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）

前言

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。

1 汽車風(fēng)噪樣本

1.1 測(cè)試介紹

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。

1.2 風(fēng)噪樣本分級(jí)

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)。

2 車內(nèi)風(fēng)噪與頻譜光順關(guān)系

2.1 車型等級(jí)與頻譜光順

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。

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(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)。

3 頻譜不光順度量化

3.1 計(jì)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(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)。

3.2 計(jì)算參數(shù)

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。

3.3 結(jié)果分析

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。

4 結(jié)論

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。