用于汽车车内风噪评价的频谱光顺度研究*

2020-10-09王毅刚杨志刚贺银芝彭里奇

汽车工程 2020年9期

沈哲，王毅刚，杨志刚，4，贺银芝，彭里奇

（1.同济大学机械工程博士后流动站，上海 201804； 2.同济大学上海地面交通工具风洞中心，上海 201804；3.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； 4.北京民用飞机技术研究中心，北京 102211）

前言

汽车车内风噪水平影响车内乘客的舒适性和行车安全性，是当前汽车行业重点关注的一项性能指标。研究汽车风噪最有效的手段是风洞试验，通过测试数据快速准确地评价车内风噪性能是当前汽车风噪开发中的关键问题之一。

评价声的优劣应当以人的主观感受为最终衡量标准，但人的主观感受差异大且量化困难［1］，现阶段评价噪声性能的优劣仍以客观参量为主。其中，A计权总声压级是最常用的声学参数指标；随着心理声学发展，响度、语音清晰度等对异常噪声更敏感的心理声学参数［2］也被汽车工程界普遍认可［3］。车内风噪声源分布和传递路径均极为复杂，因此其频谱构成也非常复杂［4］。上述单值参量能给出声信号按频谱记权后的幅值大小，但对车内噪声评价时仍有较明显的不足［5］：（1）没有考虑频谱各个成分之间的关系，如量值相等的两个信号给人的主观感受可能差别很大；（2）对幅值较低的频率成分容易忽略其贡献，如车内风噪高频段幅值整体较低，有局部峰值对总值影响很小，但实际人耳主观感受非常明显，应当予以考虑。

针对车内风噪的评价参数问题，本文中以实际量产车的风洞试验数据为样本，关注声信号频谱的光顺性，分析频谱上毛刺、凸起等不平顺点产生的原因，研究频谱光顺程度客观参量化方法。本文研究成果可用于车内风噪评价的工程应用，提高风噪评价准确度和整车风噪开发效率。

1 汽车风噪样本

1.1 测试介绍

本文中测试均在同济大学上海地面交通工具风洞中心的整车气动声学风洞中完成。该风洞是3／4开口回流风洞，喷口面积27 m2，最高试验风速250 km／h，试验段自由场空间的低频截止频率为50 Hz，背景噪声水平在160 km／h风速下低于61 dB（A）。

测试设备使用的是HEAD acoustic公司的噪声测量分析系统，包括HMS III型数字人工头、Head Lab多通道数采前端和Head Record采集软件。测试时人工头启用22 Hz高通滤波器，采样频率为48 kHz，采样时间为10 s。

试验测点位置、测试工况（风速、偏航角）较多，为保证数据的一致可比性，本文中给出的结果均为试验风速保持120 km／h、0°偏航角时，主驾驶人工头外耳测点的结果。

后期进行数据分析处理使用Artemis Suite分析软件，包含心理声学参数计算模块。

1.2 风噪样本分级

以23辆乘用车的风洞实测数据作为样本对象。样车均为近年在国内上市的量产车型，包括多种尺寸的三厢轿车、两厢轿车、运动型多用途车（SUV），低配车型市场指导价范围为8～80万元，涵盖范围较广。所有车辆性能良好、风噪水平可视为出厂状态。

由于样车尺寸、类型众多，直接横向比较风噪水平，较为困难。不同市场定位的车型由于开发目标、制造成本等原因，各方面性能包括风噪水平之间有一定差距。参考品牌和市场定位，按价格区间将23辆样车分为经济型（15万元以下）、舒适型（15～25万元）、豪华型（25万元以上）。3个级别车型的风噪性能参数的平均值如表1所示。

表1 不同级别车型风噪性能参数

由表1可见，3个不同级别样车的声压级、响度和语言清晰度有明显的级差，车型定位越高，总声压级和响度越小且语言清晰度越高。因此，可认为整车风噪性能与车型定位高低呈正相关。

2 车内风噪与频谱光顺关系

2.1 车型等级与频谱光顺

为观察不同级别车型的车内频谱特性，每个级别选取一辆具有代表性的样车，给出A计权声压谱，如图1所示。

图1 3辆不同等级样车车内风噪频谱

由图1可观察到，不同风噪水平等级的样车除声压级大小的区别之外，谱线的光顺程度也差距明显：风噪性能最差的A1曲线平顺性最差，在1 000 Hz附近有几个明显的尖峰，6 000 Hz以上有频谱的毛刺非常明显；整体风噪性能最优的样车C1的频谱曲线非常光顺，在1 200 Hz以上几乎无明显的凸起或毛刺；而风噪水平处于两者之间的B1频谱光顺度也处于两者之间。综上可得以下假设：车型风噪性能越佳的车型频谱曲线越光顺，之后将对此假设进行进一步的研究。

2.2 泄漏噪声与频谱光顺关系

从2.1节可知，频谱的光顺程度和风噪性能是密切相关的，而引起频谱曲线不光顺的主要原因分为如下两大类：（1）中低频内某些频率段幅值较大主要是由汽车外形凹凸不平引起，如A柱、后视镜等部件或前后风挡与车身连接处的形变等，此类问题与车身造型密切相关，在实车上改善较为困难；（2）中频以上频谱的凸起、毛刺基本都由车身密封系统中局部密封不佳引起的气吸噪声［6］，此类问题可通过改进实车的密封状态进行改善。

研究汽车泄漏噪声对车内风噪频谱的影响，可用布基胶带进行全车密封，比较密封前后频谱的差别。图2为经济型样车A2的车内风噪频谱，可观察到，通过胶带密封之后，车内风噪声压级频谱从300 Hz起均有不同程度的下降，中高频原本相对凸起的频率段下降较多，例如8 500 Hz附近一个峰值下降尤为明显。

图2 经济型样车A2车身密封前后频谱

通过加强密封、降低泄漏噪声可显著提高车内风噪频谱的光顺程度，说明频谱在中高频的不光顺与泄露噪声密切相关。

3 频谱不光顺度量化

3.1 计算方法

直接量化频谱的光顺程度较为困难，用频谱的不光顺程度来表示更为直接。本文中定义频谱不光顺度R用以度量频谱曲线的光顺程度，R越大，则频谱的光顺性越差，其具体量化方法如下。

首先将原始的频谱曲线进行光顺化，在此采用较为直接的方法，对频谱作连续移动平均，获得曲线即为光顺化后的曲线，计算方法如式（1）所示。

式中：pn为第n个频率点的原始声压值；pan为光顺化后的声压值；Na为求平均值的数据点数，是需要确定的重要参数。

然后计算每个频率点n光顺化前后的差值：

考虑到任意宽频信号作傅里叶变换过程中由于数值离散化的原因，频谱总是略有一定程度的高低起伏，为排除此部分的影响，需设定一个阈值Y，当差值Δpn大于此阈值才认为此频率点是非光顺点，得到有效差值Δpn′。

最后计算选定频率范围内的频谱不平滑度R：

式中：ns为选定频率范围的起始点序号；ne为选定频率范围的终止点序号。

3.2 计算参数

用上述方法，计算全部23辆样车的频谱不光顺度R，选取的参数如下。

（1）初始的频谱曲线为：对48 kHz采样频率的时域信号作快速傅里叶变换（FFT）并作A计权，分块数（Block Size）Nfft＝4096，得到的2 047个频率点上的声压级值，起始频率和频率间隔均为11.7 Hz。

（2）移动平均点数Na：该参数取值过小时频谱平滑度不够、取值过大频谱失真严重［7］，为取得较好的结果，本文中经过反复调试，取Na＝257，即每个频率点前后各取128个点进行平顺化。

（3）有效阈值Y：为避免计入傅里叶变换产生的数值毛刺计入设定的值，本文中取1，即光顺化后的值与原始值相差1 dB以上才认为有效。

（4）计算频率范围：本文重点是泄漏噪声引起的频谱不光顺，因此主要考虑中高频段，且移动平均取点需要，频率起始值选择1 500 Hz，综合人耳的可听范围阈值上限，最终选择的频率范围为1 500～16 000 Hz，对应的ns＝128、ne＝1366。

3.3 结果分析

按照3.2节条件，23辆样车计算得到频谱不光顺度R值的区间范围为0.097～0.219，本节将分析其与车内风噪水平的关系。

首先，给出3种级别车型的频谱不光顺度均值R，观察其整体趋势，如图3所示。

图3 3种车型级别的频谱不光顺度

从图3可观察到，车型级别越高，频谱不光顺度越低，说明频谱不光顺度与声压级等参数一致，能整体上反映车内风噪水平的优劣。

然后，从样本个体角度研究频谱不光顺度与车内风噪的关系。由于除了声压级等单参数声学指标，缺乏评价风噪性能的客观指标，图4给出车价与频谱不光顺度之间的关系。结果可见不光顺度与车价呈一定的负相关，即整体上车价越高则不光顺度越小，与按等级分类后的结果一致。尤其是价格集中在低价位段的经济型样车，频谱不光顺度也集中在较大值区域。通过上述分析，说明车价虽然不能准确代表车内风噪水平，但从之前按车辆等级分析的结果，整体上车价与风噪之间的关系是符合“价高质优”这一趋势的。