汽车车身噪声与振动控制：风振噪声成果

1.风振噪声形成的机理

当行驶中的汽车的天窗或者车窗打开时，车内通常产生强烈的轰鸣声。这种噪声被称为风振噪声。

图6-11表示一辆开着天窗的汽车在气流中运动。车身表面存在一层不稳定的气流剪切层。剪切流遇到天窗前部边缘处（图中的A点），车身表面的漩涡脱离车身并随着剪切层气流往后运动。当旋涡碰到了天窗的后边缘（图中的B点）时，旋涡就破裂，并产生了向四周扩散的压力波。一部分压力波进入空腔，一部分压力波辐射到外面，还有一部分波反射到天窗的前边缘（A点），形成新的旋涡，再向后传递。当这股新的旋涡遇到后边缘（B点）时，破裂并向四周散射压力波。“旋涡运动—破裂—反射—再形成旋涡—破裂”这个过程以一定的频率反复进行，形成风振噪声的激励源。

当“旋涡运动—破裂—反射—再形成旋涡—破裂”的频率与空腔频率一致时，就产生共振。空腔共振频率，即风振噪声频率，取决于车速、空腔容积、开口形状和面积等。这种风振噪声频率很低，只有几十赫兹。风振噪声的频率甚至会低于20Hz，即人耳听不到，但是人能够感觉到一股股脉冲不断袭来。这种脉冲的能量很大，噪声级可以超过100dB。风振噪声让人感觉非常不舒服。

图6-11 一辆处在气流中、天窗打开的汽车

车厢是一个空间，当天窗打开时，就形成了一个赫尔姆兹腔，如图6-11所示。车厢空间就是谐振腔的容积，开口部分可以看成是谐振腔的连接管，开口的面积就是连接管的面积，车内和车外的高度差就是连接管的长度。

2.风振频率的计算

开窗的车身声腔可以看成是一个赫尔姆兹谐振腔，如图6-12所示。赫尔姆兹谐振腔由一个空腔和一根管子组成。当外界的压力推动管子内的空气运动时，空腔内的空气被压缩，然后又膨胀，再推动管子里的空气运动。赫尔姆兹谐振腔类似于一个单自由度的弹簧-质量系统。管子里的空气类比于质量，而空腔内的空气类比于弹簧，如图6-13所示。

图6-12 车身声腔与赫尔姆兹谐振腔的类比

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图6-13 赫尔姆兹谐振腔与单自由度质量-弹簧系统类比

赫尔姆兹谐振腔的频率可以表达为

式中，V是腔室的容积；A为管子的截面积；l为管子的长度。

式（6-10）可以用来计算风振噪声的频率。对应着车身空腔，V是车身的容积，A是开窗面积，l是开窗部分的高度。

3.风振噪声的控制

风振噪声是在“旋涡运动—破裂—反射—再形成旋涡—破裂”这个过程中产生的，只要打破这个循环过程就可以控制它。

图6-14显示在天窗前端加一块导板。气流沿着导板运动，当脱离导板时，它在空腔上方运动，没有进入到车身空腔内。气流越过天窗的后端，又附着在车身上。由于气流没有进入到车身内，也没有风振的循环过程，因此风振噪声消失。

图6-14 在天窗前端加一块导板