汽车天窗风振噪声的道路试验研究

黄丽那，蓝志坤， 孙冰寒， 李俊

(1.长春大学，吉林长春 130022；2.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130000)

0 引言

汽车的振动、噪声和舒适性(NVH)日益成为新车型研制开发的重点，由于任何车型都会产生风噪，而风噪声的大小将直接影响汽车NVH的性能[1]。风噪声即汽车车身与空气发生相对运动产生的噪声，而在所有风噪类型中，风振噪声尤为特殊，它常发生在中低工况下，不同车型车速范围常在30～90 km/h[2]，开启天窗或者侧窗时产生低频“空空”的发闷声，虽然它不易被人耳听到，但它产生的脉动压力却使乘客感到烦躁和疲倦。目前，国内外汽车厂商进行汽车风振噪声研发时，常采用仿真分析方法和风洞试验方法[3]。风洞试验能够主动控制风速和风量，受环境变化影响较小，但是风洞实验室投资巨大、建设周期长，目前，仅有同济大学的声学风洞实验室可以用于测试，汽车风振噪声研究和改进却刻不容缓，因此，在没有风洞实验条件下开展汽车风振噪声改进分析具有极大的工程实用价值。

1 风振噪声的产生原理

汽车以低速行驶，开启天窗这一实际使用过程伴随着风振噪声的产生。天窗开启后，车内相对静止的气流与车外相对高速的气流相互接触，高、低速气流之间的压力差产生一个剪切层，当车内外气流的速差超过一个临界值后,剪切层就会处于不稳定的状态，随着汽车向前行驶，剪切层逐渐形成旋涡,在天窗开口上部沿着气流一起向后流动，并呈现周期性散发。旋涡流动频率主要受气流速度和车顶外形的影响，当旋涡撞击到开口的后缘时,旋涡破碎,产生一个向四面传播的压力波，而这部分压力波传到开口的前缘,又将再次引发旋涡的脱落,形成反馈回路。此时车厢内形成空腔，产生固有频率，该频率与开口的几何尺寸和车内造型有着很大的关系，当旋涡的脱落频率与车厢的空气固有频率耦合时,将会发生赫尔姆霍兹共振效应[4]，从而产生风振噪声，如图1所示。

2 风振噪声数学模型

从风振噪声产生的原理方面考虑，只要车内腔固有频率fr与旋涡脱落频率fs相等，即产生风振噪声。根据赫尔姆霍兹固有频率经验公式[4]可知，对于车型固定，fr是只与几何尺寸相关而与车速不相关的常数。

旋涡从车窗开口前缘向后缘脱落的时间周期T1：

(1)

式中：Dd为旋涡从前缘到后缘流过天窗开口的距离；0.5v为旋涡流过的速度，即综合考虑室外顺风和逆风求得平均车速。

旋涡破碎产生的压力波由后缘传到天窗开口前缘的时间周期T2：

(2)

式中：Dd为旋涡压力波从后缘到前缘流过天窗的开口距离；传播速度用声速C表示。

旋涡脱落频率fs可以由公式(3)表达，由此可见旋涡脱落频率fs是与车速相关的一元线性方程，车内腔固有频率与车速无关，fs一定与fr相交，此相交点即风振噪声产生的车速a(km/h)与频率b(Hz)特征，如图2所示。

(3)

3 道路风振噪声测试

3.1 试验准备

针对某款带天窗配置的试验车型，道路试验环境要求为柏油光滑路面，环境风速不大于2级风。由于风振噪声的产生与车速关系密切，因此使用GPS获取车速并将车速和驾驶员座位入耳处声压共同输出，考虑到车内风振噪声受风向影响，如顺风行驶时车内风振噪声相对逆风行驶时小，测试时必须在环道的两个方向上采集车内风振噪声数据进行平均化处理。

3.2 测试工况

目前，国内外汽车厂商进行汽车风振噪声测试时，通常需要风洞试验条件，因为在风洞试验室内可以获得单纯的风振噪声，但是为了接近实际情况，更贴近驾乘者的实际感受，麦克风布置在驾驶员内耳位置。选择在室外道路上进行风振噪声测试，为减少发动机噪声对车内风振噪声评价和分析的干扰，理论上可以在汽车行驶时突然关闭发动机，利用汽车惯性前行来评价和分析车内风振噪声，但这样驾驶车辆进行测试时非常危险，不具备实际操作性。且由于汽车风振噪声低频产生的声压级水平远远高于其他零部件正常运行产生的声压级水平，因而忽略其他噪声对车内风振噪声影响，后续的试验结果可以验证这一结论。

根据数学模型可知，旋涡脱落频率fs为与车速相关的一元线性方程，车内腔固有频率fr为常数，不随时间改变，因此fs一定与车内腔固有频率fr相交，此相交点即风振噪声产生的车速与频率特征。为了明确产生风振噪声特征，通过试验获取天窗风振噪声的具体车速与频率特性。

车辆行驶工况为节气门半开加速工况和匀速工况：

(1)加速工况。天窗开启至最大位置，车速以节气门半开从25 km/h加速到100 km/h,中间进行车速扫射，查找风振噪声产生的车速范围。为了明确测试结果为风振噪声特性，结合主观评价方法[5]，采取相同步骤测试无风振噪声产生工况，并对测试数据进行对比分析，有助于提高道路测试可信度。

(2)匀速工况。匀速(车辆行驶速度的选择以主观评价及加速工况数据分析出的最大风振噪声对应的速度为准)测试，测试时间为10 s，根据天窗既定的设计模式。

4 风振噪声测试结果

通过对比分析方法明确风振噪声是否产生，采用主观评价方法验证这一测试，并且通过试验方法捕捉风振噪声产生的车速和频率范围特点，对于减少风振噪声的优化方案提供客观数据。

针对天窗开启但未产生风振噪声的模式下的加速测试结果进行分析,由于风振噪声产生的频率较低，因此噪声声压级均采用无计权后处理。结果如图3所示，驾驶员内耳位置未见明显声压级波峰，主观感受良好。

天窗开启且驾驶员主观感受有明显压迫感，加速测试结果如图4所示。车速25～60 km/h时，声压级水平明显高于其他噪声，频率范围处于10～25 Hz，通过切片图可以看出最高声压级达到120 dB(A)，此时频率为16.87 Hz，发生风振噪声的车速为46.22 km/h。

为了得到进一步的验证，在车内右后方乘客位置内耳处增加麦克风，在上述风振噪声发生的车速下进行匀速行驶，结果如图5所示。图中曲线2表示乘客位置内耳噪声，曲线1表示驾驶员位置内耳噪声，获得声压级峰值达到120 dB(A),结论与上述一致,与驾驶员主观感受完全吻合。

5 结束语

道路风振噪声测试方法无需风洞试验条件的配合，大大缩短开发周期、节省开发费用，而且能还原实际场景，符合驾乘者使用与用户感受。工程实践证明：道路风振噪声测试、客观评价及分析风振噪声，为客户解决汽车风振噪声抱怨及优化汽车风振噪声方面提供思路。