徐世文，楊小禹，王毅剛，李明磊，劉偉東，沈 哲

(1. 中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島，066011；2.同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804)

0 引 言

汽車行駛過(guò)程中，因路面不平和車輪旋轉(zhuǎn)不平衡導(dǎo)致對(duì)車輪的激勵(lì)，繼而激發(fā)車輪內(nèi)的空氣室產(chǎn)生聲共振，該共振經(jīng)過(guò)輪軸、懸架系統(tǒng)傳至車身結(jié)構(gòu)，繼而向車內(nèi)輻射噪聲。該噪聲以低頻窄帶為主，量值較高，對(duì)車內(nèi)乘坐環(huán)境形成噪聲干擾。對(duì)該噪聲的控制有眾多研究[1-5]，也形成了多種專利?？刂品椒ㄖ饕捎梦暱刂圃?，通過(guò)車輪空氣室內(nèi)安裝吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)，從源頭消除空氣室的聲共振，繼而降低車內(nèi)噪聲。其中赫姆霍茲共振吸聲結(jié)構(gòu)(本文定義為諧振器)應(yīng)用最為廣泛，效果良好。

在諧振器研發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)效果的檢驗(yàn)通常采用將諧振器安裝于輪胎內(nèi)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量或?qū)嵻嚋y(cè)試[1,4-5]，比較安裝前后的輪轂振動(dòng)或車內(nèi)聲響應(yīng)結(jié)果以評(píng)價(jià)諧振器的降噪效果。這兩種方法對(duì)于諧振器研發(fā)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化需要多次測(cè)試，過(guò)于復(fù)雜。同時(shí)，輪胎的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試無(wú)法獲得其聲響應(yīng)效果，還需要進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)車測(cè)試；實(shí)車測(cè)試也會(huì)過(guò)于耗時(shí)耗力。為此，本文提出了一種利用聲學(xué)管道測(cè)量諧振器吸聲效果的測(cè)量方法，可以有效測(cè)量諧振器的聲插入損失，用于評(píng)價(jià)諧振器的吸聲效果，對(duì)諧振器研發(fā)過(guò)程中的優(yōu)化設(shè)計(jì)既有效又方便易行。

1 車輪空氣室的共振現(xiàn)象及控制

汽車在行駛過(guò)程中路面對(duì)輪胎的作用力會(huì)因路面不平而隨時(shí)間變化，輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)的不平衡對(duì)輪轂也會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，這兩種作用在車輪上隨時(shí)間變化的力，當(dāng)其頻率和車輪空氣室聲模態(tài)特征頻率一致時(shí)，空氣室會(huì)發(fā)生聲共振現(xiàn)象。兩種作用力可以分解成如圖1所示的整個(gè)輪胎所受到的垂直和水平方向的激勵(lì)力。在車輪行駛中空氣室處于被壓縮狀態(tài)時(shí)，空氣室變?yōu)椴灰?guī)則形狀，水平方向被拉伸，垂直方向被壓縮，使得水平方向激發(fā)出第一階聲模態(tài)共振，垂直方向激發(fā)出第二階聲模態(tài)共振。

圖1 輪胎受到垂直和水平方向激勵(lì)力示意圖Fig.1 The excitation force acted on tire in the vertical and horizontal directions

圖2為本研究測(cè)量的某車行駛速度為60 km·h-1和70 km·h-1時(shí)，車內(nèi)主駕駛耳旁噪聲的頻譜，峰值即為共振現(xiàn)象。這種共振現(xiàn)象的表現(xiàn)就是在頻率為190 Hz和229 Hz時(shí)出現(xiàn)峰值噪聲，且峰值遠(yuǎn)高于附近其他頻率下的聲壓值。從圖2中也可以看出兩種車速下，229 Hz的峰值差較大。從其他實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，車速較低時(shí)，通常較低共振頻率的峰值明顯，而較高共振頻率對(duì)應(yīng)的峰值不明顯，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值，其原因一是單個(gè)車輪在行駛狀態(tài)下車輪空氣室不規(guī)則，使空氣室出現(xiàn)多個(gè)模態(tài)，尤其第一和第二模態(tài)響應(yīng)能量最強(qiáng)；其二，四個(gè)車輪若變形量不同也會(huì)出現(xiàn)不同的共振模態(tài)，對(duì)應(yīng)不同的峰值，使較寬頻帶內(nèi)的峰值增多。由于汽車車輪直徑變化范圍較小，其決定了空氣室的聲模態(tài)頻率大小，通常聲共振的第一階和第二階模態(tài)均在180～250 Hz頻段附近(后續(xù)研究結(jié)果描述選取頻率范圍為150～350 Hz)。當(dāng)外界激勵(lì)頻率和模態(tài)頻率一致時(shí)出現(xiàn)窄帶的能量峰值，而且，能量較大的峰值出現(xiàn)在第一階和第二階共振頻率上，其他模態(tài)頻率上的響應(yīng)能量較低。這種噪聲的頻率較低，能量較強(qiáng)，人感受明顯，乘坐時(shí)間越長(zhǎng)人會(huì)越感覺(jué)不舒服。這種共振現(xiàn)象通常在路面比較粗糙、行駛速度較低時(shí)更為顯著。

圖2 某車輪空氣室共振時(shí)的車內(nèi)噪聲響應(yīng)Fig.2 Interior noise generated by resonance of wheel air chamber in a car

汽車車輪空氣室共振現(xiàn)象引起車內(nèi)乘坐舒適性變差，一直以來(lái)都是汽車開(kāi)發(fā)中較為重視、且著力解決的問(wèn)題。20世紀(jì)末就已對(duì)這種現(xiàn)象認(rèn)識(shí)充分，并有針對(duì)性的控制措施。自美國(guó)于1990年有專利產(chǎn)品后，日韓及歐洲等也陸續(xù)推出各自的專利產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)僅在近兩年才推出不多的專利產(chǎn)品。這些控制方法中的核心技術(shù)主要是采用車輪空氣室內(nèi)布放吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)來(lái)消除聲共振現(xiàn)象。因吸聲材料的價(jià)格、尺寸、重量、耐久性等缺陷，其使用率不高。而以赫姆霍茲共振吸聲原理設(shè)計(jì)的諧振器，因原理簡(jiǎn)單、效果明顯，生產(chǎn)成本低、安裝方便、重量輕、耐久時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)得到普遍應(yīng)用。諧振器開(kāi)發(fā)過(guò)程中其降噪效果優(yōu)化需要通過(guò)不斷的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，因此研制方便有效的測(cè)試平臺(tái)，避免輪胎振動(dòng)測(cè)試或?qū)嵻嚋y(cè)試的復(fù)雜性，就顯得十分必要。

2 降噪效果聲學(xué)管道測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 聲學(xué)管道測(cè)試原理

諧振器安裝于輪胎空氣室的作用是吸收空氣室在共振狀態(tài)下的聲能量，以達(dá)到降低空氣室聲共振，進(jìn)而避免其向車輪及車身結(jié)構(gòu)進(jìn)一步傳遞振動(dòng)的目的。諧振器吸收聲能的能力可以通過(guò)其使用前后的聲壓變化(插入損失)進(jìn)行評(píng)價(jià)。為此，本研究提出一套聲學(xué)管道系統(tǒng)，其一端利用揚(yáng)聲器發(fā)射平面聲波，另一端進(jìn)行消聲處理，使試驗(yàn)段區(qū)域形成可傳播平面波的管道，可將諧振器放入管道內(nèi)或安裝在管壁上，通過(guò)諧振器后壁面上安裝的傳聲器測(cè)量有無(wú)諧振器時(shí)的聲壓級(jí)，獲取插入損失，即可評(píng)價(jià)諧振器的吸聲能力。

2.2 聲學(xué)管道設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)2.1節(jié)描述的測(cè)試原理、車輪空氣室聲共振特征及管道聲學(xué)性質(zhì)，測(cè)試平臺(tái)應(yīng)遵循下述設(shè)計(jì)原則：

(1) 鑒于共振現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率范圍為180～250 Hz，在150～300 Hz頻段設(shè)計(jì)的管道內(nèi)能夠形成平面聲波；(2) 管道壁面光滑；(3) 為了避免管道末端聲反射，應(yīng)采用強(qiáng)吸聲設(shè)計(jì)；(4) 聲源為低頻揚(yáng)聲器，低頻截止頻率小于100 Hz；(5) 管道壁要有一定的隔聲量，可采用鋼板制作；(6) 管壁上設(shè)計(jì)傳聲器安裝孔，試件安裝接口；(7) 形成的管道可以測(cè)量插入損失。

2.2.2 管道聲學(xué)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

管道平臺(tái)聲學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括管道內(nèi)平面波的形成、管道末端無(wú)反射和管道界面尺寸的確定。為了使管道內(nèi)形成平面聲波傳播，可以根據(jù)管道內(nèi)傳播平面聲波的公式進(jìn)行計(jì)算?？紤]到方形截面管道容易安裝試驗(yàn)件，本設(shè)計(jì)采用方形截面管道，其能傳播平面波的條件為[6]

式中：f為管道內(nèi)傳播平面波的上限頻率，c為聲速，l為矩形截面的最大邊長(zhǎng)。該公式較容易設(shè)計(jì)滿足180～250 Hz頻段的管道內(nèi)傳播平面波。但考慮到諧振器尺寸較小，吸聲量不大，管道截面尺寸不能過(guò)大。可以結(jié)合式(2)確定管道截面大小[7]。

考慮到吸聲尖劈加空腔在低頻具有較強(qiáng)的吸聲能力，采用此結(jié)構(gòu)布置于管道末端避免其聲反射。尺寸設(shè)計(jì)依據(jù)見(jiàn)式(3)。

其中：al為吸聲尖劈長(zhǎng)和空腔深度之和。尖劈的基礎(chǔ)長(zhǎng)和尖劈長(zhǎng)之比為1:4，選取尖劈吸聲材料的容重為85 ～90 kg·m-3，空腔深度為150 mm，尖劈總長(zhǎng)為350 mm，滿足200 Hz頻率附近較高的吸聲特性，上述參數(shù)的確定參考文獻(xiàn)[8]。

傳聲器在壁面上的安裝及位置，揚(yáng)聲器、試件和傳聲器的相對(duì)位置等的確定依據(jù)參考文獻(xiàn)[9]。

2.2.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則和關(guān)鍵技術(shù)，測(cè)試平臺(tái)詳?shù)募?xì)尺寸和結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。圖3中的長(zhǎng)度單位均為mm。制作成實(shí)物平臺(tái)如圖4所示(含測(cè)試儀器)。管道上增加了一個(gè)傳聲器測(cè)點(diǎn)，也可以用于測(cè)量試件的傳聲損失。

圖3 測(cè)試平臺(tái)詳細(xì)尺寸和結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Detailed dimension and structure diagram of the test platform

圖4 測(cè)試平臺(tái)實(shí)物照片(含測(cè)試儀器)Fig.4 Photos of the test platform (including test instruments)

2.3 測(cè)試方法及效果評(píng)價(jià)

為了適應(yīng)上述聲學(xué)管道的測(cè)試方法，利用該聲學(xué)管道，通過(guò)不同試件的安裝位置，獲取試件的傳聲損失或插入損失，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，探討有效的測(cè)試方法。測(cè)試方法中聲源聲信號(hào)采用寬帶偽隨機(jī)信號(hào)，諧振器選擇為某車設(shè)計(jì)的諧振器，其共振頻率為200 Hz，該頻率為某車車輪行駛壓縮變形后其空氣室的第一階共振頻率。

2.3.1 傳聲損失測(cè)量

將諧振器安裝于壁面的試件安裝口上，如圖5所示，通過(guò)壁面上兩個(gè)傳聲器測(cè)量的聲壓級(jí)求其插入損失：

圖5 諧振器安裝于測(cè)試管道壁面Fig.5 The resonator mounted on the wall of the test pipe

圖6分別為安裝諧振器前后兩個(gè)傳聲器測(cè)量的150～350 Hz頻段內(nèi)的聲壓級(jí)。黑色實(shí)線為諧振器前端測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)曲線(安裝諧振器前后測(cè)量結(jié)果相同)，灰色實(shí)線和虛線分別為無(wú)諧振器和有諧振器時(shí)諧振器后面測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)曲線。

圖6 某諧振器前后測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)頻譜Fig.6 Sound pressure spectrums at the front and back measurement points of a resonator

從圖6中可以看出，無(wú)諧振器時(shí)該聲學(xué)管道兩測(cè)點(diǎn)之間的聲壓級(jí)差異較大，裝上諧振器后兩者的差異由管道和諧振器共同產(chǎn)生。所以，利用式(4)計(jì)算的值并不能反映諧振器的傳聲損失，而灰實(shí)線和虛線的差異卻能反映安裝諧振器前后的差異，這與后續(xù)的插入損失結(jié)果一致。

2.3.2 插入損失測(cè)量-管壁安裝試件

管壁安裝試件如圖5所示，通過(guò)安裝于諧振器后的傳聲器(圖5右側(cè)傳聲器)測(cè)量諧振器安裝前后聲壓級(jí)的差值(見(jiàn)式(4))，計(jì)算插入損失。諧振器安裝于壁面的試件安裝口。圖7中黑色實(shí)線和虛線分別為無(wú)諧振器和有諧振器時(shí)諧振器后面測(cè)點(diǎn)的150～350 Hz頻段內(nèi)的聲壓級(jí)曲線。從圖7可以看出，在設(shè)計(jì)的諧振器降噪頻率200 Hz附近有一定的插入損失(最大超過(guò)1.2 dB(A))，且有一定的降噪頻帶寬度，說(shuō)明了這種方法可以對(duì)諧振器的降噪效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。管壁安裝諧振器時(shí)聲波為掠入射，所以，這種方法測(cè)量的傳聲損失量值和實(shí)際車輪空氣室內(nèi)安裝同種諧振器相比會(huì)偏小。

圖7 某諧振器在管壁安裝前后的聲壓級(jí)頻譜Fig.7 Sound pressure spectrums with and without resonator on pipe wall

2.3.3 插入損失測(cè)量-管道內(nèi)放置試件

為了近似模擬車輪空氣室內(nèi)聲波近似垂直入射諧振器的狀態(tài)，將諧振器放入管道內(nèi)，如圖8所示，諧振器放入前后通過(guò)傳聲器測(cè)量的聲壓級(jí)差值，計(jì)算插入損失。圖9為諧振器放入前后其后面?zhèn)髀暺鲀纱螠y(cè)量得到的150～350 Hz頻段內(nèi)的聲壓級(jí)。黑色實(shí)線和虛線分別為無(wú)諧振器和有諧振器時(shí)諧振器后面測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)曲線。從圖9可以看出，在設(shè)計(jì)的諧振器降噪頻率200 Hz附近有一定的插入損失(最大約2 dB(A))，且有一定的降噪頻帶寬度。與管壁安裝諧振器的方法相比，其降噪效果更加明顯。而且，它也包括了諧振器幾何效應(yīng)對(duì)聲場(chǎng)的影響，和車輪空氣室安裝諧振器的情況較為一致，說(shuō)明了這種方法對(duì)諧振器降噪效果的評(píng)價(jià)更為合理。

圖8 諧振器放入管內(nèi)測(cè)量Fig.8 The resonator laid into the tube for measurement

圖9 某諧振器在管道內(nèi)安裝前后的聲壓級(jí)頻譜Fig.9 Sound pressure spectrums with and without resonator in pipe

從上述圖6中的測(cè)量結(jié)果可以看出，傳聲損失測(cè)量結(jié)果因聲學(xué)管道內(nèi)的聲響應(yīng)不同，其結(jié)果不能反映諧振器的真實(shí)傳聲損失。管壁安裝試件時(shí)的插入損失測(cè)量有一定的測(cè)量精度，能夠反映諧振器的降噪大小和頻譜特性。管道內(nèi)放置試件的插入損失測(cè)量也能夠達(dá)到管壁安裝試件方法的效果，而且，因?yàn)楸苊饬斯鼙诎惭b試件要設(shè)計(jì)連接件、彎曲性諧振器較難管壁安裝的缺點(diǎn)，其放置于管道內(nèi)的諧振器更近似于諧振器安裝于車輪空氣室的情況。所以，管道內(nèi)放置試件的插入損失測(cè)量方法較好。

3 與其他測(cè)量方法的對(duì)比

如前所述，車輪空氣室諧振器的降噪效果通常采用車輪振動(dòng)測(cè)量方法和路試方法。本文也進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。

3.1 輪胎振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量

通過(guò)錘擊法測(cè)量諧振器安裝前后輪胎水平和垂直激勵(lì)時(shí)的加速度響應(yīng)，以此評(píng)價(jià)諧振器的吸聲減振能力。如圖10所示，選取了適合諧振器的某實(shí)車用的車輪，兩諧振器對(duì)稱安裝于輪轂上，利用橡皮繩將車輪懸掛使其處于自由狀態(tài)。加速度傳感器安裝于靠近輪軸附近的輪轂上，如圖11(a)所示，利用敲擊錘在輪胎面上分別進(jìn)行水平和垂直激勵(lì)，如圖11(b)所示。

圖10 諧振器安裝和車輪測(cè)試狀態(tài)Fig.10 Installation of resonator and the wheel in test status

圖11 加速度傳感器的安裝、測(cè)點(diǎn)及激勵(lì)方式Fig.11 Installation of acceleration sensor and the measurement points and excitation modes

圖12和圖13分別為垂直和水平激勵(lì)下1#和2#加速度傳感器的響應(yīng)。

圖13 2#加速度傳感器的響應(yīng)曲線(水平激勵(lì))Fig.13 Response curve of 2# acceleration sensor(horizontal excitation)

從圖12、13可以看出，在諧振器設(shè)計(jì)頻率200 Hz附近加速度降低顯著，垂直激勵(lì)下最大降低量超過(guò)10 dB，水平激勵(lì)下最大降低量超過(guò)20 dB。說(shuō)明了輪胎振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量方法可以評(píng)價(jià)諧振器的減振效果，但其反映諧振器的吸聲效果還不直觀。同時(shí)，由于自由狀態(tài)下車輪空氣室形狀和車輪行駛時(shí)被壓縮狀態(tài)有一定的差異，自由狀態(tài)下輪胎振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量方法在水平和垂直激勵(lì)時(shí)第一階響應(yīng)頻率相同(190 Hz)，而實(shí)際行駛車輪會(huì)被壓扁，其空氣室形狀在水平方向被拉長(zhǎng)，垂直方向被壓短，有第一階(183 Hz)和第二階(198 Hz)兩個(gè)響應(yīng)頻率，這些頻率在量值上都不同。所以，輪胎振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量方法有其局限性。

3.2 道路測(cè)試

本文將前述有降噪效果的諧振器安裝在適應(yīng)于某車的車輪空氣室內(nèi)，每個(gè)輪子一對(duì)，安裝方式同圖10(a)，四個(gè)車輪共計(jì)4對(duì)(8 個(gè))諧振器。在車內(nèi)主駕駛耳旁及副駕駛手套箱下方靠近地面各安裝一個(gè)傳聲器，測(cè)點(diǎn)位置如圖14所示。測(cè)量汽車在行駛狀態(tài)下安裝諧振器前后車內(nèi)的噪聲變化，以檢驗(yàn)諧振器的降噪效果。經(jīng)多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)在車速較低、粗糙路面情況下，車內(nèi)呈現(xiàn)的車輪空氣室聲共振顯著。安裝諧振器后這些共振峰值都得到了有效降低，結(jié)果如圖15和圖16所示。

圖14 測(cè)點(diǎn)位置Fig.14 Locations of measuring points

圖15 主駕駛座椅耳旁聲壓譜(石子路面，車速15 km·h-1)Fig.15 Thesoundpressure spectrums besidethe driver′s ear at the speedof15km·h-1ongravelroad

圖16 副駕駛靠近地面處聲壓譜(水泥粗糙路面，車速40 km·h-1)Fig.16The soundpressure level spectrumsnearthe groundofco-pilot at the speedof40km·h-1 on rough cement pavement

圖17為道路測(cè)試和管道測(cè)試獲得的諧振器的降噪量。管道測(cè)試選用了一個(gè)諧振器，實(shí)車路試每個(gè)車輪安裝4個(gè)諧振器，共16個(gè)。由于管道安裝諧振器數(shù)量少，其降噪量偏小，但在需要降噪的200 Hz附近頻段，都呈現(xiàn)出一致的降噪趨勢(shì)。

3.3 三種測(cè)量方法對(duì)比

從2.3節(jié)的管道測(cè)試結(jié)果可以看出，在設(shè)計(jì)頻率195Hz附近諧振器有明顯的降噪效果，也有一定的降噪帶寬。3.1節(jié)的輪胎振動(dòng)測(cè)量顯示，諧振器有一定的降噪減振效果。但因自由狀態(tài)下輪胎空氣室的第一階固有頻率(190 Hz)高于輪胎行駛時(shí)被壓縮后空氣室的第一階固有頻率(183 Hz)，低于第二階固有頻率(198 Hz)，所以，輪胎振動(dòng)測(cè)量的輪胎固有特征和實(shí)際行駛時(shí)有一定的差距，不能準(zhǔn)確反映實(shí)際車輛行駛時(shí)的響應(yīng)特征，只能近似反映該特征，因此，該方法有其局限性。而3.2節(jié)路試結(jié)果既反映了實(shí)車行駛車輪空氣室的共振特征，又說(shuō)明了和設(shè)計(jì)頻率及聲學(xué)管道測(cè)試結(jié)果相一致。所以，聲學(xué)管道盡管不能在降噪量值上和實(shí)車相當(dāng)，但在降噪特征上兩者一致。因此，它可以成為諧振器研制過(guò)程測(cè)量其降噪效果簡(jiǎn)單易行且準(zhǔn)確可靠的測(cè)試平臺(tái)。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)在汽車車輪空氣室安裝的諧振器降噪效果評(píng)估中，常用輪胎振動(dòng)測(cè)量方法和路試測(cè)量方法較為復(fù)雜繁瑣的問(wèn)題，提出了一套聲學(xué)管道測(cè)量方法，介紹了這種測(cè)量方法的原理、測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)及測(cè)量評(píng)價(jià)方法。利用建成的一套測(cè)量平臺(tái)，對(duì)不同的測(cè)量方法進(jìn)行研究，提出了適合車輪空氣室諧振器降噪效果評(píng)估的方法，并通過(guò)對(duì)輪胎振動(dòng)測(cè)量和路試測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，說(shuō)明該聲學(xué)管道測(cè)量方法是諧振器研制過(guò)程中測(cè)量其降噪效果簡(jiǎn)單易行、且準(zhǔn)確可靠的測(cè)試方法。