沈 哲，王毅剛，楊志剛，4，賀銀芝，彭里奇

（1.同濟大學(xué)機械工程博士后流動站，上海 201804； 2.同濟大學(xué)上海地面交通工具風洞中心，上海 201804；3.上海市地面交通工具空氣動力與熱環(huán)境模擬重點實驗室，上海 201804； 4.北京民用飛機技術(shù)研究中心，北京 102211）

前言

汽車車內(nèi)風噪水平影響車內(nèi)乘客的舒適性和行車安全性，是當前汽車行業(yè)重點關(guān)注的一項性能指標。研究汽車風噪最有效的手段是風洞試驗，通過測試數(shù)據(jù)快速準確地評價車內(nèi)風噪性能是當前汽車風噪開發(fā)中的關(guān)鍵問題之一。

評價聲的優(yōu)劣應(yīng)當以人的主觀感受為最終衡量標準，但人的主觀感受差異大且量化困難［1］，現(xiàn)階段評價噪聲性能的優(yōu)劣仍以客觀參量為主。其中，A計權(quán)總聲壓級是最常用的聲學(xué)參數(shù)指標；隨著心理聲學(xué)發(fā)展，響度、語音清晰度等對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可［3］。車內(nèi)風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按頻譜記權(quán)后的幅值大小，但對車內(nèi)噪聲評價時仍有較明顯的不足［5］：（1）沒有考慮頻譜各個成分之間的關(guān)系，如量值相等的兩個信號給人的主觀感受可能差別很大；（2）對幅值較低的頻率成分容易忽略其貢獻，如車內(nèi)風噪高頻段幅值整體較低，有局部峰值對總值影響很小，但實際人耳主觀感受非常明顯，應(yīng)當予以考慮。

針對車內(nèi)風噪的評價參數(shù)問題，本文中以實際量產(chǎn)車的風洞試驗數(shù)據(jù)為樣本，關(guān)注聲信號頻譜的光順性，分析頻譜上毛刺、凸起等不平順點產(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)風噪評價的工程應(yīng)用，提高風噪評價準確度和整車風噪開發(fā)效率。

1 汽車風噪樣本

1.1 測試介紹

本文中測試均在同濟大學(xué)上海地面交通工具風洞中心的整車氣動聲學(xué)風洞中完成。該風洞是3／4開口回流風洞，噴口面積27 m2，最高試驗風速250 km／h，試驗段自由場空間的低頻截止頻率為50 Hz，背景噪聲水平在160 km／h風速下低于61 dB（A）。

測試設(shè)備使用的是HEAD acoustic公司的噪聲測量分析系統(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。測試時人工頭啟用22 Hz高通濾波器，采樣頻率為48 kHz，采樣時間為10 s。

試驗測點位置、測試工況（風速、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)果均為試驗風速保持120 km／h、0°偏航角時，主駕駛?cè)斯ゎ^外耳測點的結(jié)果。

后期進行數(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)計算模塊。

1.2 風噪樣本分級

以23輛乘用車的風洞實測數(shù)據(jù)作為樣本對象。樣車均為近年在國內(nèi)上市的量產(chǎn)車型，包括多種尺寸的三廂轎車、兩廂轎車、運動型多用途車（SUV），低配車型市場指導(dǎo)價范圍為8～80萬元，涵蓋范圍較廣。所有車輛性能良好、風噪水平可視為出廠狀態(tài)。

由于樣車尺寸、類型眾多，直接橫向比較風噪水平，較為困難。不同市場定位的車型由于開發(fā)目標、制造成本等原因，各方面性能包括風噪水平之間有一定差距。參考品牌和市場定位，按價格區(qū)間將23輛樣車分為經(jīng)濟型（15萬元以下）、舒適型（15～25萬元）、豪華型（25萬元以上）。3個級別車型的風噪性能參數(shù)的平均值如表1所示。

表1 不同級別車型風噪性能參數(shù)

由表1可見，3個不同級別樣車的聲壓級、響度和語言清晰度有明顯的級差，車型定位越高，總聲壓級和響度越小且語言清晰度越高。因此，可認為整車風噪性能與車型定位高低呈正相關(guān)。

2 車內(nèi)風噪與頻譜光順關(guān)系

2.1 車型等級與頻譜光順

為觀察不同級別車型的車內(nèi)頻譜特性，每個級別選取一輛具有代表性的樣車，給出A計權(quán)聲壓譜，如圖1所示。

圖1 3輛不同等級樣車車內(nèi)風噪頻譜

由圖1可觀察到，不同風噪水平等級的樣車除聲壓級大小的區(qū)別之外，譜線的光順程度也差距明顯：風噪性能最差的A1曲線平順性最差，在1 000 Hz附近有幾個明顯的尖峰，6 000 Hz以上有頻譜的毛刺非常明顯；整體風噪性能最優(yōu)的樣車C1的頻譜曲線非常光順，在1 200 Hz以上幾乎無明顯的凸起或毛刺；而風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)：車型風噪性能越佳的車型頻譜曲線越光順，之后將對此假設(shè)進行進一步的研究。

2.2 泄漏噪聲與頻譜光順關(guān)系

從2.1節(jié)可知，頻譜的光順程度和風噪性能是密切相關(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擋與車身連接處的形變等，此類問題與車身造型密切相關(guān)，在實車上改善較為困難；（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］，此類問題可通過改進實車的密封狀態(tài)進行改善。

研究汽車泄漏噪聲對車內(nèi)風噪頻譜的影響，可用布基膠帶進行全車密封，比較密封前后頻譜的差別。圖2為經(jīng)濟型樣車A2的車內(nèi)風噪頻譜，可觀察到，通過膠帶密封之后，車內(nèi)風噪聲壓級頻譜從300 Hz起均有不同程度的下降，中高頻原本相對凸起的頻率段下降較多，例如8 500 Hz附近一個峰值下降尤為明顯。

圖2 經(jīng)濟型樣車A2車身密封前后頻譜

通過加強密封、降低泄漏噪聲可顯著提高車內(nèi)風噪頻譜的光順程度，說明頻譜在中高頻的不光順與泄露噪聲密切相關(guān)。

3 頻譜不光順度量化

3.1 計算方法

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行光順化，在此采用較為直接的方法，對頻譜作連續(xù)移動平均，獲得曲線即為光順化后的曲線，計算方法如式（1）所示。

式中：pn為第n個頻率點的原始聲壓值；pan為光順化后的聲壓值；Na為求平均值的數(shù)據(jù)點數(shù)，是需要確定的重要參數(shù)。

然后計算每個頻率點n光順化前后的差值：

考慮到任意寬頻信號作傅里葉變換過程中由于數(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)定一個閾值Y，當差值Δpn大于此閾值才認為此頻率點是非光順點，得到有效差值Δpn′。

最后計算選定頻率范圍內(nèi)的頻譜不平滑度R：

式中：ns為選定頻率范圍的起始點序號；ne為選定頻率范圍的終止點序號。

3.2 計算參數(shù)

用上述方法，計算全部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48 kHz采樣頻率的時域信號作快速傅里葉變換（FFT）并作A計權(quán)，分塊數(shù)（Block Size）Nfft＝4096，得到的2 047個頻率點上的聲壓級值，起始頻率和頻率間隔均為11.7 Hz。

（2）移動平均點數(shù)Na：該參數(shù)取值過小時頻譜平滑度不夠、取值過大頻譜失真嚴重［7］，為取得較好的結(jié)果，本文中經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，取Na＝257，即每個頻率點前后各取128個點進行平順化。

（3）有效閾值Y：為避免計入傅里葉變換產(chǎn)生的數(shù)值毛刺計入設(shè)定的值，本文中取1，即光順化后的值與原始值相差1 dB以上才認為有效。

（4）計算頻率范圍：本文重點是泄漏噪聲引起的頻譜不光順，因此主要考慮中高頻段，且移動平均取點需要，頻率起始值選擇1 500 Hz，綜合人耳的可聽范圍閾值上限，最終選擇的頻率范圍為1 500～16 000 Hz，對應(yīng)的ns＝128、ne＝1366。

3.3 結(jié)果分析

按照3.2節(jié)條件，23輛樣車計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)風噪水平的關(guān)系。

首先，給出3種級別車型的頻譜不光順度均值R，觀察其整體趨勢，如圖3所示。

圖3 3種車型級別的頻譜不光順度

從圖3可觀察到，車型級別越高，頻譜不光順度越低，說明頻譜不光順度與聲壓級等參數(shù)一致，能整體上反映車內(nèi)風噪水平的優(yōu)劣。

然后，從樣本個體角度研究頻譜不光順度與車內(nèi)風噪的關(guān)系。由于除了聲壓級等單參數(shù)聲學(xué)指標，缺乏評價風噪性能的客觀指標，圖4給出車價與頻譜不光順度之間的關(guān)系。結(jié)果可見不光順度與車價呈一定的負相關(guān)，即整體上車價越高則不光順度越小，與按等級分類后的結(jié)果一致。尤其是價格集中在低價位段的經(jīng)濟型樣車，頻譜不光順度也集中在較大值區(qū)域。通過上述分析，說明車價雖然不能準確代表車內(nèi)風噪水平，但從之前按車輛等級分析的結(jié)果，整體上車價與風噪之間的關(guān)系是符合“價高質(zhì)優(yōu)”這一趨勢的。

圖4 車型價格與頻譜不光順度關(guān)系

最后，對代表車型的具體頻譜進行分析。選取的樣本車型為圖4中所標示的舒適型B2樣車和豪華型C2樣車，選取這兩輛樣車的原因是這兩個點在圖中是離擬合直線最遠的，即背離“價高質(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B2樣車是典型的“價低質(zhì)優(yōu)”，其頻譜曲線在展示的中高頻相當光順，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，C2則反映出“價高質(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)當有較為明顯的泄漏噪聲。說明其相對較高的頻譜不光順度（R＝0.184）也是真實頻譜的反映。

通過以上計算分析，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)生的頻譜尖峰等問題，最終與車輛的車內(nèi)風噪水平等級相符。

4 結(jié)論

本文中以實車風洞測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將車輛分級，研究頻譜不平順性與車內(nèi)風噪性能的關(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，頻譜不光順度對局部峰值的辨識較為靈敏；

（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重程度；

（3）計算頻譜不光順度參數(shù)取值，如移動平均點數(shù)Na、有效閾值Y等，可在提高樣本數(shù)的前提下進一步優(yōu)化；

（4）頻譜不光順度雖能彌補傳統(tǒng)單值參數(shù)對局部頻率細節(jié)不敏感的劣勢，但不能反映總噪聲能量大小，后續(xù)研究宜采用主觀評價方法與聲壓級等能夠反映聲大小的參數(shù)聯(lián)合使用，構(gòu)建更為精細合理的風噪聲品質(zhì)評價體系。