某SUV车内气动噪声特性风洞试验研究∗

王亓良，陈 鑫，林清龙，魏洪桢，黄秋萍，张英朝

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022； 2.东南(福建)汽车工业有限公司汽车研究院，福州 350119)

前言

随着国内汽车工业的迅速发展，以及人们生活水平的提高，消费者对汽车乘员舒适性的要求越来越高。而道路交通基础设施的完善和汽车安全的发展，必然使汽车的行驶速度越来越快，而气动噪声作为舒适性的一个重要指标，在汽车高速行驶过程中越发凸显出来。

目前国内主机厂和各高校对气动噪声的研究还处于起步阶段，特别是对于车内气动噪声的研究还比较少。文献[1]～文献[3]中分别通过仿真和试验研究了A柱和后视镜等主要突出部件对车外气动噪声的影响规律和控制方法，文献[4]和文献[5]中对车内噪声的仿真方法做了研究和总结，文献[6]中通过试验研究了货车驾驶舱内的噪声特性，文献[7]和文献[8]中通过试验初步探究了某三厢轿车车内气动噪声的规律，并针对车身密封性对车内噪声的贡献做了研究。而目前随着国产SUV品质的提高，该车型逐渐成为年轻消费者的首选车型。由于前人对车内气动噪声的分布规律和频率特性等研究还不完善，且针对车内气动噪声的改进方向和方法仍需进一步探究，本文中采用风洞试验的方法对某SUV车型的车内气动噪声进行研究，分析车内气动噪声的组成，并总结车内气动噪声的空间分布规律和频率特性，且考虑了侧风和风速对车内噪声的影响，考察了后视镜、车门密封条和车身钣金件等部件对车内噪声水平的贡献，提出一系列改进方向与方法，所得结论对乘用车的车身NVH开发和汽车造型设计提供一定的借鉴和参考，具有实际意义。

1 风洞及噪声测试设备

1.1 试验风洞

本试验在吉林大学汽车风洞[9]实验室进行(图1)。该风洞实验室本体结构为低速回流开式汽车风洞，试验段喷口截面为2.2m×4m的切角矩形，试验段尺寸为8m(长)×4m(宽)×2.2m(高)，试验最高风速为60m/s，风扇电机功率为1 000kW。风洞试验段采用了先进的边界层控制方法，并配备了专业的移动带地面效应模拟系统。风洞建设过程中采用了多项降噪技术和措施，获得多项风洞降噪专利授权[5]，满足低噪声汽车风洞的要求。

图1 吉林大学汽车风洞试验段(左图)和全密封的汽车布置于风洞中(右图)

1.2 噪声测试设备

噪声测试采用LMS公司的噪声测试设备(图2)，集成Test.Lab 13A试验分析软件与SCADAS III高速数据采集前端，传声器采用GRAS公司的1/4英寸声学传感器与前置放大器。

图2 噪声测试设备与传声器

2 试验工况与评价方法

2.1 试验工况

工况1为基础工况，汽车处于自然状态(整个车身没有密封)，偏航角为0°，试验风速为120km/h，分析车内噪声的空间分布规律和频率特性。

工况 2，在工况 1 的基础上，在 60，80，100，120，140和150km/h的试验风速，分析车内噪声的速度特性与频率特性。

工况3，在工况 1 的基础上，在-10°～10°(俯视图中逆时针转为正)范围内改变汽车偏航角，间隔2.5°，分析汽车偏航角对车内噪声的影响，即汽车行驶过程中有侧风时车内噪声的变化规律。

工况 4，在工况 1的基础上，采用单层厚度250μm的优质布基胶带，密封整车外侧各部件连接缝隙和各车身动态密封处，以减小密封处由车内外气流流动产生的泄漏噪声，因胶带厚度较薄而具有较低的传声损失，对外形噪声影响较小，故可认为该工况车内噪声是排除泄漏噪声后的汽车外形噪声。结合工况1结果，即可利用声压级减法获得泄漏噪声的声压级频谱。根据结果分析车内噪声的构成，即车身外形和泄漏噪声对车内噪声的贡献和频率特性。

工况5，在工况4的基础上，单独去除车身某部分的密封或单独去除某个部件，可将在此工况前后的车内语音清晰度差值视为该方案的语音清晰度贡献量，依次研究车身各部分密封和部件造型对车内噪声的贡献和各自的频率特性。

2.2 评价方法

语音清晰度(articulation index，AI)[10]是描述在噪声环境下说话清晰度的指标，用百分数来表示:100%表示说话可以完全听清楚，0表示说话完全听不清楚。其计算公式为

式中:UL(f)和LL(f)分别为上限和下限噪声值；H(f)为说话声音信号；W(f)为计权系数，由于人说话和听力均与频率有关，该计权系数只考虑频率200～6 300Hz范围内的噪声；D(f)为系数，由噪声值N(f)、上限值和下限值确定。

3 试验结果分析

在进行噪声测试时，风洞本身的背景噪声对测试结果有很大影响，要严格控制背景噪声，以最大限度地保证试验结果的真实性。GB1495—2002《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》[11]中，要求背景噪声A计权声压级至少要比汽车噪声低10dB。经过测量，本试验中风洞背景噪声比试验中所测风噪声低20dB(A)以上，满足测试要求，风洞背景噪声如图3所示。

图3 风洞背景噪声

3.1 车内噪声的空间分布规律与频率特性

汽车在自然状态下，即车身无密封，试验风速为120km/h，偏航角为0°时，乘员舱内4个乘员位置外耳噪声频谱如图4所示。由图可见:在频率低于200Hz时，后排噪声水平明显高于前排，噪声声压级平均相差2dB(A)；而频率在500Hz以上时，前排噪声水平明显高于后排，平均相差3dB(A)，且前排噪声声压级在频率2 000Hz处存在峰值。根据文献[7]，200Hz以下的低频噪声主要是由于汽车外部瞬态压力脉动激励车身板件和车窗玻璃等引起的，而2 000Hz以上噪声主要来源于车身密封性引起的泄漏噪声。由此可以认为，车内噪声中，由于前排座椅靠近B柱，同时受到前后两车门产生的泄漏噪声影响，且靠近后视镜尾流区，压力脉动较大，所以前排噪声由泄漏噪声主导，主要分布在500Hz以上的中高频，且在2 000Hz频率声压级存在峰值；而后排位于后车门后方，靠近尾门，汽车尾部产生的涡流激励尾门玻璃和尾门板件产生的外形噪声占主要部分，主要分布在200Hz以下的低频范围内。如图5所示，车身全密封状态下，由于泄漏噪声被排除，在500Hz以上，前排的声压级明显降低。且由于密封状态下，对外形噪声几乎不改变，200Hz以下后排噪声依然较高，也验证了之前的结论。

图4 自然状态(车身无密封，风速为120km/h，偏航角为0°)各乘员位置外耳噪声A计权频谱图

图5 全密封状态(车身全密封，风速为120km/h，偏航角为0°)各乘员位置外耳噪声A计权频谱图

如上述频谱图中所示，乘员舱内左右两侧乘员外耳声压级频谱曲线走势及声压级大小大体一致，即左右两侧人耳噪声频率特性相似。且从图6中可见，前、后排座椅左右两侧人耳的A计权总声压级大体相等，由于试验车辆左右两侧车窗密封性不完全相同，使右侧噪声声压级曲线在大约2 000Hz的频率附近略高于左侧，同时使右侧语音清晰度降低约5个百分点；且容易发现前排噪声总声压级高于后排约1dB(A)，这是由于车内噪声中，泄漏噪声占据了主要部分。为了简化，此后以前排左侧外耳噪声作为试验中噪声分析的参考点。

图6 自然状态(车身无密封，风速为120km/h，偏航角为0°)各乘员位置外耳A计权总声压级与语音清晰度

3.2 车内噪声的速度特性分析

工况2的测试结果如图7和图8所示。由图7可见:10 000Hz以下频率范围内，不同风速下前排左侧外耳的声压级曲线走势大体一致，且由于泄漏噪声的存在，使得在800Hz频率处均存在声压级峰值；频率超过1 000Hz以后，不同风速的声压级有趋同倾向，即随着频率的升高，声压级曲线逐渐靠拢，差异逐渐缩小，频率到5 000Hz以上时，不同风速的声压级变化很小。另外，风速为60km/h的工况下，声压级频谱中的声能量主要由频率在200Hz以上的中高频噪声产生，而随着风速的增加，中低频噪声的声能量贡献开始增加，高频噪声在整个频谱中的声能量占比越来越小，直至风速为150km/h时，声压级频谱中的声能量主要由3 000Hz以下的噪声贡献，可能是由于风洞开启时风机本身在高频段产生的背景噪声造成的，当风速在120km/h以上时，5 000Hz以上高频噪声的声能量贡献较低，背景噪声影响较小。由图8可见，车内噪声水平随风速增加几乎呈线性递增，且风速每提高20km/h，前排左侧外耳总声压级增加约4dB(A)，车内语音清晰度降低约10个百分点。

图7 偏航角为0°，车身无密封，不同风速下前排左侧外耳A计权噪声频谱

图8 偏航角为0°，车身无密封，不同风速下前排左侧外耳A计权噪声总声压级

3.3 侧风对车内噪声的影响

工况3的测试结果如图9和图10所示。当偏航角为正时，随着偏航角度由0°增加至10°，前排乘员位置噪声水平呈递增趋势，其中前排左侧变化明显，总声压级增加约3.1dB(A)，语音清晰度降低约10.3个百分点，而前排右侧变化微弱。这是由于当偏航角为正时，侧风来自于正对汽车行驶方向的右侧，前排左侧窗处于背风侧，气流分离程度的增加使得侧窗非稳态压力脉动更加剧烈，从而增加了驾驶位车内噪声水平，同时语音清晰度降低。而前排右侧由于距离左侧风窗噪声源位置较远而受其影响小，噪声水平变化不大。当偏航角为负，即侧风方向来自车身左侧时，由于前排右侧座椅处于背风侧，噪声总声压级对风速增加而明显增大约0.8dB(A)，而前排左侧远离噪声源位置而噪声变化不明显，这与偏航角为正时的规律相同。由于偏航角为正时，车身右侧试验段墙壁对流场有轻微阻塞，此时噪声水平变化幅度较小。不同偏航角下的噪声频谱如图11所示。由图可见，几乎在整个频率段内的噪声都随偏航角增加而变大，即包括形状噪声和泄漏噪声在内的声压级都有所上升。这一方面由于压力脉动程度的增加，使车窗玻璃和门板等部件振动更加明显，引起外形噪声的增加；另一方面，强烈的压力脉动使汽车内外压差变大，引起泄漏噪声增加。

图9 偏航角为正时，前排左(上图)右(下图)两侧噪声A计权总声压级与语音清晰度

图10 偏航角为负时，前排左(上图)右(下图)两侧噪声A计权总声压级与语音清晰度

图11 车身无密封，风速为120km/h，正偏航角左前(上图)与负偏航角右前(下图)A计权1/3倍频程频谱

3.4 车内气动噪声的组成

根据上述试验结果整理得到风速120km/h、偏航角0°条件下车内总噪声及其成分外形噪声和泄漏噪声声压级频谱，如图12所示(此后的数据，试验条件同此)。由图可见:300Hz以下的低频段，外形噪声大得多，平均相差约5dB(A)；频率高于300Hz后泄漏噪声开始占车内总噪声主导地位，且除约800Hz处的声压级峰值外，在2 000Hz处还出现一个次峰；车内语音清晰度关注的频率为200-6 300Hz，而由车身密封不良引起的泄漏噪声主要分布在300～3 000Hz之间，是车内噪声改进的重点。车内总噪声的总声压级为68.1dB(A)，其中外形噪声为64.4dB(A)，泄漏噪声为65.7dB(A)，泄漏噪声总声压级比外形噪声高约1.3dB(A)，需要重点改进。

图12 前排左侧A计权1/3倍频程频谱图

3.5 不同部分对车内噪声的贡献与改进方向研究

图13 车身部分测试位置示意图

表1 车身不同部分对车内语音清晰度的贡献

根据工况5(部分工况位置如图13所示)的测试得到车身各部分密封和部件对车内噪声的贡献量，如表1所示，负值表示语音清晰度降低。结果表明:门外缝隙产生的空腔噪声对车内语音清晰度贡献量最大，约5.41个百分点，但由于门缝大小与装配和加工工艺的精度相关，其改进性价比较低；门内密封(使用具有一定传声损失的密封胶)后，在频率300～5000Hz范围内声压级明显升高，平均增高3.6dB(A)(图14)，对前后排语音清晰度的最大贡献量分别为15.06个百分点和6.01个百分点，即车门密封衬条的隔声特性还有较大改进空间；前门B柱玻璃导槽密封对车内语音清晰度最大贡献量为1.88个百分点，建议添加密封条以增加玻璃贴合度；拆除后视镜之后，车内噪声明显降低，声压级平均降低1.7dB(A)(图15)，后视镜对车内语音清晰度贡献量最大约为5.31个百分点，需要对后视镜从泄漏和造型两个方面进行改进；整个外开门把手密封对车内语音清晰度贡献量最大为9.09个百分点，而其中门把手与饰盖间的缝隙贡献量最大为5.1个百分点，说明门把手的主要改进方向为泄漏点的查找和补漏；其他位置，包括前风窗玻璃两侧密封、A柱与前挡段差、雨刮器、发动机盖前缘缝隙等对车内噪声影响均不大，不作为改进重点。

图14 有无后视镜时A计权1/3倍频程频谱图

图15 有无门内密封时A计权1/3倍频程频谱图

3.6 噪声改进方案研究与试验验证

在3.5节噪声改进方向研究的基础上，分别对左侧后视镜、车身钣金件和衬条等部位进行改进，部分方案和试验结果分别如图16、图17和表2中所示。在后视镜全密封的基础上，分别开启后视镜转轴缝隙、螺栓孔和漏水孔处的密封，结果表明这3处泄漏对车内噪声均有明显贡献，因此采用泡棉封堵气流通过后视镜与乘员舱的唯一路径即线束穿孔，大大降低了后视镜的泄漏噪声，车内语音清晰度提高1.79个百分点；对于后视镜的造型，采用后视镜前侧距侧窗平面45mm、后侧距侧窗平面60mm的喇叭口新造型，试验证明在此尺寸以上能够使后视镜尾流区远离侧窗表面而减小车内噪声，同时采用较薄的后视镜支撑柄，车内语音清晰度改善了2.34个百分点；关于车身钣金件，分别在顶棚、四门和翼子板钣金件内侧加贴阻尼片进行补强，车内语音清晰度分别改善了3.21，1.46和0.15个百分点(误差范围内)，即面积较大的钣金件越容易发生振动及变形而产生噪声，需要进行补强；至于四门衬条，则分别换用了改软和改硬的两款衬条，对车内噪声均无改善，即衬条的硬度对车内噪声无明显效果，根据车内试验人员的主观感受，建议对A柱附近的衬条进行局部补强，以改善车内噪声。

图16 后视镜部分改进方案示意图

图17 车身部分改进方案示意图

表2 改进方案对语音清晰度的贡献

4 结论

(1)车内气动噪声主要由泄漏噪声与外形噪声组成。由密封不严引起的泄漏噪声，在 300-3 000Hz的中高频范围内主导车内噪声，且在2 000Hz处声压级存在峰值。

(2)空间上车内噪声水平左右对称分布，前排高于后排约1dB(A)。由于前排靠近B柱，受前后两车门泄漏影响，且靠近后视镜，导致前排泄漏噪声大于后排；后排处于后车门后方，密封性好，而汽车尾涡激励尾门结构产生的外形噪声贡献较大，使得后排外形噪声高于前排。

(3)在不同风速下，车内噪声频谱具有相似的频率特性，车内噪声水平随风速增加呈线性递增，且风速每提高20km/h，总声压级增加约4dB(A)，语音清晰度降低约10个百分点。

(4)随着偏航角度增加，处于背风侧的部位，由于气流分离变大而噪声逐渐增加，整个频率段的声压级最大增加约3.1dB(A)，语音清晰度降低约10.3个百分点；而迎风侧由于远离声源位置，风噪变化微弱。

(5)试验发现，衬条硬度对其隔声性能无明显影响，建议对A柱附近衬条进行局部补强；后视镜转轴缝隙、螺栓孔、漏水孔处存在泄漏，通过泡棉封堵线束穿孔有效降低后视镜泄漏噪声；新造型后视镜采用喇叭口造型和减薄的镜柄，降低了后视镜外形噪声；在顶棚和四门钣金件加贴阻尼片补强，有效降低车内噪声，且面积较大的钣金件加贴阻尼片改进的效果更好。