張輝劉浩周鋐

（1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所；2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院）

隨著汽車的高速化，風(fēng)噪聲已經(jīng)成為影響車內(nèi)噪聲的主要成分[1]。車身密封性能的優(yōu)劣對(duì)車內(nèi)噪聲的影響非常大。文獻(xiàn)[2-3]研究了車身密封性對(duì)車內(nèi)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的影響；文獻(xiàn)[4]提出采用語言清晰度和1/3倍頻程譜中心頻率聲壓級(jí)作為風(fēng)噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)。目前汽車風(fēng)噪聲的評(píng)價(jià)指標(biāo)大多數(shù)側(cè)重聲壓級(jí)，采用聲品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)的較少。針對(duì)某國(guó)產(chǎn)轎車風(fēng)噪聲較大問題，文章通過道路測(cè)試風(fēng)噪聲，采用聲品質(zhì)相關(guān)客觀評(píng)價(jià)參量對(duì)車身不同部位密封狀況對(duì)風(fēng)噪聲的影響進(jìn)行分析，并提出優(yōu)化建議。

1 風(fēng)噪聲影響因素分析

影響汽車風(fēng)噪的因素主要有[1，3]：1）密封不良引起的噪聲，與車門風(fēng)窗及前風(fēng)擋玻璃等密封設(shè)計(jì)有關(guān)；2）車身外表面的溝、縫等幾何表面過渡處的不平度引起的噪聲；3）車身外表面突出結(jié)構(gòu)，如后視鏡及雨刷等部件引起的噪聲。

對(duì)于開發(fā)后期正在試制車輛的車型來說，整車造型基本不會(huì)改變。因此，由于車身外表面不平度和車身外表面突出結(jié)構(gòu)引起的風(fēng)噪聲無法改變，所以整車密封性能的改善將會(huì)很好地改善車內(nèi)噪聲狀況。

研究表明：對(duì)于轎車而言，汽車在低速行駛時(shí)，輪胎噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是主要噪聲源，風(fēng)噪聲成分??；車速高于100 km/h時(shí)，風(fēng)噪聲的影響超過輪胎噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲；車速高于130 km/h時(shí)，風(fēng)噪聲成為主要噪聲源。汽車主要噪聲源與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和車速的關(guān)系，如圖1 所示[4]。

目前轎車風(fēng)噪聲的精確測(cè)試大多數(shù)在聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行，相比試驗(yàn)場(chǎng)道路測(cè)試，風(fēng)洞可以提供精確的溫度和風(fēng)速，測(cè)試準(zhǔn)確性高。但是風(fēng)洞高昂的試驗(yàn)費(fèi)用以及國(guó)內(nèi)較少的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀使得風(fēng)洞測(cè)試的準(zhǔn)備工作相當(dāng)漫長(zhǎng)。在這樣的背景下，在大量風(fēng)噪聲測(cè)量項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出在試驗(yàn)場(chǎng)道路上進(jìn)行風(fēng)噪聲測(cè)試的做法。

汽車在試驗(yàn)場(chǎng)長(zhǎng)直線道路上高速空擋滑行時(shí)，輪胎噪聲較小，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，對(duì)于車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)也很小，此時(shí)風(fēng)噪聲是車內(nèi)噪聲的主要組成部分。因此風(fēng)噪聲數(shù)據(jù)采集和聲品質(zhì)分析行駛工況定為汽車從130km/h掛空擋滑行至80km/h，試驗(yàn)場(chǎng)地全長(zhǎng)2.77km，滿足加速及滑行所需的距離要求。

2 試驗(yàn)方法與測(cè)試系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在交通部試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，路面為全長(zhǎng)2.77 km的長(zhǎng)直線測(cè)試路段，試驗(yàn)時(shí)保證風(fēng)速＜3 m/s，背景噪聲低于50 dB（A），路面干燥無積水。

試驗(yàn)采用“開窗法”原理，測(cè)試車身不同位置密封情況對(duì)風(fēng)噪聲的影響程度，試驗(yàn)流程如下。

工況1：將試驗(yàn)車的外表面結(jié)合溝槽及縫隙用膠帶密封，比如車門與車身結(jié)合位置及前風(fēng)擋玻璃等部位。部分位置采用瀝青阻尼板進(jìn)行密封，比如前后輪罩阻尼板。保證整車處于全密封狀態(tài)，測(cè)試車內(nèi)風(fēng)噪聲。

工況2：應(yīng)用“開窗法”，撕去前風(fēng)擋玻璃的密封膠帶，在長(zhǎng)直線上進(jìn)行風(fēng)噪聲的測(cè)量。

工況3：將前風(fēng)擋玻璃重新進(jìn)行密封，保證整車處于全密封狀態(tài)。

重復(fù)以上步驟，并在工況1階段不斷撕去不同位置的密封膠帶或者瀝青阻尼板，進(jìn)行不同部位密封情況對(duì)風(fēng)噪聲貢獻(xiàn)量的測(cè)試。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試采用LMS便攜式數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)由4部分構(gòu)成，包括LMS SCADAS Mobile移動(dòng)式數(shù)據(jù)采集前端、PCB公司130E21型麥克風(fēng)、小野發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器及LMSTest.lab數(shù)據(jù)采集分析軟件。試驗(yàn)時(shí)將麥克風(fēng)固定在駕駛員左耳（外耳）處，用于采集左耳處噪聲信號(hào)。按照國(guó)標(biāo)要求[5]，麥克風(fēng)與座椅中線距離為15 cm，距離駕駛員座椅豎直距離為70 cm，如圖2所示。將小野發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器夾在點(diǎn)火線圈上，用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過換算可以得到車速。測(cè)試時(shí)將轉(zhuǎn)速傳感器的接線緊貼車身表面，保證不會(huì)影響風(fēng)噪聲測(cè)量。試驗(yàn)時(shí)采樣頻率設(shè)為40 960 Hz，分辨率為2 Hz。

3 風(fēng)噪聲客觀評(píng)價(jià)參量

風(fēng)噪聲評(píng)價(jià)一般采用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，而聲品質(zhì)是評(píng)價(jià)車內(nèi)噪聲和舒適性的關(guān)鍵指標(biāo)，聲品質(zhì)包括語言清晰度、尖銳度、響度及粗糙度等參量，這些參量之間有很好的相關(guān)性[6]。因?yàn)轱L(fēng)噪聲主要集中在高頻，因此文中選取聲壓級(jí)、語言清晰度及尖銳度進(jìn)行聲品質(zhì)評(píng)價(jià)。

3.1 等效聲壓級(jí)

聲壓級(jí)（SPL）是聲信號(hào)最基本的測(cè)量參數(shù)。以聲壓級(jí)的刺激來詮釋人的聽覺時(shí)，在求總有效值（RMS）前，必須對(duì)聲壓信號(hào)的頻譜先倍乘計(jì)權(quán)函數(shù)。

ISO1996/1—1982和ISO1999/1—1990規(guī)定了“等效A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)dB值”的定義，其表達(dá)式為：

式中：LAeq,T——等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，dB；

t1，t2——信號(hào)采集起始及終了時(shí)刻，s；

P0——參考聲壓，μPa；

PA（t）——t時(shí)刻聲信號(hào)的瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓，μPa。

3.2 語言清晰度

語言清晰度指數(shù)（AI）是以保證交談的私密性觀點(diǎn)提出的參數(shù)。交談的私密性可以定義為背景噪聲或噪聲侵?jǐn)_正常交談的程度，它提供私密性的正面品質(zhì)評(píng)價(jià)[7]。

噪聲對(duì)語言的掩蔽造成的干擾作用，可通過對(duì)噪聲頻譜（1/3倍頻程帶）按其對(duì)語言可懂度影響的重要程度適當(dāng)加權(quán)，由經(jīng)過加權(quán)的譜求出AI值。

圖3示出相應(yīng)的圖形計(jì)算法。與語言相關(guān)的倍頻程帶通過圓點(diǎn)的數(shù)目來計(jì)權(quán)。將聲壓級(jí)的1/3倍頻程譜繪在圖上，譜線以上的點(diǎn)數(shù)除以總點(diǎn)數(shù)就是要求的AI值，實(shí)際計(jì)算可以表格化。

AI與可懂音節(jié)的百分比有關(guān)。對(duì)于完全私密而言，AI值等于0.05是其上限，對(duì)于商談非保密性的事情而言，可接受的AI值為0.1。

3.3 尖銳度

尖銳度是聲音是否使人愉悅的一種感覺。尖銳度感覺主要與窄帶聲的譜成分及中心頻率有關(guān)，而不依賴于響度級(jí)和聲譜成分的細(xì)節(jié)。

對(duì)應(yīng)某一臨界帶的尖銳度分量（S'（z）/acum）及總尖銳度（S/acum）的計(jì)算公式為：

式中：z——臨界頻帶，Bark；

N'（z）——臨界帶的Zwicker響度，sone；

g（z）——用于強(qiáng)化高頻分量的計(jì)權(quán)響度，sone。

4 風(fēng)噪聲品質(zhì)評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)風(fēng)噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，首先采用等效聲壓級(jí)、語言清晰度平均值及尖銳度平均值對(duì)不同位置密封的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。表1示出車身不同密封狀態(tài)對(duì)應(yīng)的代號(hào)。

表1 車身不同密封部位對(duì)應(yīng)代號(hào)

圖4示出不同密封位置對(duì)等效聲壓級(jí)的影響，圖5示出某些密封位置在不同車速下的聲壓級(jí)曲線。

從圖4可見，A狀態(tài)下等效聲壓級(jí)為70.17 dB（A），噪聲最嚴(yán)重的工況為C狀態(tài)，等效聲壓級(jí)為70.92dB（A），與A狀態(tài)下的等效聲壓級(jí)差距很小。

通過圖5也可以發(fā)現(xiàn)，滑行工況下不同密封狀態(tài)下A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)沒有較大區(qū)別。雖然隨著車速降低，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)都降低，但是不同密封狀態(tài)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)曲線沒有較大區(qū)別。因此撕去不同位置密封對(duì)等效聲壓級(jí)及A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)影響較小，這與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果嚴(yán)重不符。在實(shí)際試車中，C狀態(tài)高頻噪聲較嚴(yán)重，車內(nèi)噪聲明顯比A狀態(tài)大。

因此由于人體對(duì)不同頻率成分的聲音敏感程度完全不同，僅分析車內(nèi)噪聲的等效聲壓級(jí)和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)不能準(zhǔn)確地描述駕駛員對(duì)風(fēng)噪聲的感受，需要對(duì)聲品質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析。

圖6示出不同密封位置對(duì)語言清晰度平均值的影響。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)語言清晰度平均值影響較大的分別為G，H，D，I狀態(tài)。A狀態(tài)下語言清晰度平均值達(dá)到了66.21%，噪聲最糟糕的為G狀態(tài)，語言清晰度為55.43%。

為了更好地說明不同密封狀態(tài)對(duì)語言清晰度的影響，在圖7和圖8中分別對(duì)A，G和A，D，H，I狀態(tài)下的語言清晰度進(jìn)行對(duì)比。從圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著車速降低，不同密封狀態(tài)的語言清晰度升高。從圖7可見，不同車速下G狀態(tài)與A狀態(tài)下的語言清晰度差別很大，雖然隨著車速變大，A狀態(tài)下的語言清晰度也下降較多，但是G狀態(tài)時(shí)每個(gè)車速下大約都比A狀態(tài)下的語言清晰度小10%，這與車內(nèi)出現(xiàn)的“嘶嘶”漏風(fēng)聲音吻合。

通過圖8可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)滑行工況下語言清晰度從小到大的大致趨勢(shì)分別為：H，D，I狀態(tài)。這與語言清晰度平均值的排序相同，說明采用語言清晰度平均值對(duì)風(fēng)噪聲評(píng)價(jià)是正確的。

圖9示出不同密封位置對(duì)尖銳度平均值的影響。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)尖銳度平均值影響較大的分別為G，H，I，D狀態(tài)。A狀態(tài)下尖銳度平均值較小，為0.74acum。尖銳度平均值最大的為G狀態(tài)，尖銳度達(dá)到0.87 acum。

為了更好地說明不同密封狀態(tài)對(duì)尖銳度的影響，在圖10和圖11中分別對(duì)A，G和A，D，H，I狀態(tài)下的尖銳度進(jìn)行對(duì)比。從圖10可以發(fā)現(xiàn)，不同車速下G狀態(tài)與A狀態(tài)下的尖銳度差別很大，雖然隨著車速變大A狀態(tài)下的尖銳度也上升較大，但是G狀態(tài)時(shí)每個(gè)車速下都比A狀態(tài)下的尖銳度大0.1 acum左右。

圖11說明速度大于110 km/h時(shí)尖銳度從大到小的排序分別為：H，I，D狀態(tài)。這與尖銳度平均值的排序相同，說明采用尖銳度平均值對(duì)風(fēng)噪聲評(píng)價(jià)是可行的。

5 優(yōu)化建議

針對(duì)風(fēng)噪聲聲品質(zhì)分析結(jié)果，得到對(duì)語言清晰度和尖銳度影響較大的有前風(fēng)擋玻璃密封和后裙板密封，因此針對(duì)這2個(gè)位置的密封情況結(jié)合整車提出優(yōu)化建議。

圖12示出前風(fēng)擋玻璃處的優(yōu)化位置示意圖，建議控制此處安裝工藝及涂膠密封工藝。

圖13示出后裙板優(yōu)化位置示意圖，建議在位置①處優(yōu)化涂膠密封工藝；在位置②（即后裙板空腔內(nèi)部），可以優(yōu)化鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取消孔洞，保證密封性能。

6 結(jié)論

1）工程實(shí)踐證明：在試驗(yàn)場(chǎng)道路上高速空擋滑行對(duì)風(fēng)噪聲進(jìn)行測(cè)試分析是可行的，通過路試對(duì)車身不同部位密封對(duì)風(fēng)噪聲的影響進(jìn)行對(duì)比分析可以節(jié)省開發(fā)費(fèi)用。

2）汽車道路風(fēng)噪聲評(píng)價(jià)中，聲品質(zhì)是評(píng)價(jià)車內(nèi)噪聲水平的關(guān)鍵指標(biāo)。需要綜合考慮聲壓級(jí)、語言清晰度及尖銳度3個(gè)重要參量。

3）汽車道路風(fēng)噪聲評(píng)價(jià)中，前風(fēng)擋玻璃密封和后裙板密封對(duì)尖銳度和語言清晰度影響最大，是改善車內(nèi)風(fēng)噪聲應(yīng)主要考慮的因素。對(duì)語言清晰度影響較大的密封部位對(duì)尖銳度影響也很大。