某轿车车内气动噪声特性的试验研究*

贺银芝，杨志刚，王毅刚

(同济大学汽车学院，上海 201804)

2016012

某轿车车内气动噪声特性的试验研究*

贺银芝，杨志刚，王毅刚

(同济大学汽车学院，上海 201804)

在分析了轿车车内气动噪声产生机理和传递路径的基础上，进行了整车气动声学风洞试验。首先调查了车内气动噪声的频谱特征和空间分布规律，其次对车内噪声的速度特性和偏航角度的影响进行了研究,最后对整车密封和后视镜对车内噪声的贡献进行了分析。结果表明：偏航角为0°时，人工头外耳的声压级几乎在整个频段都比内耳的声压级高，车内总声压级的分布基本上对试验车的纵对称面左右对称。不同风速下车内气动噪声的频谱特征很相似，车内噪声的线性总声压级和A计权总声压级随风速变化的特征指数分别为4.3和5.4。车内风噪水平随偏航角度的增加而增大，同样的偏航角下，背风面的风噪水平通常比迎风面高。在500Hz-2kHz频段，车内噪声对偏航角的变化最敏感。另外，密封件在500Hz-4kHz的中高频段对车内噪声的贡献较大，而后视镜只在4-7kHz的高频段才显出其对车内噪声的贡献。

车内气动噪声；试验研究；风速；偏航角；空间分布；密封件；后视镜

前言

近年来，随着生活水平的不断提高，人们更加注重车辆乘坐的舒适性，车内声环境的优劣因此成为客户越来越关注的重要因素。汽车行驶时产生的噪声主要由发动机动力传动系统噪声、轮胎路面噪声和空气动力噪声(风噪声)构成。当车辆以50km/h车速行驶时，车内噪声主要由发动机和传动系统的结构声所引起，而在50～100km/h之间，轮胎路面噪声则是主要的噪声源。随着车速的提高，整车气动噪声则扮演着越来越重要的角色。特别是行车速度超过130km/h(对于中档轿车)时，气动噪声就开始占据绝对优势[1]。

从20世纪60年代起，国内外就开始了对车辆动力传动系统噪声和轮胎路面噪声的研究，而由于车速的逐渐提高，到20世纪90年代初才兴起对空气动力噪声的研究。由于研究时间还较短，作为其研究的基础学科—气动声学的发展历史也不长，目前还有不少基础问题没有解决，对它的产生机理和特性还有许多不清楚的地方。由于气动噪声的理论研究在许多方面距离实际应用还有相当大的差距，而试验却具有直观和可靠的优点，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。

本文中在分析了轿车车内气动噪声产生机理和传递规律的基础之上，以某品牌四门三厢轿车为研究对象，通过整车气动声学风洞风噪试验数据分析，得到典型工况下车内气动噪声的大小及其频谱特性、空间分布规律、密封和造型因素对车内噪声的影响。

1 轿车车内气动噪声产生机理及其传递规律

对于高速行驶的轿车，由于气流流过车身表面突出物(比如后视镜、雨刮、天线和A柱等)或车身不同部件之间的接缝或凹凸不平处会引起气流分离,从而产生的湍流压力脉动作用在车身表面会在车外形成典型的双极子气动噪声源。该类车外气动噪声会通过车体结构传递到车内。另外，车身表面的湍流压力脉动还会激励车身壁板振动而向车内传递和辐射噪声。另一方面，车身结构门窗等处的密封不良也会在气流的作用下产生单极子气动噪声源，该类噪声可以直接辐射到车内。特别是高速气流作用下车身表面门窗密封条处的局部负压引起的密封间隙会使车外噪声直接传入车内。简单地说，车内气动噪声主要由车身外形引起的外形噪声(包括车身结构振动引起的辐射声)、密封系统引起的泄漏噪声构成。除此之外，行驶中的汽车打开天窗或侧窗时，流过该处的气流还会与车内空腔作用产生“风振”(Buffeting)现象，也属于气动噪声的范畴，但不是本文的研究内容。

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，如图1所示。该风洞是3/4开口回流式风洞，其喷口面积为27m2，试验最大风速可达250km/h。背景噪声水平在160km/h风速下低于61dB(A)，是国际同类风洞中最安静的风洞之一。测试时将试验车放在风洞驻室试验段天平转盘的中心位置固定。试验过程中风洞边界层抽吸及移动带系统关闭。

图1 试验平台及试验车辆

2.2 测试系统

测试采用德国HEAD acoustics公司噪声与振动测量和分析系统，包括HMS III数字人工头4套，多通道数采前端SQlabIII，双耳信号采集软件HEAD Recorder和Artemis 9分析软件。试验中4个人工头分别放在试验车主驾驶位、副驾驶位和后排左、右客座位置中央，用于采集双耳风噪信号，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 试验工况

根据气动噪声产生机理和传递规律，试验主要考察如下几个方面：由于气动噪声通常是以高速为特征，所以车内气动噪声水平随风速变化而变化的规律是首要研究的内容，如工况a中的设置；其次，侧风除了对行车安全性有较大影响外，对于车内气动噪声的影响也不容忽视，所以在工况a中还设置了不同偏航角度，以模拟侧风的影响；由于密封引起的泄漏噪声是车内噪声的重要组成部分，所以工况b考察密封性能对车内噪声的贡献；工况c则考查车身外形中容易引起气流分离的典型突出物后视镜对车内噪声的贡献。

具体工况如下:工况a，试验车处于标准状态(Baseline)，试验风速分别为80，100，120和140km/h，在120km/h条件下，偏航角为0°，±10°和±20°；工况b，试验车整车外表面零部件结合处和不连续的地方用密封胶带封住，试验风速为120km/h，偏航角为0°；工况c，在整车密封的条件下，拆除两边后视镜，试验风速为120km/h，偏航角为0°。

偏航角的定义如图2所示，其中偏航角为+10°时，表示试验车在风洞天平转盘内顺时针转动，使主驾驶位迎风，副驾驶位背风。偏航角为-10°时则相反，表示试验车在风洞天平转盘内逆时针转动，使主驾驶位背风，副驾驶位迎风。

图2 偏航角+10°时，试验车与来流的相对方向

3 噪声测试结果及分析

风洞的背景噪声是影响风噪测试精度的主要因素。所以在正式进入试验测试工况前，应对零风速下的车内背景噪声进行测试。图3为背景噪声与标准状态(Baseline)下风速120km/h和0°偏航角时车内主驾驶位人工头外耳声压级对比。数据采集时每路信号采样时间为15s，采样频率为48kHz，应用20Hz高通滤波，分析频率范围选取20-10 000Hz，FFT块大小为4 096(频率分辨率11.7Hz)，所有的频谱分析加汉宁窗。该图表明，在整个分析频段20-10 000Hz上信噪比很好，完全可以保证测试结果准确可靠。

图3 Baseline状态(风速120km/h，偏航角0°)与零风速下背景噪声的对比

3.1 车内噪声的频谱特征分析

图4为轿车标准状态Baseline即工况a条件下主驾驶位人工头双耳的线性谱和A计权声压谱。从谱图中可以看出，两耳的频率特性相似，但略有不同。外耳的声压级几乎在整个频段都比内耳的声压级要高。这是由于外耳距离车身表面更短，气动声源传递到外耳的路径更近，所以通常对外流场引起的车内噪声的变化更为灵敏。因此在车内气动噪声的分析中一般以外耳的信号作为基准，内耳信号只作为参考[2]。

图4 Baseline状态(风速120km/h，偏航角0°)车内驾驶位人工头左右耳的线性声压谱(上)与A计权声压谱(下)的对比

从图4中的线性谱可以看出，车内风噪的能量随着频率的升高而快速降低，其总声压级的大小主要取决于低频段的能量。从A计权声压谱可以看出，100-1 000Hz频段的能量对总声压级的贡献最突出。从主观听觉感受来讲，人耳对1 000Hz左右的声音最为敏感，所以从优化风噪设计角度应首先考虑降低该频段的噪声级。

3.2 车内噪声空间分布规律的分析

图5为Baseline工况，风速120km/h,偏航角0°下，车内4个人工头外耳与内耳A计权总声压级的对比。可以看出，每个人工头的外耳总声压级总是大于内耳。驾驶位人工头两耳的总声压级差是1.7dB(A),其它位置的人工头两耳总声压级差略小些。前排位置的两人工头外耳的总声压级几乎相同，后排位置的两外耳也有同样的规律。不管前排或后排，两相邻人工头的内耳的总声压级也几乎相同。这说明车内总声压级的分布几乎是沿着试验车的纵轴线左右对称的。这在一定程度上说明了该试验车的性能状态正常，没有明显的左右不对称现象。

图5 4个人工头内外耳A计权总声压级对比(Baseline工况，风速120km/h,偏航角0°)

图6 4个人工头外耳A计权声压级谱图对比(Baseline工况，风速120km/h，偏航角0°)

图6为Baseline工况，风速120km/h，偏航角0°下，车内4个人工头外耳A计权声压级频谱。可以看出，不管是前排或后排，两外耳的频率特性几乎相同。在50-200Hz的低频段，前排声压级明显低于后排。而在中高频段600-10 000Hz，后排声压级则低于前排。文献[3]中的研究结果表明，通常情况下，车内低于200Hz的低频声能量主要是由于非稳态的风压脉动激励车身结构振动而引起的声辐射，而在高于2 000Hz的高频段，车内声能量主要是由于密封系统引起的声泄漏。因此，可以推断，该试验车后部的湍流脉动(比如车底部)激励引起的车身表面振动可能比前部更剧烈，而车身前部的声泄漏(比如车前门、前侧窗)可能比后部严重。这是一种典型的试验结果。

3.3 车内噪声的速度特性分析

所谓速度特性是指车内噪声水平与车辆行驶速度的关系，这里指车内风噪水平与风速的关系。图7为Baseline工况下，驾驶位人工头外耳在不同风速及0°偏航角下的线性和A计权窄带谱(频率分辨率11.7Hz)。显然，不同风速下的频谱特征很相似。

图7 标准工况Baseline状态,0°偏航角下，不同风速车内驾驶位人工头外耳线性(上)和A计权窄带谱的对比(下)

图8为Baseline工况下，偏航角0°时，随着风速提高，驾驶位人工头外耳线性和A计权总声压级的变化趋势。由图可见：车内噪声总声压级随速度的提高几乎呈线性增加；而且，A计权总声压级比线性总声压级增长稍快。

图8 不同风速下驾驶位人工头外耳线性和A计权总声压级变化(Baseline工况，偏航角0°)

根据Lighthill气动声学理论，单极子、偶极子和四极子声源产生噪声的能量分别与速度的4次方、6次方和8次方成正比。因此为了考察车内声能量的构成，可以假定车内气动噪声的声能量与速度v的x次方成正比，然后应用式(1)就可以根据测量得到的不同风速v1和v2下的总声压级差ΔLp来推算车内噪声随风速变化的速度特征指数x的大小[4]。

(1)

经计算可知,由车内风噪线性总声压级计算得来的速度特征指数在4.2～4.6之间变化，它们的平均值是4.3。这说明车内风噪的声能量与风速的4.3次方成正比。图7表明线性声压级谱的总声能主要取决于低频段的能量，既然车身表面振动引起的声辐射对低频段声能量有重要贡献，因此该类噪声可能具有和单级子声源类似的特征。对于A计权的总声压级，速度特征指数在5.2～5.7之间变化，它们的平均值是5.4。从图7也可看出，车内噪声的A计权总声压级主要取决于50Hz-2kHz频段的能量。特征指数为5.4表明对车内噪声的贡献主要由双极子声源构成，也即由车身表面的气流分离和非稳态的压力脉动引起的气动噪声。

3.4 不同偏航角度对车内噪声的影响

图9 Baseline状态,风速120km/h下，不同偏航角度车内驾驶位人工头外耳A计权声压谱的对比

不同偏航角度是模拟车辆在行驶时受到侧风的影响程度。图9表示工况a条件下，风速120km/h时，不同偏航角度对车内噪声的影响。从谱图中可以看出，首先在有一定偏航角度时，其车内噪声的频谱特性相对于零偏航角度时有明显变化。不论是正偏航角还是负偏航角，其车内声压级水平几乎在整个频段都比零偏航角时大，特别在500Hz-2kHz频段车内声压级变化最大，也即在该频段试验车对侧风的影响最为敏感。除此之外，同等偏航角下，在负偏航角，也就是主驾驶位背风时，车内人工头外耳声压级比迎风时高。这是由于背风时，靠近主驾驶位附近车身表面的流动分离较迎风时更为严重，从而引起了侧窗表面更强烈的压力脉动所致[5]。其次，不论是正偏航角还是负偏航角，车内噪声水平都随着偏航角度的增加而增大。

3.5 密封系统对车内噪声贡献分析

图10表示风速120km/h，偏航角0°时，工况a与b条件下车内噪声的频谱变化的对比。从谱图中可以看出，整个车身密封后，频谱特性发生了明显变化，车内噪声级明显下降，特别是在500Hz-4kHz中高频段，驾驶位人工头外耳平均声压级下降了约7dB。这也验证了前人的试验结果[6]，即由于密封系统引起的声泄漏主要在高频段。既然从500Hz开始，由于密封问题造成的声泄漏就有明显表现，所以该车的密封系统还有很大的设计改进空间。

图10 风速120km/h，偏航角0°下，工况a与b车内驾驶位人工头外耳A计权声压谱的对比

3.6 后视镜对车内噪声贡献分析

图11 风速120km/h，偏航角0°下，工况b与c车内驾驶位人工头外耳的A计权声压谱的对比

图11表示风速120km/h，偏航角0°时，工况b与c条件下车内噪声的频谱变化对比。从谱图中可以看出，在整车密封前提下，当后视镜被拆除后，车内频谱特性发生了一定变化，主要在4-7kHz的高频段，平均声压级仅下降了约0.8dB。这说明了该后视镜的风噪性能设计较好。

4 结论

通过对某轿车进行整车气动声学风洞试验，分析了典型工况下车内气动噪声的特征表现,获得以下主要结论。

(1) 车内气动噪声的能量随着频率升高而快速降低。通常情况下，偏航角0°时，同一风速下，外耳的声压级在几乎整个频段都比内耳声压级高，车内总声压级的分布几乎沿着试验车纵轴线左右对称。

(2) 同样偏航角下，随着风速升高，车内气动噪声的频谱特征很相似。车内噪声的线性总声压级随着风速的4.3次方升高，而A计权总声压级则随着风速的5.4次方变化。

(3) 同样风速下，随着偏航角变化，车内气动噪声的频谱特征也发生较大变化。当偏航角增大时，不管是在背风面或迎风面，车内声压级均随之升高。相同偏航角度下，背风面的车内噪声水平比迎风面高。特别是在500Hz-2kHz频段，车内噪声对偏航角的变化最敏感。

(4) 整车密封后，相对于标准工况Baseline，车内噪声的频谱特性发生了明显变化，车内噪声级明显下降。当风速120km/h，偏航角0°时，在500Hz-4kHz的中高频段，平均声压级下降了约7dB。

(5) 后视镜对车内噪声的贡献主要在4-7kHz的高频段。整车密封后，风速120km/h，偏航角0°下，车内噪声的平均声压级仅下降了约0.8dB。

综上所述，若要降低该试验车的车内气动噪声，应首先考虑改善该试验车车身连接处的密封状况，特别是车前部比如前门、前侧窗等处的密封。其次，车身底部护板的设计应尽可能平顺，以降低该处的湍流度，从而降低该处由于振动而幅射到车内的噪声。后视镜及A柱的造型对车内风噪的贡献一般不容忽视，但本试验车的设计效果较好。

[1] DOBRZYNSKI W. The Effect of Fluctuation Pressures on the Body Surface of Passenger Cars on Interior Noise [D]. Berlin: Technical University of Berlin,1983.

[2] AYED R A. A Survey of Automobile Aeroacoustic Activities in Germany[C]. SAE Paper 950623.

[3] OCKER J, Dr.-Ing. h.c.F.Porsche AG. Experimentelle Ermittlung der Aerodynamisch Induzierten Spektralen Druckverteilung auf einer Fahrzeugoberflaeche am Beispiel des Porsche Cayenne[C]. ATZ/MTZ-Konferenz, Akustik und Antriebskonzepte, Stuttgart:2006.

[4] HE Y Z, YANG Z G, WANG Y G, et al. An Experimental Study of Automobile Interior Aerodynamic Noise[C]. Proceedings of 2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering, Wuhan:2011:3946-3949.

[5] GRAF A, LEPLEY D, SENTHOORAN S. A Computational Approach to Evaluate the Vehicle Interior Noise from Greenhouse Wind Noise Sources-Part II[C]. SAE Paper 2011-01-1620.

[6] WILLIAM B C. Experimental Evaluation of Wind Noise Sources: A Case Study[C]. SAE Paper 1999-01-1812.

An Experimental Study on the Interior AerodynamicNoise Characteristics of a Sedan

He Yinzhi, Yang Zhigang & Wang Yigang

SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804

Based on an analysis on the generation mechanism and transmission path of interior aerodynamic noise, an aeroacoustic wind tunnel test is conducted on a sedan. Firstly the spectra characteristics and spatial distribution rule of interior aerodynamic noise are investigated. Then the sound pressure spectrum under different wind speeds and yaw angles are studied. Finally the contributions of sealing parts and rear view mirror to interior noise are analyzed. The results show that with a zero yaw angle, the sound pressure level at artificial outer ear is higher than that in inner ear in almost whole frequency range and the distribution of overall interior sound pressure level is basically symmetrical about the longitudinal symmetric plane of vehicle. The sound pressure spectra of interior aerodynamic noise at different wind speeds are rather similar and the characteristic exponents of linear and A weighted overall sound pressure levels of interior noise are 4.3 and 5.4 respectively with respect to the change of wind speed. The interior aerodynamic noise goes up with the increase of yaw angle, and under the same yaw angle, the noise level by leeward side is normally higher than that by windward side. In the frequency range of 500Hz-2kHz, interior noise level is most sensitive to the variation of yaw angle. In addition, the sealing parts have more contributions to interior noise in the frequency range of 500Hz-4kHz, while for rear view mirror, its contribution becomes noticeable only in the high frequency range of 4-7kHz.

interior aerodynamic noise; experimental study; wind speed; yaw angle; spatial distribution; sealing parts; rear view mirror

*上海市自然科学基金(09ZR1433800)资助。

原稿收到日期为2014年6月16日，修改稿收到日期为2014年8月6日。