某SUV后视镜镜臂气动噪声试验

刘海军, 郭航,彭兴芝, 吴杨

(1.河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002；2.长城汽车股份有限公司 河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000)

车速超过100 km/h时，气流流经车身表面段差、缝隙、空腔及凹凸不平处发生分离，产生湍流压力脉动，进而形成主要气动噪声源.该噪声源是破坏司乘人员舒适性的关键因素，进而影响顾客对乘车的满意度.因此，气动噪声的研究具有重要意义.

国外学者对气动噪声的研究较早,英国科学家Lighthill[1-2]将流体的连续性方程和运动方程联立，推导出了声学的基本方程，同时将复杂的声学问题分为声场和流场分别进行求解，这就是经典的声类比方法的思想.目前运用声类比方法，可以解决气流由车表面分离产生的噪声问题，Marie[3]利用该方法对车外气动噪声源传递至车内噪声进行预测，并评估了湍流噪声和壁面压力脉动噪声对车内影响贡献的权重.针对外气动噪声源的分布规律进行了研究，发现后视镜、A柱、门把手和雨刮器等是形成气动噪声源的主要外部附属部件[4-7].这些噪声源所在的车外某些区域(A柱-侧窗及后视镜区域，前风挡-通风盖板及A柱区域和前轮区域)是影响车内噪声的关键区域[8].在后视镜、A柱及侧窗噪声关键区域，Richard、Hartmann等[9-10]使用声学风洞对汽车外后视镜产生的气动噪声进行研究，发现后视镜产生的气动声源对车内声学环境影响较大.Terakado等[11]使用气动声学风洞对A柱雨水槽产生的气动噪声进行研究，发现雨水槽填平可以减少气流的分离.车外关键区域的气流分离后产生压力脉动和湍流噪声，经玻璃传递至车内从而影响司乘人员的舒适性.因此，研究高速气流形成的气动噪声对车内噪声的影响至关重要.

国内学者对气动噪声的研究起步较晚，大部分主要研究了后视镜、雨刮器和门把手等关键部位的噪声问题[12-13]，同样发现外后视镜产生的噪声源是对车内噪声影响较大的外附属物，汽车研发过程中造型阶段，通过优化控制后视镜的结构可以改善车外流场分布，进而改善车内的噪声水平.陈鑫等[14]对汽车外后视镜产生气动噪声源的问题进行了研究.贺银芝等[15-16]利用声学风洞和螺旋形声阵列对车辆的气动噪声源进行研究，发现后视镜对车内噪声环境的影响较为突出.刘海军等[17]采用数值仿真的方法对某SUV的外后视镜对车内声场的响应进行了研究，得出外后视镜的导流筋和雨水槽可以起到抑制声源的作用进而提高了车内司乘人员的舒适性.陈鑫等[18]提出仿生外后视镜的镜罩在一定程度上可以改善前侧窗上压力的分布，对整车的气动噪声都有积极的影响.Duan等[19]使用仿真的方法对后视镜区域的外流场进行计算，得到车表面的压力脉动分布.唐荣江等[20]对某商用车外后视镜区域气动噪声源进行研究，发现中低频噪声为主要的气动噪声源.袁海东等[21]采用求解扰动量方程的方法，研究了高速行驶的汽车前侧窗表面的压力分布，得到后视镜是低频激励的主要贡献者.王毅刚等[22]使用涡声理论的方法研究了经A柱的气流流场分布，得到通过优化车外流场可以改善车内司乘人员用车的舒适性.

综上所述，国内外均对气动噪声进行了相关研究，多数关注的是后视镜和A柱的气动噪声外流场的分布规律，少数人研究了后视镜对车内噪声贡献，至今很少见到采用试验的方法研究后视镜镜臂长度参数对车内噪声影响的文献.

因此，本文采用试验的方法研究了后视镜镜臂不同长度参数(垂直于侧窗方向)对车内噪声环境影响的变化规律，为后视镜镜臂长度的设计提供理论依据.

1 试验风洞与模型

1.1 试验风洞

图1 整车气动声学风洞Fig.1 Aerodynamic acoustic wind tunnel of the shanghai

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，其喷口面积为27 m2，背景噪声水平在160 km/h风速下低于61 dB(A)，试验最大风速可达250 km/h，如图1所示.测试时，试验车固定在风洞的驻室内试验段天平转盘的中心位置.在试验过程中，风洞边界层抽吸及移动带等系统关闭.试验温度控制在22～24 ℃，相对湿度为36%～40%，环境气压为101.3～101.35 kPa.

1.2 试验模型

试验车辆为ET(汽车开发过程中用于试验的车辆)阶段小批量生产的某SUV样车车型，车辆状态良好，整车无异响，整个车身表面用车辆专用密封胶带进行密封.该车辆后视镜镜臂安装在三角窗上.后视镜镜臂按照实验长度(30、40、 50和60 mm)在试制车间加工制作，不同长度的后视镜镜臂均可以牢固固定在三角窗上，如图2所示.

图2 试验车模型Fig.2 Model of the testing vehicle

1.3 试验测试系统

测试系统采用德国HEAD acoustics公司的振动与噪声测量及分析系统.试验由HMS Ⅲ数字人工头的双耳信号处理系统接收信号，经多通道数据采集系统SQlabⅢ传至双耳信号处理系统(采集软件HEAD Recorder)，使用LMS对采集的数据进行处理.

2 试验方法

2.1 测点布置

测试过程中，乘员舱内主副驾驶位置和左右后排乘客位置放置4个人工头，并在主副驾位和左右后排座椅的头枕处放置8个麦克风，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，如图3所示，再经由天平基座接入测控室的数据采集分析系统.

图3 测试系统Fig.3 Testing system

2.2 试验方法

试验过程中，用车辆专用密封胶带把整个测试车辆表面的缝隙、沟槽、前后大灯、前后雾灯、进气格栅、4门侧窗、前风挡、后风挡、后三角窗等区域进行密封，密封后保留了车身表面空腔、缝隙及段差的状态，排除车身密封泄漏引起的气吸噪声影响，车内保持泄漏噪声较低的“全密封状态”.使车内噪声水平处于最低状态，将此方案定位基准状态，在此基础上进行优化.

2.3 试验工况

本试验的各种方案均在测试车辆外表面进行全密封，为防止车外气流直接进入到乘员舱，测试过程中试验车空调系统须设置为内循环模式，并关闭.测试过程中偏航角度为0°，测试风速为120、140及160 km/h，针对后视镜镜臂长度为30、40、50、60 mm 4种工况进行了测试.

3 试验结果及分析

3.1 车内能量分布规律

车内能量可以一定程度上反映车内噪声水平，车内能量与车外噪声源直接关联.声压级可直接反应声能量的强弱，且是一个客观物理量，因此，可以采用声压级对车内声能量进行评价.

如图4a-c所示，纵坐标为主驾外耳的声压级，横坐标为频率.各方案的声压级在中高频率随着频率的增大而下降，500 Hz以下，声压级随着频率的增大迅速增加，500 Hz以上随着频率的增加迅速减小.因此气流分离后产生的湍流压力脉动对中低频的声压级影响较大，而声音压力脉动对中低频的声压级影响较小，这是由于湍流产生的能量远大于(可以达到1个数量级)声音产生的能量.湍流压力脉动和声学脉动的频率特性有较大差异，湍流压力脉动在中低频随着频率的增大而迅速增加，在中高频随着频率的增大迅速衰减，而声学压力脉动在中低频随着频率增加而缓慢变化，在中高频随着频率的增加而缓慢衰减.

a.120 km/h;b.140 km/h;c.160 km/h.图4 偏航角为0°的主驾位外耳声压频谱Fig.4 Sound pressure spectrum of the driver left ear with a yaw angle of 0° in each plan

各车速下，镜臂40 mm和60 mm的频谱曲线随着频率的变化规律基本一致，两者的声压级水平也相当，镜臂30 mm频谱曲线在曲线族上方，声压级也最大.

镜臂长度从30 mm变为50 mm时，声压级下降0.7～0.9 dB(A)，声压级减小量为0.5%～1.21%，从40 mm变为50 mm时，声压级基本相当，几乎无改变，镜臂长度大于50 mm时，声压级变化较小，甚至有增大的趋势，这是由于镜臂长度增大到一定长度后，后视镜的湍流与侧窗的干扰变弱，A柱引起的湍流逐渐占主导所致，如表1所示.考虑到后视镜的视野规范要求，镜臂不能无限制的增大，镜臂长度参数控制在40～50 mm较好.

后视镜镜臂处在A柱-侧窗-后视镜气流状态变化比较复杂的区域，研究后视镜镜臂长度对车内噪声环境影响的变化规律具有重要意义.

表1 声压级，语言清晰度及响度Tab.1 Sound pressure level, articulation and loudness

3.2 车内声品质分布规律

气动噪声对车内声品质的影响与一般的振动噪声不同，气动噪声是宽频噪声，对车内声品质影响较大.声品质是司乘人员对噪声源的主观感受，而且影响司乘人员的驾乘感受.因此，可以采用与主观感受及噪声源均有相关的物理量(语言清晰度和响度)来评价车内声品质.

各车速条件下，探究后视镜镜臂长度对车内语言清晰度的影响变化规律，对分析车内声品质具有重要意义，镜臂长度从30 mm变为40 mm时，语言清晰度相对增大9%～14%，镜臂长度从40 mm变为60 mm后，语言清晰度相对增大1%～2.6%，变化不明显，如表1所示.综合考虑，为得到较好的语言清晰度，镜臂长度控制在40～50 mm较合理.

响度是人耳对噪声源强弱直接感受的主观物理量，可以用来评价车内声品质优劣，各车速条件下，研究后视镜镜臂长度参数对车内响度的影响变化规律，具有重要的意义，镜臂长度从30 mm变为40 mm时，响度减小0.5～0.6宋，相对减小量为1.7%～2.1%，响度随镜臂长度的增加减小较快.镜臂长度从40 mm变为60 mm时，响度减小0.1～0.3宋，相对减小量0.3～0.7%，随着速度的增加镜臂响度变化趋缓，镜臂长度增加响度基本不再变化，这是由于后视镜引起的气动噪声对车内的影响逐渐减弱，同时A柱湍流引起的气动噪声对车内的影响逐渐增强，如表1所示.建议镜臂长度控制在40～50 mm较合理.

后视镜镜臂长度参数的变化产生的气动噪声源为宽频噪声，该声源通过控制语言清晰度和响度2个物理量来实现对车内声品质的优化是合理和可行的.

4 结论

采用试验的方法探究了后视镜镜臂长度对车内声能量和声品质的影响，结论如下：

1)后视镜镜臂长度对车内声能量影响规律呈对数变化规律.镜臂长度在30～40 mm时，能量相对减小0.5%；在40～50 mm时，相对减小0.04%，50 mm以上能量变化较小.

2)后视镜镜臂长度对车内语言清晰度的影响呈对数变化规律.镜臂长度在30～50 mm时，语言清晰度相对增大9%～14%；而在50～60 mm时，相对增大1%～2.6%.

3)镜臂长度对车内响度的影响呈二次方程规律.镜臂长度在30～40 mm时，相对减小1.7%～2.1%；40～60 mm时，相对减小0.3%～0.7%.

4)采用语言清晰度和响度2个主观物理量对车内声品质的评价是比较合理和可行的，结合后视镜视野法规要求，优化控制过程中，后视镜镜臂长度在40～50 mm较合理.