅密封，空调通风口关闭并密封，以免车外气流直接进入车内。工况2将全车密封，使试验车处于最“安静”状态。工况3考察后视镜密封性能对车内噪声的贡献。工况4考查车身表面突出物雨刮器对车内噪声的贡献。具体工况如下。

工况1:试验车处于基准状态，偏航角为零时，试验风速分别为 100，120，140，160 和 180km/h，然后固定试验风速140km/h，设置偏航角分别为-5°，-10°，-15°和-20°。

工况2:将试验车整车外表面零部件结合缝隙及沟槽处均用密封胶带密封，即整车全密封状态，试验风速140km/h，偏航角为零。

工况3:应用“开窗法”在工况2全密封的基础上去除左侧后视镜密封处的胶带(图1)。

工况4:在工况2全密封的基础上，拆除雨刮器(图2)。

试验过程中风洞测试段温度为22～25℃，相对湿度为60%，大气压为101.1kPa。偏航角为负值时，主驾驶位背风，其附近车身表面的气流分离比迎风时更严重，会带来侧窗表面上更强烈的压力脉动[6]。因此背风时车内噪声水平对偏航角的变化更为敏感，也是工程上更为关注的情况。

图1 去除试验车左侧后视镜密封胶带

图2 拆除试验车雨刮器

3 噪声声品质客观评价分析方法

左侧后视镜密封的贡献量可由工况3减去工况2获得。雨刮的贡献量由工况4减去工况2得到。在基于心理声学参数对车内声品质进行评价的参量中，只有响度得到广泛的研究和认可，并制订了ISO标准。在下文中分别采用3种不同的参量对试验结果进行分析，即A计权声压级、响度和语音清晰度。

3.1 A计权声压级

A计权声压级是指对测试的线性声压级应用A计权网络进行修正后得到的结果，单位为dB(A)。A计权声压级可模拟人耳对55dB以下低强度噪声的频率特性，即用倒置的40方等响曲线去修正频响，从而实现频率计权。它能较好地反映人耳对噪声的主观感受和评价，因此被广泛应用于噪声测量中，是国际标准化组织和许多国家评价噪声的常用指标之一。

3.2 响度

响度可线性地表示人对声音强弱的主观感受，它考虑了人耳对声音的掩蔽效应，比A计权声压级更能准确地反映声音信号的响亮程度。Stevens[7]和Zwicker[8]等人分别对响度的计算理论模型展开了研究，其结果均被纳入国际标准ISO532:1975[9]中。标准中提供了基于心理声学试验方法得到的两种稳态噪声响度计算方法，方法A主要参考Stevens等人的研究结论，以倍频带为分析带宽，适用于扩散场的稳态噪声场合；方法B参考Zwicker等人的研究成果，以1/3倍频带为分析带宽，以临界频带对人耳的掩蔽效应做出修正，适用于自由场、扩散场的稳态噪声场合。本文中采用方法B。

3.3 语音清晰度

语音清晰度(articulation index，AI)中的清晰度指数是指语言经畸变后可听清的程度，它是语言听闻条件的最直接的评价。它用百分数描述了在噪声环境下谈话的清晰程度，依赖于背景噪声的频率和声压级，其分析频率的范围为200～6 300Hz。背景噪声的1/3倍频程频谱在语言频带范围内的成分对语言交谈有重要影响。当噪声在语音区域上限与下限之间时，对于每个频带的清晰度百分数进行累加即可得到总的清晰度。显然，AI与前两种分析方法不同，AI越高代表车内声品质越好。

4 噪声测试结果分析与评价

4.1 车内噪声的速度特性分析

图3 基准工况，0°偏航角，不同风速下主驾驶位人工头外耳声压谱

这里速度特性指车内风噪水平与风速的关系。图3为基准工况下，偏航角为0°，不同风速时主驾驶位人工头外耳的窄带谱(频率分辨率11.7Hz)。可以看出，在整个分析频域内，不同风速下，车内噪声的频谱特征相似，声压级随着风速的增加而不断升高，但随着频率升高而下降。

图4为基准工况下，0°偏航角时，随着风速提高，驾驶位人工头外耳A计权总声压级(OASPL)的变化趋势。可以看出，随风速的提高，车内噪声总声压级几乎呈线性增加。采用线性拟合时得到的相关系数R2＝0.9931，说明此线性拟合的相关度很高。

图4 基准工况，0°偏航角，车内A计权总声压级随风速的变化

图5 和图6分别为基准工况，0°偏航角，主驾驶位外耳处响度和语音清晰度随风速的变化。可以看出，随着风速的增加，响度几乎呈线性增长，而语音清晰度则大致呈线性下降。3种分析方法中，主驾驶外耳处的风噪水平都大体上随风速线性变化，且拟合出的线性度都很高。其中响度的相关系数R2比A计权声压级和语音清晰度的R2略高，说明车内响度大小随风速变化的线性度最好。

图5 基准工况，0°偏航角，主驾驶位外耳处响度随风速的变化

4.2 不同偏航角对车内噪声的影响

当设置一定偏航角时，可以研究车内噪声水平受侧风的影响程度。图 7为基准工况，风速为140km/h时，不同偏航角下车内噪声1/3倍频程频谱。由图可见，在有负偏航角的情况下，其车内声压级水平几乎在整个频段都比0°偏航角时大，且车内噪声水平在整个频段内都随着偏航角的增加而增大，但不同偏航角下车内噪声频谱的趋势基本相同。从图8～图10可以看出，随着偏航角绝对值的增大，主驾驶外耳处的A计权总声压级和响度增加，而语音清晰度下降，但上升或下降的线性度不高。

图6 基准工况，0°偏航角，主驾驶位外耳处语音清晰度随风速的变化

图7 基准状态，风速为140km/h时，不同偏航角车内驾驶位人工头外耳处1/3倍频程频谱

图8 基准状态，风速为140km/h时，车内驾驶位人工头外耳处A计权总声压级随偏航角而变化的曲线

4.3 后视镜密封对车内噪声的影响

图11 为风速140km/h，0°偏航角时，工况3与工况2条件下主驾驶外耳处A计权声压级频谱。由图可见，在整车密封前提下，去掉后视镜密封后，车内噪声声压级主要在0.5-2kHz有所增高，该频段内平均声压级增高约0.62dB(A)。这说明该后视镜与密封相关的结构部分风噪设计较好。

分别采用3种评价方法分析后视镜密封对车内噪声的贡献，结果见表1。可以看出，采用A计权声压级分析时，去除左侧后视镜密封，主驾驶外耳处的A计权总声压级(OASPL)由67.9增加到68.2dB(A)，增加 0.3dB(A)；响度由 23.9增加到24.4sone，增加了0.5sone；语音清晰度从63.4%下降到61.7%，降低了1.7个百分点。说明从数值上看，在对后视镜密封的贡献量进行分析时，语音清晰度评价方法灵敏度最高，可更好地反映后视镜密封对车内噪声的影响，响度次之，A计权声压级灵敏度最弱。

图9 基准状态，风速为140km/h时，车内驾驶位人工头外耳处响度随偏航角而变化的曲线

图10 基准状态，风速为140km/h时，车内驾驶位人工头外耳处语音清晰度随偏航角而变化的曲线

图11 左侧后视镜密封与不密封条件下，主驾驶外耳处A计权声压级频谱比较

表1 左侧后视镜密封贡献量分析(主驾驶外耳)

4.4 雨刮器对车内噪声的贡献量

图12为风速140km/h，0°偏航角时，工况4与工况2条件下，主驾驶位置内耳处的A计权声压级频谱。由图可见，在整车密封前提下，拆除两个雨刮器后，车内噪声主要在3 000-6 300Hz的较高频段内有所降低，该频段内平均声压级降低了约0.75dB(A)，雨刮器的造型因素引起的外形噪声的贡献量较小，说明该雨刮器的风噪性能设计较好。

图12 雨刮器拆除前后，主驾驶内耳处A计权声压级频谱比较

表2 雨刮器贡献量分析(主驾驶位内耳)

分别采用3种评价方法分析工况4与工况2，得到的结果见表2。可以看出，采用A计权声压级分析时，拆除两个雨刮器后，主驾驶内耳位置处的A计权总声压级基本维持在66.3dB(A)；采用响度分析时，拆掉两个雨刮器之后，主驾驶内耳位置处响度由21.7下降到21.6sone，仅下降0.1sone；采用语音清晰度作为评价标准时，AI从 69.80%增加到70.30%，增加了0.5个百分点。可以看出，在对雨刮器的贡献量进行分析时，A计权声压级和响度有一定的局限性，采用主驾驶内耳处的AI可更好地反映出雨刮的造型因素对车内噪声的影响。

5 结论

通过对某轿车进行整车气动声学风洞试验，针对车内气动噪声试验数据，分别采用A计权声压级、响度和语音清晰度3种不同评价方法，分析了典型工况下车内气动噪声的特征表现和典型气动噪声源的贡献量大小，获得以下主要结论。

(1)不同风速下，车内气动噪声的频谱特征相似。3种评价分析方法中，车内风噪水平都大体上随着风速呈线性变化，且线性相关度很高。其中响度随车速变化的线性度最好。

(2)同样风速下，车内气动噪声的频谱特征随偏航角的变化而发生较大变化。主驾驶位背风时，随着偏航角增大，车内声压级和响度逐步上升，语音清晰度则逐步下降。但3种方法评价结果随偏航角变化的线性度均不高。

(3)后视镜密封对车内噪声的贡献主要在0.5-3kHz中高频段。140km/h风速时，在整车密封前提下，去除左侧后视镜密封后，主驾驶外耳处A计权总声压级仅增加了0.3dB(A)，响度增加了0.5sone，语音清晰度AI则下降了1.7个百分点。可以看出，在对后视镜密封贡献量进行分析时，语音清晰度比A计权声压级和响度更灵敏，可更好地反映出后视镜密封对车内噪声的影响。

(4)雨刮器对车内噪声的贡献主要在3-6.3kHz的高频段。在140km/h风速时，在整车密封前提下，拆除雨刮后，主驾驶内耳处A计权总声压级几乎不变，响度仅下降了0.1sone，语音清晰度则增加了0.5个百分点。可以看出，从数值上看，在分析雨刮对噪声的影响时，语音清晰度同样比A计权声压级和响度更灵敏，是该情况下更为适用的评价方法。

因此，对于车内气动噪声的评价一般应根据频谱特征采用多个参数进行综合比较分析。