摘 "要:通過分析一般乘用車風(fēng)振發(fā)生的機(jī)理、過程,并結(jié)合次聲對(duì)人體影響的研究結(jié)果,提出了采用風(fēng)振聲壓級(jí)評(píng)價(jià)風(fēng)振的單參數(shù)工程評(píng)價(jià)方案。提出采用頻域切片算法求解風(fēng)振聲壓級(jí)的數(shù)據(jù)處理方案,并基于此優(yōu)化了風(fēng)振的測試方法。最后分析了優(yōu)化方法相對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)振測試方法的高效率和高精度,以及更能反映風(fēng)振動(dòng)態(tài)過程的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:風(fēng)振;次聲危害;頻率切片;噪聲測試
中圖分類號(hào):U467.5 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A " " "文章編號(hào):1005-2550(2022)05-0042-04
Buffeting Test Method Based On Frequency Slicing Algorithm
ZHOU Wan-tian, JIANG Cai-mao, LONG Liang-huo
(GAC Automotive Research amp; Development Center, Guangzhou 511434, China)
Abstract: By analyzing the mechanism and process of buffeting of passenger cars, and combining with the research results of the influence of infrasound on human body, a single parameter engineering evaluation scheme using buffeting amplitude value to evaluate buffeting is proposed. The data processing scheme of solving buffeting sound pressure level by frequency domain slicing algorithm is proposed, and the test method of buffeting is optimized based on this. Finally, the high efficiency and high precision of the optimization method compared with the traditional buffeting test method, and the characteristics of better reflecting the dynamic process of buffeting are analyzed.
Key Words: Buffeting; Infrasound; Frequency Slice; Noise Testing
前 " "言
汽車行駛中側(cè)窗或天窗打開時(shí),在某些速度區(qū)間車內(nèi)乘員感受到強(qiáng)烈的壓耳“噗噗”噪聲,這種現(xiàn)象就是風(fēng)振。汽車開窗風(fēng)振為超低頻、高強(qiáng)度的一類噪聲,嚴(yán)重影響駕乘舒適性。研究表明長期處于高強(qiáng)度噪聲環(huán)境下,會(huì)影響乘員健康[1,5]。
本文通過研究風(fēng)振現(xiàn)象的特征以及乘員主觀感受,提出了風(fēng)振聲壓級(jí)評(píng)價(jià)風(fēng)振噪聲的單參數(shù)評(píng)價(jià)方案,以及一種基于頻率切片算法的風(fēng)振數(shù)據(jù)處理方案。根據(jù)頻率切片數(shù)據(jù)處理方案的特點(diǎn),提出采用緩加速(或減速)的風(fēng)振優(yōu)化測試方法。并且通過工程實(shí)踐,驗(yàn)證了優(yōu)化測試方法相對(duì)傳統(tǒng)勻速測試方法的高效和高精度的特點(diǎn)。
1 " "風(fēng)振現(xiàn)象
1.1 " 風(fēng)振現(xiàn)象物理性質(zhì)
風(fēng)振是一種亥姆霍茲共振現(xiàn)象,當(dāng)車窗開口區(qū)域脫落渦的一階模態(tài)頻率等于車廂體的固有振蕩頻率時(shí),此時(shí)風(fēng)振的“鎖定(lock in)”現(xiàn)象發(fā)生,并且風(fēng)振的聲壓級(jí)達(dá)到最高[2]。根據(jù)亥姆霍茲共振理論,空腔固有頻率可由車廂的特征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,見公式(1),參數(shù)示意為圖1。開口腔的渦旋脫落周期性頻率見公式(2)[3]。
f=(c/2π)(A/Vl)-2 " " " " " " " " " " "(1)
式中: f為共振頻率;c為聲速;A為空腔開口面積;l為開口壁厚;V是空腔容積。
n/f=d/c+d/a0 ,n=1,2,3…… " " " " " (2)
式中:n為風(fēng)振模態(tài)數(shù);d為空腔開口跨度;a0 為渦的對(duì)流速度。
代入某轎車打開天窗時(shí)的車廂特征參數(shù),在20km/h至70km/h速度段每隔10km/h取一個(gè)速度進(jìn)行仿真和試驗(yàn)[4]。結(jié)果如圖2和圖3,其風(fēng)振頻率大致為18Hz,發(fā)生的速度區(qū)間為30km/h至50km/h,峰值可達(dá)110dB以上。由該數(shù)據(jù)可知,風(fēng)振發(fā)生在一定速度區(qū)間內(nèi),不同的速度下幅值變化很大,其頻率變化不大。
1.2 " 風(fēng)振現(xiàn)象與人體感官
傳統(tǒng)聲學(xué)研究認(rèn)為人耳可感知的聲音頻率范圍為20Hz - 20000Hz[5],圖3顯示某轎車的風(fēng)振頻率為18Hz,已經(jīng)超過人耳感知范圍。實(shí)際上,風(fēng)振發(fā)生時(shí)乘員可以感知非常明顯的“噗噗”噪聲,這與傳統(tǒng)的聲學(xué)認(rèn)知相違。根據(jù)一些研究次聲與低頻噪聲對(duì)人體影響資料表明,人耳是可以感知次聲的,只是其聽閾值較高[6,7],圖4為次聲聽閾曲線[7]。
一般汽車風(fēng)振頻率為20Hz左右[2],由圖3可知風(fēng)振頻率區(qū)間的聽閾大約90dB,而風(fēng)振峰值聲壓級(jí)往往超過110dB以上,遠(yuǎn)高于聽閾,所以車內(nèi)乘員才對(duì)風(fēng)振有強(qiáng)烈主觀感知,即強(qiáng)烈的“噗噗”聲。
風(fēng)振是一種低頻(已到次聲頻段)且聲壓非常高(超過110dB)的噪聲。根據(jù)研究表明,長期處于這類噪聲環(huán)境會(huì)對(duì)人的聽覺、大腦、激素等多項(xiàng)生理指標(biāo)產(chǎn)生危害性影響,甚至發(fā)生不可逆危害[6,7]。
1.3 " 風(fēng)振評(píng)價(jià)參數(shù)
風(fēng)振也是一種噪聲,評(píng)價(jià)噪聲有很多參數(shù),例如頻率、響度、聲壓級(jí)、抖動(dòng)度、粗糙度、尖銳度等等。在工程上,評(píng)價(jià)一個(gè)噪聲一般只選取和主觀感受對(duì)應(yīng)最為線性的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。例如風(fēng)噪常用語音清晰度評(píng)價(jià),路噪常用響度,電機(jī)嘯叫常用尖銳度等。
結(jié)合1.2節(jié)描述,風(fēng)振是一種典型的次聲段噪聲,人耳能感知次聲即次聲的聲壓級(jí)高于聽閾,高的越多,人耳感知越明顯,故聲壓級(jí)是與風(fēng)振主觀感受比較匹配的物理量。根據(jù)筆者工程實(shí)踐,制定了風(fēng)振聲壓級(jí)和主觀評(píng)價(jià)的對(duì)應(yīng)表,如表1。
2 " "風(fēng)振試驗(yàn)
2.1 " 傳統(tǒng)風(fēng)振測試方法
傳統(tǒng)風(fēng)振測試采用勻速行駛工況[2,8]。在風(fēng)振發(fā)生速度區(qū)間內(nèi)每隔一定速度進(jìn)行一次勻速工況測試,例如間隔5km/h或者10km/h。測點(diǎn)選擇駕駛員內(nèi)耳以及后排乘客內(nèi)耳[9]。測試結(jié)果如圖2和圖3。
2.2 " 基于頻率切片算法的風(fēng)振測試
2.2.1頻率切片介紹
對(duì)于一個(gè)給定的頻譜,將起始頻率 f1 到終點(diǎn)頻率 f2 之間頻段提取,稱為頻率切片。如圖5所示,其物理量表示 f1 到 f2 的積分運(yùn)算,例如計(jì)算 f1到 f2 的聲壓級(jí)總值為公式3。
(3)
式中:Aslice表示切片總聲壓級(jí);A( f )表示幅值信息。
實(shí)際噪聲是連續(xù)信號(hào),可以采用公式3進(jìn)行切片計(jì)算。但工程上噪聲的采集是對(duì)連續(xù)信號(hào)離散抽樣,采集到的噪聲信號(hào)是離散化的。通過對(duì)離散信號(hào)進(jìn)行處理,最終得到的噪聲頻譜是由若干條間隔為Δf(頻率分辨率)的譜線組成,每一條譜線對(duì)應(yīng)唯一的頻率和幅值信息,如圖6。離散化頻譜的切片計(jì)算則由積分轉(zhuǎn)化為求和,如公式4。離散譜中每個(gè)頻率點(diǎn)具有一定帶寬Δf,首尾截止點(diǎn)實(shí)質(zhì)只取了該點(diǎn)的一半帶寬,起始頻率 f1 取后半帶寬,終點(diǎn)頻率 f2取前半帶寬。所以公式4中首尾頻率點(diǎn)的幅值只取一半。
(4)
式中:A1=A(f1);A2=A(f2);Ai=A(fi);f1lt;filt;f2。
多個(gè)聲壓級(jí)求和如公式5:
(5)
式中:LP表示總聲壓級(jí)。
將公式4和公式5結(jié)合,得到公式6。
(6)
即通過頻率切片截取的頻段其總聲壓級(jí)可以由公式6計(jì)算。
2.2.2 風(fēng)振與頻率切片
如圖7,為典型的風(fēng)振頻譜圖,分辨率1Hz。分析該頻譜特征,風(fēng)振頻率f處的幅值非常高,達(dá)到112dB。采用公式6計(jì)算以風(fēng)振頻率f為中心頻率的20Hz帶寬Δf的頻率切片的總聲壓級(jí),為114dB,基本與風(fēng)振頻率處的幅值相當(dāng)。風(fēng)振的聲壓級(jí)采用風(fēng)振頻率處幅值聲壓級(jí)或者一定帶寬切片的聲壓級(jí)表達(dá)均可。
觀察圖2,不同速度下風(fēng)振的幅值差異較大。傳統(tǒng)風(fēng)振測試采用間隔速度方式,并沒有完整表達(dá)風(fēng)振發(fā)生速度區(qū)間的過程。由公式1和公式2可知,風(fēng)振的頻率由車身尺寸確定,其變化區(qū)間較小。引入頻率切片方法,將風(fēng)振發(fā)生速度區(qū)間內(nèi)的風(fēng)振頻段連續(xù)提取后求總聲壓級(jí),即可得到風(fēng)振聲壓級(jí)隨速度變化的連續(xù)過程。
2.2.3 風(fēng)振測試優(yōu)化方法
引入頻率切片處理風(fēng)振測試數(shù)據(jù),則測試方法相應(yīng)優(yōu)化。不同于傳統(tǒng)方法針對(duì)風(fēng)振速度區(qū)間選擇多個(gè)速度進(jìn)行多組別測試。優(yōu)化方法只需采用緩加速或者減速的方式,其速度范圍包含風(fēng)振速度區(qū)間即可。過程如下:
a、推薦采用0.5m/s-2加速度(假如風(fēng)洞內(nèi)則采用來流速度緩慢增加方式)緩加速行駛,采集噪聲數(shù)據(jù),并進(jìn)行傅里葉變換得到三維頻譜圖,如圖8。
b、做頻率切片,頻率切片帶寬可以采用起始頻率到終點(diǎn)頻率的方式。也可以采用中心頻率與固定帶寬的方式。風(fēng)振頻率相對(duì)固定,采用中心頻率的方式做切片更加方便,中心頻率即為風(fēng)振頻率,如圖8。
c、確定中心頻率后,選擇一個(gè)固定帶寬,要求完全覆蓋風(fēng)振頻率變化范圍即可,推薦20Hz,如圖8:
d、采用公式6,計(jì)算切片的總聲壓級(jí)。并輸出聲壓級(jí)-速度(時(shí)間)曲線,如圖9:
2.2.4 傳統(tǒng)測試方法和優(yōu)化測試方法比較
在效率上,傳統(tǒng)方法需要測試多組數(shù)據(jù);而優(yōu)化方法只需一組數(shù)據(jù)。在精度上,傳統(tǒng)方法類似離散抽樣,并不能把風(fēng)振過程完整的表述;而優(yōu)化方法則是完整記錄風(fēng)振發(fā)生速度區(qū)間的數(shù)據(jù)。某車型采用兩種方法測試的對(duì)比如表2:
3 " "結(jié)論
通過對(duì)風(fēng)振現(xiàn)象的一些評(píng)價(jià)研究,可以得出以下結(jié)論:
1、從風(fēng)振對(duì)人體的感官影響上看,聲壓級(jí)是最直接的因素。在工程上也常把100dB作為風(fēng)振性能是否達(dá)標(biāo)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。
2、風(fēng)振是一種共振現(xiàn)象,其共振頻率處的聲壓級(jí)峰值遠(yuǎn)高于其他頻率。故聲壓級(jí)表達(dá)方式采用共振頻率處的峰值,或者共振頻率為中心的頻段切片聲壓級(jí),其差異一般1dB -2dB。
3、引入切片方法處理風(fēng)振測試數(shù)據(jù),其測試方法可以顯著簡化,而測試的精度反而提高,在工程上非常適用。
參考文獻(xiàn):
[1]谷正氣,肖朕毅,莫志姣.汽車風(fēng)振噪聲的CFD仿真研究現(xiàn)狀[J].噪聲與振動(dòng)控制,2007(4):4.
[2]楊振東.汽車風(fēng)振噪聲特性分析及被動(dòng)控制研究[D].湖南大學(xué), 2017.
[3]Shieh, C. M.,Parallel numerical simulations of subsonic,turbulent,flow-induced noise from two-and three—dimensional cavities using computational aeroacoustics [D].The Pennsylvania State University,2000.
[4]江財(cái)茂,張斌瑜,周萬田,等.汽車天窗風(fēng)振噪聲研究與優(yōu)化[C]// 2018中國汽車工程學(xué)會(huì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 2018.
[5]馬大猷.噪聲控制學(xué)[M].科學(xué)出版社,1987:101-107.
[6]杜寶東,劉淑芳,姬柏春.次聲對(duì)人體及動(dòng)物影響的研究進(jìn)展[J].國際耳鼻咽喉頭頸外科雜志,2001.
[7]陸曉軍,楊秋平,邢吉紅,等.次聲對(duì)人體生理的影響[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工), 2000,30(4):87-91.
[8]黃麗那,張威,王暉,等. 一種汽車天窗風(fēng)振噪聲的測試結(jié)構(gòu)及方法:CN105300511A[P],2016-2-3.
[9]GB/T 18697-2002,聲學(xué) 汽車車內(nèi)噪聲測量方法[S].
周萬田
畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué),車輛工程專業(yè),本科學(xué)歷,現(xiàn)就職于廣汽研究院,任NVH部責(zé)任工程師,長期從事汽車風(fēng)噪性能開發(fā)、汽車NVH性能集成管理工作。
專家推薦語
劉 " 浩
東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心
首席總師 "研究員高級(jí)工程師
論文概述了一般乘用車風(fēng)振發(fā)生的機(jī)理與過程,及人體對(duì)次聲的感知等研究結(jié)果。結(jié)合實(shí)際評(píng)價(jià)提出了采用緩加速試驗(yàn)方法測量風(fēng)振發(fā)生過程的聲壓級(jí),而后引入頻域切片方案求解風(fēng)振聲壓級(jí)的處理方法,該方法與傳統(tǒng)風(fēng)振測試方法相比,具有高效率的特點(diǎn),可供相關(guān)工程師借鑒。