汽车车身密封对车内气动噪声影响的机理及试验研究.pdf

2 0 1 2年 第 3 4卷 第 8期 汽车工程 A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g 2 0 1 2 V o 1 ． 3 4 N o ． 8 汽车车身密封对车 内气动噪声 影 响的机理及试验研究 术 贺银芝， 杨志刚， 王毅刚 同济大学汽车学院， 上海2 0 1 8 0 4 2 0 1 21 3 8 [ 摘要] 在分析了车身密封系统引起的车内气动噪声产生机理及影响因素的基础上， 通过整车气动声学风洞 试验， 对某四门三厢轿车的车内气动噪声的构成成分一 泄漏噪声及外形噪声的频率特性进行了分析， 并通过“ 开窗 法” 调查了车身各密封部件对车内泄漏噪声的贡献。结果表明， 泄漏噪声主要发生在中高频段， 且对车内总噪声的 贡献比外形噪声大 ； 车门、 后视镜和侧窗的密封是该轿车最重要的泄漏噪声源， 但具有不同的特征频段。 关键词 车内气动噪声 ； 风洞试验 ； 车身密封 ； 泄漏噪声 ； 外形噪声 T h e Me c h a n i s m a n d Ex p e r i me n t a l S t u d y o f t h e Ef f e c t s o f Ca r Bo d y S e a l i n g s o n I n t e r i o r Ae r o d y n a mi c No i s e He Yi nz h i．Ya ng Zhi g a ng ＆ W a ng Yi g a ng C o l l e g e o fA u t o m o t iv e E n g i n e e r i n g ，T o U n w e n i ty， S h a n g h a i 2 0 1 8 04 [ A b s t r a c t ] O n t h e b a s e o f a n a n a l y s i s o n t h e g e n e r a t i o n m e c h a n i s ms a n d i n fl u e n c i n g f a c t o r s o f i n t e ri o r a e r o d y n a mi c n o i s e i n d u c e d b y c a l “ b o d y s e a l i n g s y s t e m，a n a e r o a c o u s t i c wi n d t u n n e l t e s t o n a 4 - d o o r s e d a n i s c o n d u c t e d wi t h t h e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c s o f l e a k n o i s e a n d s h a p e n o i s e a s t he c o n s t i t u e n t s o f i t s i n t e rio r a e r o d y n a mi c n o i s e a n a l y z e d ．I n a d d i t i o n ， t h e c o n t r i b u t i o n s o f ma j o r s e a l c o mp o n e n t s t o i n t e r i o r l e a k n o i s e a r e i n v e s t i g a t e d w i t h“ b u i l d u p” s c h e me ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t l e a k n o i s e c o n t r i b ut e s mo r e t h a n s h a p e n o i s e t o t h e t o t a l i n t e rio r a e r o d y n a mi c n o i s e a t mi d h i g h f r e q ue n c y r a n g e，a n d t h e s e a l s f o r d o o r s ，r e a l “ v i e w mi r r o r s a n d s i de wi n d o ws a r e t h e mo s t i mp o r ‘ t a n t l e a k n o i s e s o u r c e s for t h a t s e d a n． Ke y wo r d si n t e r i o r a e r o d y na m i c n o i s e；wi n d t u nne l t e s t ；c a r bo d y s e a l i ng；l e a k no i s e；s ha p e n oi s e H lj舌 近年来 ， 随着消费者对汽车乘坐舒适性要求 的 日益提高， 车内声环境 已成为汽车设计 的一个重要 性能指标。汽车行驶时产生 的噪声 主要 由发动机动 力传动系统噪声 、 轮胎路面噪声和空气动力噪声 风 噪 构成 。当汽车高速行驶时， 风噪占据车内噪声的 主导地位。 研究结果表 明， 车内风噪主要分两类 一类是 由 于车身密封不严引起 的泄漏噪声 1 e a k n o i s e 1 - 2 ] ， 也称气吸噪声 a s p i r a t i o n n o i s e [ 3 - 6 ] ； 另一类是 由于 车身外形引起 的气动噪声 s h a p e n o i s e 传递到车 内。针对这两类噪声对于车内总气动噪声贡献量的 研究已有较多报道 J 。 本文 中在分析了车身密封系统引起 的车内气动 噪声产生机理和影响因素 的基础上 ， 通过整车气动 声学风洞试验 ， 对 国产某 四门三厢轿车 的车 内气动 噪声的构成成分一泄漏噪声和外形噪声的频率特性 进行分析， 并调查 了车身各密封部件对 车内泄漏 噪 声贡献的大小。 1 车身密封引起车内气动噪声产生的 机理和影响因素 汽车的车身密封分为静密封和动密封。静密封 上海市自然科学基金项目 0 9 Z R 1 4 3 3 8 0 0 资助。 原稿收到日期为2 0 1 2年 2月 2日， 修改稿收到日期为2 0 1 2年 3月 8日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 贺银芝， 等 汽车车身密封对车内气动噪声影响的机理及试验研究 6 9 3 是指汽车的焊接连接 如车顶板与侧围板 、 橡胶连 接 如前后风窗玻璃 和膨胀式密封 A柱 、 B柱及 c 柱的空腔密封 。动密封是指 与密封件接触 的零部 件之间有相互运动 ， 如侧 门和侧窗密封等。通常情 况下动密封产生 的气动噪声 比静密封大得多 ， 是泄 漏噪声的主要噪声源和车外噪声传人车 内的主要路 径 ， 也是本文 中所关注的重点 ， 其产生机理可 以分为 如下几个方面 J 。 首先 ， 当车身密封与车身零部件结合处产生缝 隙时， 主要有如下 3种产生机理 。 a ．车身外 部 由于湍流或者 分离流形成 的非稳 态压力作用在车身密封和车身的配合缝 隙处就会引 起非稳态的质量流或者体积流 ， 从 而形成单极子气 动噪声源 ， 其发射的噪声可直接传到车 内， 如图 1所 示 。由图可见 位置 1处的外部脉动压力影响穿过 位置2的质量流， 从而产生单极子噪声； 在流过位置 2处的最小缝隙处后 ， 会 以湍流 的形式分离并 因此 在门边框等不 同位置产生局部 的脉动压力 ， 这些压 力会形成双极子源噪声传 到车 内； 最终气流 中的 自 由湍流会产生四极子源噪声 ， 但它一般相 当小 ， 可忽 略不计 。 单极子声源 f11 外部气流 图 1 泄漏噪声产生的机理之一 b ．当车身密 封与 车 身零 部件 结合 处产 生缝 隙而形成气 吸路径 时， 车 内的气 流微 团会 在 车体 内外 压差 的作 用下 朝 车 外流动。如图 2所示 ， 该 微 团与 车外气 流微 团 的 碰撞会 增 大车外 流 场 的 湍流度 ， 从 而增大外部缝 隙处的噪声级 ， 并会 降低 一 汽车外部 汽车内部 图 2由于 内外压差造成 的 泄漏噪声产生机理 密封结构的传声损失 ， 进一步导致车内噪声级的大 幅提高 。 c ．车身外部 的湍流噪声直接通 过密封 间隙传 播到车 内， 而没有任何的传声损失 。 其次 ， 即使密封系统与车身零部 件结合处接触 充分时 ， 车内气动噪声还有如下 3方面的产生机理。 d ．通 常在车身 面板 之间 的结合处 或缝 隙处 会有狭小的空腔， 如门关 闭的 门缝 处 ， 如 图 3所 示。由图可见 由于缝 隙 处的湍 流和空 腔 内的非 稳态流动引起共振 ， 气流 流过 该处会 产 生宽 带 的 气动噪声 ， 有 时也会 出现 离散的共振频率 。 e ．当气流掠过车身外 表面密封缝隙处形成 的强 烈的压力脉动会激励密封 结构产生 振 动 ， 而 向车 内 辐射噪声 ， 如图 4所示。 ￡车外 的气动 噪声会 通过密封系统 的低阻抗而 传播到车 内。 门缝 图3 密封结合处空腔产 生气动噪声的机理 f 11 外部气流 图4密封结 构振动辐 射噪声的机理 通过机理 a , b和 c 产生的气动噪声属于泄漏噪 声或气吸噪声 ， 对车 内气动噪声 的贡献一般远大于 d 、 e和 f ， 所 以要控制 由于密封问题引起的车内气动 噪声 ， 应首先考虑泄漏噪声 。 参考已有文献 ， 在设计 阶段就应考 虑的影 响泄 漏噪声的主要因素如下 。 1 部件刚度 当汽车高速行驶 时， 车身表 面 局部地方会出现负压 ， 而推动部件 如 门框 向外变 形， 使门框和车身之间形成缝隙。 2 密封件变形流过车身表面的内外压差会 引起密封件变形增加。 3 密封位置不同密封位置对应的车身外部 的压力与流动特性也不同 ， 对于负压较 大和有湍流 的区域 ， 如靠近后视镜 、 A柱和 B柱等区域应严格密 封， 靠近乘客耳旁的位置由于风噪传递路径短也应 严格控制。 4 密封件形状与密封方法密封件不同的截 面形状 、 厚度和与车身部件的接触形式会不 同程度 地影响密封件压缩量的确定。 5 密封材料特性如振动跟随性随时间的老 化性等。 2 试验方法与测试系统 2 ． 1 试验平台 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ． 6 9 4． 汽车工程 2 0 1 2年 第 3 4卷 第 8期 试验在 同济大学上海地面交通工具风洞中心整 车气动声学风洞中进行 ， 如图5所示 。该风洞是 3 ／ 4 开 口回流式风洞 ， 其喷 口面积为 2 7 m ， 试验最大风 速可达 2 5 0 k m ／ h 。背景噪声水平在 1 6 0 k m ／ h风速下 低于 6 1 d B A ， 是国际同类风洞 中最安静的风洞之 一 。测试时将试验车放在风洞驻室试验段天平转盘 的中心位置固定。试验过程中风洞边界层抽吸和移 动带系统关闭。 图5 试验平台及试验车辆 2 ． 2 测试系统 测试采用 HE A D a c o u s t i c s 噪声与振动测量及分 析系统 ， 该系统由4部分构成 ， 包括 HM S I I I 数字人 工头 1个， 多通道数采前端 S Q l a b I I I ， 双耳信号采集 软件 H E A D R e c o r d e r 和 A r t e m i s 9分析软件 。试验 中 人工头放在主驾驶位用于采集双耳风噪信号 ， 测试 信号线经过后排座椅由行李箱引入风洞天平转盘 内 的接 口盒 ， 再经 由天平基座接入测控 室的数据采集 分析系统 。 2 ． 3 试验 方法 试验采用 “ 开窗法” 的原理来测试车身不 同密 封部位形成 的泄漏风 噪对 车 内总噪声贡献量 的大 小。先将整个试验车的外表面零部件结合缝隙及沟 槽处用密封胶带密封 ， 通过 比较有无密封胶带 的车 内噪声测试结果确定所有的连接缝 隙及沟槽处密封 对车内噪声贡献量的相对大小。 2 ． 4试验 工况及 流程 工况 a ．将试验车整车外表面零部件结合缝 隙 及沟槽处均用密封胶带密封 ， 如图 5所示 ， 代表整车 的全密封状态 ， 测试车内风噪水平。 工况 b ．应用“ 开窗法” 在工况 a基础上分别撕 去试验车四车门、 四侧窗 、 双侧后视镜 、 天窗、 双侧后 三角窗 、 四门把手的密封胶带 ， 测试车内风噪水平。 工况 c ．在工况 b基础上撕去试验车外表面所 有密封胶带 ， 使试验车处于标准 B a s e l i n e 状态 ， 测试 车内风噪水平。 对于以上试验工况， 试验风速均为 1 6 0 k m ／ h ， 偏 航角为 0 。 ， 即不考虑侧风的影 响。 3 噪声测试结果及分析 风洞的背景噪声是影响风噪测试精度的重要因 素。在正式进入试验测试工况前 ， 应测试零风速 下 的车 内背景噪声 ， 以保证试验结果 的准确性。对测 试结果进行 分析时均 以人工 头的外耳信号作 为基 准 ， 内耳信号只做参考 _ 1 J 。由于外耳距离车身表面 更近 ， 气动声源一般传递到外耳的路径更近 ， 所 以通 常对外流场引起的车内噪声的变化更为灵敏 。 3 ． 1 分析方法 如上所 述 ， 在试验工况 c即标准 B a s e l i n e条件 下测试的车内总噪声声压级 L 。 可以认 为主要 由两 部分构成 即泄漏噪声 。 ． 和外形 噪声 。在试验 工况 a即全车密封 的情况下 ， 可 以认为测试 的车 内 气动噪声主要由外形噪声 L 。 构成 ， 基本去除了泄漏 噪声的影响。更确切地说 ， 在很大程度上 消除 了由 于机理 a 、 b 、 e 、 d 、 e 所引起的车内噪声 。这是因为密 封胶带可以阻止密封部位的外部气流进入结合处缝 隙 ， 消除由于车 内外气流流动产生的泄漏噪声 ， 并使 车外噪声不能直接传人车 内。但试验应用的密封胶 带是厚度仅为 0 ． 3 m m的高质量的布基胶带 ， 基本不 能增大密封部件的传声损失。工况 b条件下测试的 车内气动噪声 可 以认为主要 由外形噪声及局 部泄漏噪声 L p ．p a r t构成 ， 比如车 门等。 因此 ， 全车泄漏噪声对车 内总噪声 的贡献可 以 由工况 c减去工况 a获得 ， 即 Lp ． 1 Lp ． t-L p l s 1 车身局部密封 比如车门 对 车 内总泄漏 噪声 的贡献可以由工况 b减去工况 a获得 ， 即 Lp ． p a n p ． p n L p 2 上文 中的“ 减” 和两式 中的“ 一 ” 号皆指声压级的 减法运算 。这样就可以定量计算出所有局部密封对 车内噪声贡献的大小 ， 从而方便地找到泄漏 噪声相 对严重 的区域。 3 ． 2 泄漏噪声与外形噪声的频率特性分析 图 6为风速 1 6 0 k m／ h时， 根据工况 a和 c的测 试结果所得车内气动噪声的频率特性 。从该 A计权 1 ／ 3倍频程谱可以看出， 在整个车身密封后 ， 车 内噪 声 外形噪声 的频谱特 性相对 于基 准状态 总噪 声 发生了明显变化 ， 从 2 0 0 H z 开始车内噪声级明显 下降， 在 2 0 0～1 0 0 0 0 H z的中高频段 ， 声压级平均下 降约 6 d B A 。特别在 1 0 0 0～4 O 0 0 H z的高频段声 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 贺银芝， 等 汽车车身密封对车内气动噪声影响的机理及试验研究 6 9 5 压级则平 均下降约 1 0 ri B A 。从计算得 出的泄漏 噪声频谱图上可以直观地看出 ， 在 2 0 0 Hz 以下 ， 外形 噪声 占据优势 ， 2 0 0～1 0 0 0 H z 之问 ， 泄漏噪声开始 占 优势 。1 0 0 0～1 0 0 0 0 H z 频段 ， 泄漏噪声相对于外形 噪声来讲则 占绝对优势 ， 其频谱几乎 与车内总噪声 频谱吻合 。由此可见 ， 由于密封 问题造成 的泄漏噪 声是车内风噪的主要噪声源， 以中高频段为特征 ， 是 车辆风噪设计及控制应该首要考虑的因素。 篓 ～ ， i i j ’ 、 j 。 二 - N N N N 、 外 形 噪 声 l_ 一㈠ 、 图6 车内气动噪声的频率特性曲线 3 ． 3 车身表面不同部件密封对于车内泄漏噪声的 贡 献分析 图 7为风速 1 6 0 k n h时 ， 车身表面各部件包括 车门、 侧 窗、 后视镜 、 天窗 、 后三角 窗、 门把手和其它 部位的密封性能对车内泄漏噪声 的贡献。从 车内总 声压级的构成看出， 泄漏噪声的贡献大于外形噪声 ； 对主驾驶位影响最严重 的泄漏噪声构成部件依次是 门、 后视镜 、 侧窗的密封 ， 然后是天窗 、 门把手 、 后三 角窗等 。图 8一图 1 0分别为车门、 后视镜和侧窗密 封对车内泄漏噪声贡献的 A计权 1 ／ 3倍频程特征频 谱 。从 图 8可以看 出 ， 该车车门密封对车 内泄漏噪 声贡献的特征频段约为 2 0 0 1 0 O 0 0 H z ， 该频段对车 内声压级贡献平均约 4 d B A ； 图9表 明该车后视镜 密封 对 车 内泄 漏 噪声 贡献 的特 征 频 段 为 1 6 0～ 4 0 0 H z 及 2 5 0 0 8 0 0 0 H z ， 声压级贡献平均约 2 ． 5和 3 d B A ； 同理 ， 图 1 0表明该车侧窗密封对车内泄漏 噪声 贡献 的特征频段为 1 0 0 0～ 4 0 0 0 Hz ， 该频段对 翟 专 韫慑 ￡ 赡 妞 恒缸忡 暮崧 难轵 1 1 1 ￡ 图 7 车身各部件密封对车内泄漏噪声的贡献 车内声压级贡献平均约 4 ． 5 d B A ； 以上结果说 明， 要从风噪控制的角度改善该车的泄漏噪声 ， 应首先 着眼于该车的车门、 后视镜和车窗的密封设计 。 鲁 意 出 专 图 8 车门密封对车内泄漏噪声贡献的特征频谱 程 篓 图9 后视镜密封对车内泄漏噪声贡献的特征频谱 出 垫 专 图 1 O 侧窗密封对 车内泄漏噪声贡献 的特征频谱 4 结论 通过整车气动声学风洞试验 ， 对某轿车的车内 气动噪声构成成分一 泄漏噪声及外形噪声的频率特 性进行了分析 ， 并通过“ 开窗法” 调查 了车身表面各 密封部件对车 内泄漏噪声的贡献 ， 获得以下结论 。 1 车内气动噪声主要由泄漏噪声和外形噪声 构成 。泄漏噪声以中高频段为特征 ， 对车 内总噪声 的贡献比外形噪声大。 下转第 7 4 4页 “ 2 “ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 4 汽车工程 2 0 1 2年 第 3 4卷 第 8 期 的容量衰减率为 A C 时 ， 则可按下式求得电流强度 为 ， 的正常工况循环下的容量衰减率 A C 。 I n A C 2 ／ A C - 0 ． 4 5 0 5 1 2 ／ 1 1 3 ． 8 3 0 8 1 2 ／ 1 一 3 ． 3 8 3 温度对于容量衰减 的影响是不能忽略的， 但是 由于缺少相关 的试验设备 ， 温度部分 的工作暂时未 能进行 ， 因此上述有关强化试验 的结论有待今后进 一 步完善 。 5 结论 1 所采用的工况循环测试方法能更真实地体 现电池的实际工作状况 ， 试验测得 的电池循环寿命 更加接近电池在实车环境中的寿命 。 2 温度升高虽然会使容量有所上升 ， 但是容 量衰减率大大增加 ， 导致了电池寿命的缩短 。 3 单体电池不一致性导致容量测试 时， 起始 充电电压增大 ， 起始放电电压减小 ， 从而导致 电池能 够释放的电量减少 ， 使电池寿命缩短 。 4 电池强化试验表 明， 电流强度是影响 电池 寿命的主要因素， 由大的电流强度下的试验结果可 推导出小的电流强度下的试验结果 ， 为缩短 电池寿 命试验时间提供了依据。 参考文献 [ 1 ] 肖成伟． 车用锂离子动力电池循环性能的研究[ D] ． 天津 天津 大学化工学院 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 李连兴 ， 唐新村 ， 罗卓 ， 等． 锂二次电池 的高温循环性 能及其 容 量损失 [ J ] ． 电源技术 ， 2 0 0 9 ， 3 3 9 7 0 9 7 3 ． [ 3 ] 李伟善 ， 邱世洲． 锂离子 电池容量衰减 的原因分析 [ J ] ． 电池工 业 ， 2 0 0 1 ， 6 1 2 1 2 4 ． [ 4 ] 唐致远 ， 阮艳莉． 锂离子 电池容量衰 减机理 的研究 进展 [ J ] ． 化 学进展 ， 2 0 0 5 ， 1 7 1 1 7 ． [ 5 ] 魏学哲 ， 徐玮 ， 沈丹． 锂离子 电池 内阻辨识 及其在 寿命估 计 中 的应用 [ J ] ． 电源技术 ， 2 0 0 9， 3 3 2 1 7 2 2 0 ． [ 6 ] 贾颖， 黎火林． 锂离子电池失效率模型的探讨[ J ] ． 北京航空航 天大学学报 ， 2 0 0 8， 3 4 9 7 3 9 7 5 ． [ 7 ] wu Ma o s u n g ，P i n C h i J u l i a C h i a n g ．Hi g h r a t e C a p a b il i ty o f L i t h i u m i o n B a t t e ri e s A f t e r S t o ri n g a t E l e v a t e d T e m p e r a t u r e [ J ] ．S c i e n c e D i r e c t ， 2 0 0 7， 5 2 1 1 3 7 1 9 3 7 2 5 ． [ 8 ] 松伟． 北京交通大 学 电动 车电池 管理技 术现状 、 成组 电池 的 S O C定义方法 、 电池组 的一致性 的评价 体系 [ E B ／ O L] ．[ 2 0 0 9 一 O 52 5] ．h t t p ／ ／ a u t o ． g a s g o o ． c o rn ／ n e w s ／ c ／ 2 0 0 90 52 5 ／ 7a d O 5 d 0 0一a b 08 4e 9 8 8 1 4 f - 7 b bl 5 e f 3 9d 7 f ． h t m1 ． 『 9 ] N o b O 1 3 1 S a t o ．T h e r m a l B e h a v i o r A n aly s i s o f L i t h i u m． i o n B a t t e r i e s f o r E l e c t r i c H y b ri d V e h i c l e s[ J ] ． J o u r n a l o f P o w e r S o u r c e s ， 2 0 0 1 ， 9 9 1 2 7 0 7 7 ． 上接第 6 9 5页 2 车门、 后视镜和侧窗的密封部位是该轿车 泄漏噪声最严重的区域 ， 是改善车 内风噪应主要考 虑的因素。 为改善车身密封性能对车 内风噪的影 响， 应首 先在密封系统的设计制造和装配环节避免在零部件 结合处产生缝 隙， 形成泄漏噪声。其次还可从提高 车身密封材料 的隔声、 阻声和吸声性能来增大密封 部位 的传声损失 ， 从而进一步控制车 内的气动噪声 ， 这也是下一步应研究的课题 。 ‘ 参考文献 [ 1 ] A y e d R A．A S u r v e y o f A u t o mo b i l e A e r o a c o u s t i c A c t iv i t i e s i n G e r - m a n y [ C] ．S A E P a p e r 9 5 0 6 2 3 ． [ 2 ] G e o r g e A R．A u t o m o b i l e A e r o d y n a mi c No i s e [ C] ．S A E P a p e r 9 0 0 31 5 ． [ 3 ] B u c h h e i m R，D o b r z y n s k i W，Ma n k a u H，e t a 1 ．Ve h i c l e I n t e ri o r N o i s e R e l a t e d t o E x t e r n a l A c red y n a m i c s 『 J ] ．I n t ．J ．o f V e h i c l e D e s i g n ， 1 9 8 2， 3 4 3 9 8 - 4 1 0 ． [ 4 ] L o r e a A，C a s t e l l u c c i o V， C o s t e l l i A， e t a 1 ．A Wi n d T u n n e l Me t h - 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