沈 哲,王毅剛,楊志剛,4,賀銀芝,彭里奇
(1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程博士后流動(dòng)站,上海 201804; 2.同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心,上海 201804;3.上海市地面交通工具空氣動(dòng)力與熱環(huán)境模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804; 4.北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心,北京 102211)
汽車車內(nèi)風(fēng)噪水平影響車內(nèi)乘客的舒適性和行車安全性,是當(dāng)前汽車行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的一項(xiàng)性能指標(biāo)。研究汽車風(fēng)噪最有效的手段是風(fēng)洞試驗(yàn),通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)車內(nèi)風(fēng)噪性能是當(dāng)前汽車風(fēng)噪開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
評(píng)價(jià)聲的優(yōu)劣應(yīng)當(dāng)以人的主觀感受為最終衡量標(biāo)準(zhǔn),但人的主觀感受差異大且量化困難[1],現(xiàn)階段評(píng)價(jià)噪聲性能的優(yōu)劣仍以客觀參量為主。其中,A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)是最常用的聲學(xué)參數(shù)指標(biāo);隨著心理聲學(xué)發(fā)展,響度、語(yǔ)音清晰度等對(duì)異常噪聲更敏感的心理聲學(xué)參數(shù)[2]也被汽車工程界普遍認(rèn)可[3]。車內(nèi)風(fēng)噪聲源分布和傳遞路徑均極為復(fù)雜,因此其頻譜構(gòu)成也非常復(fù)雜[4]。上述單值參量能給出聲信號(hào)按頻譜記權(quán)后的幅值大小,但對(duì)車內(nèi)噪聲評(píng)價(jià)時(shí)仍有較明顯的不足[5]:(1)沒(méi)有考慮頻譜各個(gè)成分之間的關(guān)系,如量值相等的兩個(gè)信號(hào)給人的主觀感受可能差別很大;(2)對(duì)幅值較低的頻率成分容易忽略其貢獻(xiàn),如車內(nèi)風(fēng)噪高頻段幅值整體較低,有局部峰值對(duì)總值影響很小,但實(shí)際人耳主觀感受非常明顯,應(yīng)當(dāng)予以考慮。
針對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪的評(píng)價(jià)參數(shù)問(wèn)題,本文中以實(shí)際量產(chǎn)車的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)為樣本,關(guān)注聲信號(hào)頻譜的光順性,分析頻譜上毛刺、凸起等不平順點(diǎn)產(chǎn)生的原因,研究頻譜光順程度客觀參量化方法。本文研究成果可用于車內(nèi)風(fēng)噪評(píng)價(jià)的工程應(yīng)用,提高風(fēng)噪評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度和整車風(fēng)噪開(kāi)發(fā)效率。
本文中測(cè)試均在同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心的整車氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中完成。該風(fēng)洞是3/4開(kāi)口回流風(fēng)洞,噴口面積27 m2,最高試驗(yàn)風(fēng)速250 km/h,試驗(yàn)段自由場(chǎng)空間的低頻截止頻率為50 Hz,背景噪聲水平在160 km/h風(fēng)速下低于61 dB(A)。
測(cè)試設(shè)備使用的是HEAD acoustic公司的噪聲測(cè)量分析系統(tǒng),包括HMS III型數(shù)字人工頭、Head Lab多通道數(shù)采前端和Head Record采集軟件。測(cè)試時(shí)人工頭啟用22 Hz高通濾波器,采樣頻率為48 kHz,采樣時(shí)間為10 s。
試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)試工況(風(fēng)速、偏航角)較多,為保證數(shù)據(jù)的一致可比性,本文中給出的結(jié)果均為試驗(yàn)風(fēng)速保持120 km/h、0°偏航角時(shí),主駕駛?cè)斯ゎ^外耳測(cè)點(diǎn)的結(jié)果。
后期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理使用Artemis Suite分析軟件,包含心理聲學(xué)參數(shù)計(jì)算模塊。
以23輛乘用車的風(fēng)洞實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為樣本對(duì)象。樣車均為近年在國(guó)內(nèi)上市的量產(chǎn)車型,包括多種尺寸的三廂轎車、兩廂轎車、運(yùn)動(dòng)型多用途車(SUV),低配車型市場(chǎng)指導(dǎo)價(jià)范圍為8~80萬(wàn)元,涵蓋范圍較廣。所有車輛性能良好、風(fēng)噪水平可視為出廠狀態(tài)。
由于樣車尺寸、類型眾多,直接橫向比較風(fēng)噪水平,較為困難。不同市場(chǎng)定位的車型由于開(kāi)發(fā)目標(biāo)、制造成本等原因,各方面性能包括風(fēng)噪水平之間有一定差距。參考品牌和市場(chǎng)定位,按價(jià)格區(qū)間將23輛樣車分為經(jīng)濟(jì)型(15萬(wàn)元以下)、舒適型(15~25萬(wàn)元)、豪華型(25萬(wàn)元以上)。3個(gè)級(jí)別車型的風(fēng)噪性能參數(shù)的平均值如表1所示。
表1 不同級(jí)別車型風(fēng)噪性能參數(shù)
由表1可見(jiàn),3個(gè)不同級(jí)別樣車的聲壓級(jí)、響度和語(yǔ)言清晰度有明顯的級(jí)差,車型定位越高,總聲壓級(jí)和響度越小且語(yǔ)言清晰度越高。因此,可認(rèn)為整車風(fēng)噪性能與車型定位高低呈正相關(guān)。
為觀察不同級(jí)別車型的車內(nèi)頻譜特性,每個(gè)級(jí)別選取一輛具有代表性的樣車,給出A計(jì)權(quán)聲壓譜,如圖1所示。
圖1 3輛不同等級(jí)樣車車內(nèi)風(fēng)噪頻譜
由圖1可觀察到,不同風(fēng)噪水平等級(jí)的樣車除聲壓級(jí)大小的區(qū)別之外,譜線的光順程度也差距明顯:風(fēng)噪性能最差的A1曲線平順性最差,在1 000 Hz附近有幾個(gè)明顯的尖峰,6 000 Hz以上有頻譜的毛刺非常明顯;整體風(fēng)噪性能最優(yōu)的樣車C1的頻譜曲線非常光順,在1 200 Hz以上幾乎無(wú)明顯的凸起或毛刺;而風(fēng)噪水平處于兩者之間的B1頻譜光順度也處于兩者之間。綜上可得以下假設(shè):車型風(fēng)噪性能越佳的車型頻譜曲線越光順,之后將對(duì)此假設(shè)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
從2.1節(jié)可知,頻譜的光順程度和風(fēng)噪性能是密切相關(guān)的,而引起頻譜曲線不光順的主要原因分為如下兩大類:(1)中低頻內(nèi)某些頻率段幅值較大主要是由汽車外形凹凸不平引起,如A柱、后視鏡等部件或前后風(fēng)擋與車身連接處的形變等,此類問(wèn)題與車身造型密切相關(guān),在實(shí)車上改善較為困難;(2)中頻以上頻譜的凸起、毛刺基本都由車身密封系統(tǒng)中局部密封不佳引起的氣吸噪聲[6],此類問(wèn)題可通過(guò)改進(jìn)實(shí)車的密封狀態(tài)進(jìn)行改善。
研究汽車泄漏噪聲對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪頻譜的影響,可用布基膠帶進(jìn)行全車密封,比較密封前后頻譜的差別。圖2為經(jīng)濟(jì)型樣車A2的車內(nèi)風(fēng)噪頻譜,可觀察到,通過(guò)膠帶密封之后,車內(nèi)風(fēng)噪聲壓級(jí)頻譜從300 Hz起均有不同程度的下降,中高頻原本相對(duì)凸起的頻率段下降較多,例如8 500 Hz附近一個(gè)峰值下降尤為明顯。
圖2 經(jīng)濟(jì)型樣車A2車身密封前后頻譜
通過(guò)加強(qiáng)密封、降低泄漏噪聲可顯著提高車內(nèi)風(fēng)噪頻譜的光順程度,說(shuō)明頻譜在中高頻的不光順與泄露噪聲密切相關(guān)。
直接量化頻譜的光順程度較為困難,用頻譜的不光順程度來(lái)表示更為直接。本文中定義頻譜不光順度R用以度量頻譜曲線的光順程度,R越大,則頻譜的光順性越差,其具體量化方法如下。
首先將原始的頻譜曲線進(jìn)行光順化,在此采用較為直接的方法,對(duì)頻譜作連續(xù)移動(dòng)平均,獲得曲線即為光順化后的曲線,計(jì)算方法如式(1)所示。
式中:pn為第n個(gè)頻率點(diǎn)的原始聲壓值;pan為光順化后的聲壓值;Na為求平均值的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù),是需要確定的重要參數(shù)。
然后計(jì)算每個(gè)頻率點(diǎn)n光順化前后的差值:
考慮到任意寬頻信號(hào)作傅里葉變換過(guò)程中由于數(shù)值離散化的原因,頻譜總是略有一定程度的高低起伏,為排除此部分的影響,需設(shè)定一個(gè)閾值Y,當(dāng)差值Δpn大于此閾值才認(rèn)為此頻率點(diǎn)是非光順點(diǎn),得到有效差值Δpn′。
最后計(jì)算選定頻率范圍內(nèi)的頻譜不平滑度R:
式中:ns為選定頻率范圍的起始點(diǎn)序號(hào);ne為選定頻率范圍的終止點(diǎn)序號(hào)。
用上述方法,計(jì)算全部23輛樣車的頻譜不光順度R,選取的參數(shù)如下。
(1)初始的頻譜曲線為:對(duì)48 kHz采樣頻率的時(shí)域信號(hào)作快速傅里葉變換(FFT)并作A計(jì)權(quán),分塊數(shù)(Block Size)Nfft=4096,得到的2 047個(gè)頻率點(diǎn)上的聲壓級(jí)值,起始頻率和頻率間隔均為11.7 Hz。
(2)移動(dòng)平均點(diǎn)數(shù)Na:該參數(shù)取值過(guò)小時(shí)頻譜平滑度不夠、取值過(guò)大頻譜失真嚴(yán)重[7],為取得較好的結(jié)果,本文中經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試,取Na=257,即每個(gè)頻率點(diǎn)前后各取128個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平順化。
(3)有效閾值Y:為避免計(jì)入傅里葉變換產(chǎn)生的數(shù)值毛刺計(jì)入設(shè)定的值,本文中取1,即光順化后的值與原始值相差1 dB以上才認(rèn)為有效。
(4)計(jì)算頻率范圍:本文重點(diǎn)是泄漏噪聲引起的頻譜不光順,因此主要考慮中高頻段,且移動(dòng)平均取點(diǎn)需要,頻率起始值選擇1 500 Hz,綜合人耳的可聽(tīng)范圍閾值上限,最終選擇的頻率范圍為1 500~16 000 Hz,對(duì)應(yīng)的ns=128、ne=1366。
按照3.2節(jié)條件,23輛樣車計(jì)算得到頻譜不光順度R值的區(qū)間范圍為0.097~0.219,本節(jié)將分析其與車內(nèi)風(fēng)噪水平的關(guān)系。
首先,給出3種級(jí)別車型的頻譜不光順度均值R,觀察其整體趨勢(shì),如圖3所示。
圖3 3種車型級(jí)別的頻譜不光順度
從圖3可觀察到,車型級(jí)別越高,頻譜不光順度越低,說(shuō)明頻譜不光順度與聲壓級(jí)等參數(shù)一致,能整體上反映車內(nèi)風(fēng)噪水平的優(yōu)劣。
然后,從樣本個(gè)體角度研究頻譜不光順度與車內(nèi)風(fēng)噪的關(guān)系。由于除了聲壓級(jí)等單參數(shù)聲學(xué)指標(biāo),缺乏評(píng)價(jià)風(fēng)噪性能的客觀指標(biāo),圖4給出車價(jià)與頻譜不光順度之間的關(guān)系。結(jié)果可見(jiàn)不光順度與車價(jià)呈一定的負(fù)相關(guān),即整體上車價(jià)越高則不光順度越小,與按等級(jí)分類后的結(jié)果一致。尤其是價(jià)格集中在低價(jià)位段的經(jīng)濟(jì)型樣車,頻譜不光順度也集中在較大值區(qū)域。通過(guò)上述分析,說(shuō)明車價(jià)雖然不能準(zhǔn)確代表車內(nèi)風(fēng)噪水平,但從之前按車輛等級(jí)分析的結(jié)果,整體上車價(jià)與風(fēng)噪之間的關(guān)系是符合“價(jià)高質(zhì)優(yōu)”這一趨勢(shì)的。
圖4 車型價(jià)格與頻譜不光順度關(guān)系
最后,對(duì)代表車型的具體頻譜進(jìn)行分析。選取的樣本車型為圖4中所標(biāo)示的舒適型B2樣車和豪華型C2樣車,選取這兩輛樣車的原因是這兩個(gè)點(diǎn)在圖中是離擬合直線最遠(yuǎn)的,即背離“價(jià)高質(zhì)優(yōu)”最為明顯的。圖5和圖6分別是B2、C2樣車光順化前后的頻譜曲線。
圖5 舒適型B2樣車頻譜
圖6 豪華型C2樣車頻譜
從圖5中可見(jiàn)B2樣車是典型的“價(jià)低質(zhì)優(yōu)”,其頻譜曲線在展示的中高頻相當(dāng)光順,光順化后的曲線與原始曲線貼合得非常好,頻譜不光順度較低(R=0.11)。
從圖6中可見(jiàn),C2則反映出“價(jià)高質(zhì)低”,其頻譜曲線在中高頻光順程度較差,尤其在8 kHz附近頻譜有一塊明顯的凸起,與光順后的頻譜曲線差異明顯,在此處應(yīng)當(dāng)有較為明顯的泄漏噪聲。說(shuō)明其相對(duì)較高的頻譜不光順度(R=0.184)也是真實(shí)頻譜的反映。
通過(guò)以上計(jì)算分析,證明頻譜不光順度R能直接反映原始頻譜的光順程度,以此反映由泄漏噪聲等原因產(chǎn)生的頻譜尖峰等問(wèn)題,最終與車輛的車內(nèi)風(fēng)噪水平等級(jí)相符。
本文中以實(shí)車風(fēng)洞測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),將車輛分級(jí),研究頻譜不平順性與車內(nèi)風(fēng)噪性能的關(guān)系,給出一種將頻譜光順度量化的方法,并得到以下結(jié)論:
(1)對(duì)于一般單值參數(shù)權(quán)重較少的高頻部分,頻譜不光順度對(duì)局部峰值的辨識(shí)較為靈敏;
(2)中高頻段,頻譜不光順與泄漏噪聲密切相關(guān),頻譜不光順度很好地反映泄漏噪聲的嚴(yán)重程度;
(3)計(jì)算頻譜不光順度參數(shù)取值,如移動(dòng)平均點(diǎn)數(shù)Na、有效閾值Y等,可在提高樣本數(shù)的前提下進(jìn)一步優(yōu)化;
(4)頻譜不光順度雖能彌補(bǔ)傳統(tǒng)單值參數(shù)對(duì)局部頻率細(xì)節(jié)不敏感的劣勢(shì),但不能反映總噪聲能量大小,后續(xù)研究宜采用主觀評(píng)價(jià)方法與聲壓級(jí)等能夠反映聲大小的參數(shù)聯(lián)合使用,構(gòu)建更為精細(xì)合理的風(fēng)噪聲品質(zhì)評(píng)價(jià)體系。