摘 要：某新能源車型開發(fā)過程中，在高速100km/h以上時，駕駛室明顯感知到發(fā)動機(jī)艙蓋前部有口哨般嘯叫聲。通過風(fēng)洞和道路驗證，表明發(fā)動機(jī)艙蓋前部的造型設(shè)計、前保格柵的通風(fēng)面積、發(fā)動機(jī)艙蓋前部密封空腔的大小，對該嘯叫聲有較大影響。本文以此為背景，對嘯叫聲的發(fā)聲機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并設(shè)計多個方案進(jìn)行驗證，最終通過減小發(fā)動機(jī)艙蓋前部密封空腔面積解決了該嘯叫聲。同時總結(jié)了抑制嘯叫聲的方法，為后續(xù)新能源車型的風(fēng)噪開發(fā)提供了參考。

關(guān)鍵詞：嘯叫聲；通風(fēng)面積；密封空腔；風(fēng)噪

中圖分類號：U467.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2024）04-0035-06

Study on the Whistling Suppression in the Front of Hood

ZHOU Wei， Ma Bao-lin， Li Lei， Liu Shun-li， Zhu Bo

（Chery Automobile Co.， Ltd， Wuhu 241009， China）

Abstract： During the development test of a new energy vehicle， whistling was obviously perceived in the front of the hood at a high speed of 100km/h or more. In the wind tunnel and road test， the results show that the shape design of the front of the hood， the state of the ventilation area between the hood and front bumper， and the size of the sealing cavity in the front of the hood have a great influence on the whistling. As result of that， this paper will research on the mechanism of whistling， designs several proposals to test， finally solves whistling by reducing the area of the sealing cavity in front of the hood. At the same time， the methods of suppressing whistling are summarized， which provides a reference for the subsequent development of wind noise of new energy vehicles.

Key Words： Whistling; Ventilation Area; Sealed Cavity; Wind Noise

1 前言

隨著人們對汽車的行駛舒適性要求越來越高，汽車密封條不僅要滿足一般的密封設(shè)計要求，而且還要滿足噪聲、可靠性等要求，而噪聲是影響整車NVH性能的重要因子，因此降低噪聲對顧客的感知提升非常重要[1]。通過研究及試驗發(fā)現(xiàn)：發(fā)動機(jī)艙蓋前部的造型設(shè)計、前保格柵通風(fēng)面積、發(fā)動機(jī)艙蓋前部的密封空腔大小等對發(fā)動機(jī)艙蓋前部嘯叫聲的發(fā)生有重要影響，考慮到工程設(shè)計中需確保造型的極致需求，所以本文重點(diǎn)研究了嘯叫聲的發(fā)生機(jī)理和發(fā)動機(jī)艙蓋前部的密封空腔大小[2]。

目前國內(nèi)外針對前風(fēng)擋玻璃區(qū)域以及前保區(qū)域的風(fēng)噪有一定研究，但針對發(fā)動機(jī)艙蓋前部的嘯叫聲研究較少。主要有顧曉卓[3]通過更改車門側(cè)密封條外唇邊根部材料，提高壓載負(fù)荷，采用在A柱接角處增加兩個凸筋的方案，并通過試驗驗證，解決了“嗚嗚”風(fēng)噪問題。黃曉勝等[4]通過道路試驗采集嘯叫聲相關(guān)聲場信號，并經(jīng)過聲源定位、問題解析、機(jī)理分析明確了嘯叫聲的來源及其幅頻特性，找到了影響嘯叫聲大小的關(guān)鍵參數(shù)，并基于此對格柵肋條結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化方案經(jīng)過整車測試驗證具有明顯效果。李明亞等[5]對某SUV的發(fā)動機(jī)艙蓋造型特征進(jìn)行仿真分析，通過對機(jī)艙蓋風(fēng)噪性能進(jìn)行優(yōu)化，得到了整車風(fēng)噪較低的發(fā)動機(jī)艙蓋造型。楊飄等[6]利用流體力學(xué)和流體聲學(xué)的理論，分析了口哨的發(fā)聲原理，總結(jié)出了影響汽車前部風(fēng)噪聲中客戶不可接受的高頻口哨音的三個解決方向：改變流場方向、移除擾流因子、填堵諧振腔。

本文理論與試驗相結(jié)合，深入分析了嘯叫聲的發(fā)生機(jī)理，針對出現(xiàn)的問題提出優(yōu)化方案，同時利用仿真軟件模擬及實物驗證解決此問題。最后總結(jié)了抑制嘯叫聲的方法，為后期新能源車型發(fā)動機(jī)蓋前部密封條布置提供一個參考及優(yōu)化方向。

2 發(fā)動機(jī)蓋前部異響問題描述

2.1 異響描述

某新能源車型風(fēng)洞測試過程中，速度100km/h以上時，感知到發(fā)動機(jī)艙蓋前部有明顯的口哨般嘯叫聲，且車速越大，響度越大。通常這種口哨般嘯叫聲集中發(fā)生在發(fā)動機(jī)艙蓋與周邊件匹配處，多出現(xiàn)于發(fā)動機(jī)艙蓋與前保格柵的區(qū)域。此車型前保為半封閉式，氣流非常容易在該處腔體內(nèi)產(chǎn)生渦流回旋并引起共振，從而產(chǎn)生口哨般嘯叫聲。嘯叫聲發(fā)生位置如圖1所示：

2.2 嘯叫源測試

采用LMS軟件振動噪聲分析系統(tǒng)及設(shè)備，對嘯叫聲進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理。試驗車輛為接近量產(chǎn)階段的工程樣車，車輛的外飾件、密封及隔聲系統(tǒng)均達(dá)到量產(chǎn)水平，車外麥克風(fēng)布置在車頭前側(cè)，行駛工況為勻速120km/h，該行駛速度可以保證氣流有足夠的速度激勵出發(fā)動機(jī)艙蓋前部嘯叫聲，同時可避免因車速過大帶來的湍流噪聲干擾，采集的故障車車內(nèi)聲壓級PR值，如圖2所示。從圖示觀察，高頻7000Hz～10000Hz時有嘯叫產(chǎn)生。

3 發(fā)動機(jī)艙蓋前部嘯叫聲原因分析

3.1 嘯叫聲的形成原理

穩(wěn)定的氣流撞擊到邊楞上，會產(chǎn)生周期性的擺動，如圖3中a）所示。當(dāng)邊楞兩側(cè)有空腔，氣流會產(chǎn)生周期性的擺動，當(dāng)擺動頻率與空腔聲學(xué)模態(tài)頻率相近時，形成了流體-聲學(xué)共振，又稱為流體-聲學(xué)耦合振蕩，這種現(xiàn)象在宏觀上稱為嘯叫聲共振放大噪聲[7]。

該車型前保與發(fā)動機(jī)艙蓋分縫處正對車頭行駛方向，在前保與發(fā)動機(jī)艙蓋匹配處布置密封條進(jìn)行密封處理，發(fā)動機(jī)艙蓋前部密封條一直延伸到大燈兩側(cè)，整體形成導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)，前保處與發(fā)動機(jī)艙蓋密封條形成半空腔，氣流非常容易進(jìn)入空腔產(chǎn)生激勵，如圖3中b）所示。

高速情況下，汽車車頭前側(cè)周圍渦流強(qiáng)烈，特別當(dāng)發(fā)動機(jī)艙蓋與前保間隙較小時，氣流在此區(qū)域的周期性擺動更為劇烈，如圖4所示，此時發(fā)動機(jī)艙蓋、前保、密封條所組成的半腔體與車外氣流不斷的交互，產(chǎn)生空腔模態(tài)，當(dāng)空腔模態(tài)與擺動頻率相近時，就產(chǎn)生了“嘯叫”聲。

3.2 嘯叫聲的發(fā)生影響因素

根據(jù)嘯叫聲形成的原理，嘯叫聲的影響因素由氣流擺動頻率和空腔聲學(xué)模態(tài)頻率來決定，如圖5所示：

（1）影響氣流擺動頻率的因素：

本文中的發(fā)動機(jī)蓋前密封腔為半開口空腔，參考Rossiter提出的公式，擺動頻率方程可以表達(dá)為：

n=1，2，3···

其中：U、H分別為自由流速度和空腔開口高度，如圖6所示，M為馬赫數(shù)，n為開口腔數(shù)，1/k為由試驗確定的常數(shù)，空腔長寬比不同，流速不同，修正參數(shù)需取不同值。當(dāng)馬赫數(shù)M?1時，試驗常數(shù)1/k取1.75。

從擺動頻率公式可知：

（a）氣流速度越大，氣流擺動頻率越大；

（b）空腔開口高度越小，氣流擺動頻率越大；

風(fēng)速從0-200km/h漸變，經(jīng)計算，理論上可激勵起7704Hz以下的擺動。不同速度，不同空腔開口高度產(chǎn)生的擺動頻率如表1所示：

（2）影響空腔聲學(xué)模態(tài)頻率的因素：

本文中的發(fā)動機(jī)前密封腔為半開口空腔，半開口空腔模態(tài)方程式為：

其中c為聲速，n為腔數(shù)，L為空腔長度，如圖7所示：

從空腔聲學(xué)模態(tài)公式可知：

（a）氣流速度越大，空腔聲學(xué)模態(tài)頻率越大；

（b）空腔長度越小，空腔聲學(xué)模態(tài)頻率越大；

風(fēng)速一定時，空腔長度越大，聲學(xué)模態(tài)頻率越小。不同空腔長度產(chǎn)生的聲學(xué)模態(tài)，如表2所示。

4 動機(jī)艙蓋前部異響問題解決方案

4.1 抑制嘯叫聲的方法

基于氣流擺動在高速時產(chǎn)生了4000Hz～ 8000Hz的頻率，空腔長度在11～20mm時產(chǎn)生了4000Hz～ 8000Hz的模態(tài)，比較相近，因此會產(chǎn)生流體-聲學(xué)共振。此段頻率又是人耳聽到的高頻頻率段，所以乘客不能接受。

由于氣流擺動頻率的兩個因素與造型、發(fā)動機(jī)蓋布置有關(guān)，所以能優(yōu)化的空間不多。因此通過降低空腔開口高度、減小空腔長度，使空腔模態(tài)頻率大于10000Hz以上，與高速時氣流擺動頻率8000Hz不產(chǎn)生耦合發(fā)生共振，從而來降低嘯叫聲。

為避免空腔模態(tài)與邊楞擺動頻率耦合共振，需將空腔長度控制在8mm以下：聲腔模態(tài)大于10000Hz；氣流的周期性擺動小于8000Hz。

通過理論分析，總結(jié)建立以下方式校核：

（1）做發(fā)動機(jī)艙蓋前部主斷面，至少包括Y0及兩端頭的3個斷面，如圖8中a）所示；

（2）由于斷面通常為異形，通過以下方式計算空腔長度；

（a）密封條取壓縮后斷面狀態(tài)；

（b）以發(fā)動機(jī)蓋前端R角為起點(diǎn)，垂直與前保做空腔截面；

（c）測量空腔截面面積S，如圖8中b）所示；

（d）量空腔前端頭垂直開口高度H1和后端頭垂直開口高度H2 ，如圖8中b）所示；

（e）空腔長度： 。

（3）校核標(biāo)準(zhǔn)：L≤8mm，S≤80mm2 。

4.2 密封條結(jié)構(gòu)及布置優(yōu)化方案

基于上述抑制嘯叫聲的原理，采用以下快速方案進(jìn)行驗證，如圖9所示：方案一，減小前部空腔面積，用泡棉填補(bǔ)前保與發(fā)動機(jī)蓋之間的縫隙，嘯叫聲明顯減弱；方案二，去除密封條，開放式發(fā)動機(jī)艙（ICE、PHEV等無機(jī)罩裝飾罩或儲物盒）車型可消除嘯叫，但封閉式發(fā)動機(jī)艙（比如帶儲物盒及密封條）仍然會有寬頻風(fēng)噪；方案三，完全密封，用布基膠帶將前保與發(fā)動機(jī)艙蓋之間的縫隙封堵，嘯叫聲也完全消失。

圖10為車外測點(diǎn)得到的聲壓級頻譜，從聲壓級曲線可以明顯看到，嘯叫聲聲源集中在7000Hz到10000Hz內(nèi)，峰值中心頻率集中在8000Hz左右，可以看出原密封狀態(tài)的分貝值最大，填補(bǔ)海綿膠狀態(tài)較原密封狀態(tài)的分貝值有明顯降低，去除密封條狀態(tài)較填補(bǔ)海綿膠狀態(tài)的分貝值有一定減小，粘貼膠帶后進(jìn)行封堵狀態(tài)的分貝值最低。

綜合成本及可實施性等因素，最終采用減小前部空腔面積來解決此類嘯叫聲。因此針對發(fā)動機(jī)艙前部密封進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計及驗證仿真結(jié)果如下：如圖11中a）所示，原密封條截面密封空腔區(qū)域面積比較大；如圖11中b）所示，優(yōu)化后密封條截面密封空腔面積進(jìn)一步減??；如圖11中c）所示，經(jīng)過總結(jié)的校核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗算，其結(jié)果滿足設(shè)計要求。

4.3 試驗驗證

（1）優(yōu)化方案最終驗證

圖12為風(fēng)洞試驗中檢測到的聲壓級頻譜，從聲壓級曲線可以明顯看到，嘯叫聲聲源集中在7000Hz到10000Hz內(nèi)，峰值中心頻率集中在8000Hz左右，搭載原密封條測得峰值分貝約為33dB，搭載優(yōu)化后密封條峰值分貝約為20dB，有效降低分貝值13dB。

（2）主觀評價

最終對樣車批量進(jìn)行路試評價，主觀評估均無嘯叫聲，方案完全滿足設(shè)計要求，驗證結(jié)果如表3所示：

5 結(jié)語

本文結(jié)合某新能源車型發(fā)動機(jī)蓋前部嘯叫問題的解決案例，通過氣流擺動頻率、空腔模態(tài)的耦合振蕩推算出此類半空腔嘯叫發(fā)生的機(jī)理，并利用密封條的結(jié)構(gòu)與布置解決了空腔模態(tài)與擺動頻率的耦合共振，從而抑制了嘯叫聲。

此外，本文通過嘯叫聲的發(fā)生機(jī)理及實車驗證結(jié)果，總結(jié)出此類問題設(shè)計解決方法，不僅提升了開發(fā)效率，還降低了開發(fā)成本，為后期開發(fā)項目提前解決此類問題提供了參考。

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周 偉

畢業(yè)于湖北汽車工業(yè)學(xué)院，現(xiàn)就職于奇瑞汽車股份有限公司汽車工程研發(fā)總院，主要研究方向為車身系統(tǒng)集成開發(fā)，已發(fā)表論文4篇，已獲專利20多項。

專家推薦語

康潤程

襄陽達(dá)安汽車檢測中心有限公司

NVH專業(yè)副總師 研究員級高級工程師

本文針對某新能源車高速時發(fā)動機(jī)艙蓋前部有口哨般嘯叫聲問題，通過測試及分析得知，嘯叫聲來源于發(fā)動機(jī)艙蓋與前保格柵的區(qū)域氣流渦流。對此進(jìn)行理論分析可知，嘯叫聲由氣流擺動頻率（空腔開口高度）和空腔聲學(xué)模態(tài)頻率（空腔長度）耦合共振造成，提出降低空腔開口高度和減小空腔長度的方法來避免出現(xiàn)空腔模態(tài)與邊楞擺動頻率耦合共振而產(chǎn)生嘯叫聲，最后試驗驗證改善方案有效、結(jié)論正確。

全文結(jié)構(gòu)完整，論點(diǎn)明確、理論正確、論據(jù)有效、邏輯推導(dǎo)性一般、可讀性較好。學(xué)術(shù)水平較好，有較好的實際應(yīng)用價值。