汽车车身风噪测量方法及其应用

1.风洞实验室

风洞有两种：环境风洞和空气动力风洞。在环境风洞内，有模拟阳光、雨水等系统，环境温度可以从-40～50℃。环境风洞用来测量汽车在各种环境状态下的性能，如动力性能、油耗性能等。空气动力风洞用来测量汽车的风阻系数和其他空气动力学性能。

空气动力风洞又分为一般的风洞和低噪声风洞。一般空气动力风洞没有进行特殊的背景噪声处理，背景噪声很大，只能测量风阻、升力等与车身空气动力特征相关的性能。低噪声风洞经过特殊的声学处理，风洞的进口、出口、转弯、墙壁等地方都做了吸声处理，鼓风机系统和螺旋叶片等也达到了低噪声的设计要求，因此其背景噪声低。在低噪声风洞内，不仅可以测量空气动力性能，而且可以测量噪声。本书以后提到的风洞都是指低噪声空气动力风洞。图6-72所示为世界上一些风洞试验室在不同气流速度下的噪声值。图6-72a表示在气流内（In-Flow）测量的噪声值，图b表示在气流外（Out-Flow）测量的噪声值。在流场内，有气流的直接作用，而流场外，没有气流的直接作用，因此，流场内的噪声比流场外大。

图6-72 世界上一些风洞试验室在不同气流速度下的噪声值

图6-73所示为一个风洞俯视角度的示意图。风洞试验室由一个环形的气道组成，气道中安装有鼓风机、导流板等设备。在风洞的测试中央区域，有一个可以旋转的圆形动态平衡台。平衡台是风洞中最精密的设备，当汽车放置在平衡台上时，需要精密调节才能使平衡台平衡。平衡台上面有两条皮带，车轮放置在皮带上，可以模拟汽车行驶时轮胎与路面的相对运动状况。车身的纵轴线与平衡台的中心线平行。当平衡台中心线与喷嘴中心轴平行时，汽车处于正迎风面，即汽车与气流的角度为0°，如图6-74a所示。当平衡台旋转一个角度α后，中心线与喷嘴中心线的夹角也为α，即汽车与气流的角度为α，如图6-74b所示。可以通过调节平衡台的角度来测量汽车正面迎风和侧面迎风所产生的风噪。

在风洞内测量风噪，避免了发动机噪声、路面噪声等其他噪声的影响，具有以下优点：一是可以精确地识别风噪的声源，分析风噪的特征；二是可以测量车外噪声和车内噪声；三是既可以测量实车也可以测量模型。但是风洞测量有局限，一是风洞的资源比较少，安排风洞试验困难；二是风洞的使用费用非常高；三是风洞试验的周期比较长。通常在需要精确识别和分析车身风噪时，才使用风洞测量。

图6-73 风洞俯视角度的示意图

图6-74 平衡台与风洞轴线的角度

2.车外风噪测量

风噪是气流在车身表面产生了压力脉动而形成的，因此，车外噪声测量非常重要，可以识别风噪源。测量车外风噪的方法很多，主要的有四种：波束形成（Beamforming）测量、声学聚焦镜测量、表面声压测量和激光振动测量。

①波束形成测量是将传声器阵列放置在远离流场的地方，测量车身上的风噪，如图6-75所示。“车身局部振动与噪声控制”一章中详细介绍了它的原理。Beamforming被称为声学照相机，测量结果可以以照片的形式呈现出声源的部位和特征。这种方法非常方便，已经被广泛地用于风洞车外噪声测量。

图6-75 在风洞里面使用Beamforming 来测量车身噪声（见彩插）

②声学聚焦测量是利用椭圆曲面焦点聚声原理来测量噪声。图6-76中有一个椭圆形的镜面，它有两个焦点A和B。将传声器放置在靠近镜面的焦点A，将声源放置在另外一个焦点B。声源的声波传递到镜面上后，反射并聚焦在A点上，就可以测量到声源的声音信号。

图6-76 声学聚焦测量原理图(www.xing528.com)

将椭圆形镜面放置在气流流场之外，使其不受气流的影响。椭圆两交点的距离要远大于所测量声波的波长，以便得到所需频率信号。测试中，不断地调节椭圆镜面的距离和角度，使得传声器和车身上被测量的点在两个焦点上。

最近十年来，由于声学照相机的广泛使用，声学聚焦测量方法使用得越来越少。

③表面声压测量是在车身表面布置声压传感器来得到车身表面的声压分布。传感器的类型有两种：一种是将一系列传统传声器布置在特制的车身表面上，使得传声器头与车身表面在一个弧面上，如图6-77所示；第二种是采用表面传声器，如图6-78所示，将它直接贴在车身表面。

④激光振动测量是测量车身表面的振动，详见第三章。在风洞中，可以将激光测量仪放置在流场外来测量车身板振动。气流引起车身板振动，然后将噪声传递到车内，即风噪结构声的传递。测量车身表面振动可以知道各个板对结构声贡献的大小。

图6-77 传声器阵列安装在特制的车身表面上

3.车内噪声测量

风噪的车内测量与普通的车内噪声测量没有区别，按照要求布置传声器和测试系统。风噪测量有两个目的：评价一辆车的风噪状况和识别风噪的贡献源。后续小节将专门介绍风噪的评价。识别风噪贡献源除了采用频谱分析等方法外，常用的还有排除法。

图6-78 表面传声器

排除法是将产生风噪的几个主要因素逐步分解，找到每个噪声源的贡献。图6-79所示为某个车身逐步分解的几种噪声情况。首先，将车身上的附件全部去掉，然后将所有有密封条的地方全部用胶布粘贴，这样就可以得到车身本体的风噪。由于没有了附件，没有缝隙，这是一种理想的情况，是风噪最小的情况，被称为“最安静风噪”或“车身本体”噪声状况，所得到的噪声仅仅是表面脉动噪声。

然后将附件一个个地安装上去，噪声明显增加。此时的噪声成为“密封车身”噪声，与“车身本体”相比：在低频段噪声增加；在中高频段略有增加；在1800Hz出现一个峰值，这是由于增加天线所引起的。最后，将粘贴的胶布去掉，恢复到“原始车身”状态，气流会通过密封不好的地方进入车内，形成气吸噪声。在整个频段内，噪声略有增加。

图6-79显示了该款车的“原始车身”“密封车身”和“车身本体”三种状况的噪声曲线。

这样一层层地分解测量，就可以得到附件和动态密封对风噪的贡献。在这个分解过程中，还可以做得更加仔细。例如：在去掉附件的过程中，可以将后视镜、天线等逐一去掉，以便评价每个部件对风噪的影响。同样，在去掉密封时，可以先去掉车门密封，再去掉车窗密封，等等，这样就可以找到具体部位密封对风噪的贡献。

同样，可以采用与之相反的过程来评估附件和密封对风噪的影响，即先测量原车状态，然后用胶布密封，最后去掉附件。

图6-79 某款车“原始车身”“密封车身”和 “车身本体”噪声曲线的比较