楊春清 蘇麗俐 李洪亮 王海洋 邊科勝
(1.中國汽車技術研究中心汽車工程研究院2.吉林大學汽車工程學院)
汽車大范圍普及的同時,消費者對汽車的要求已經從基本代步功能上升到了追求各項性能品質的高度,其中NVH性能是決定汽車品質感最直觀的指標。隨著高速工況使用越來越頻繁,在售后反饋中顧客對風噪的抱怨也逐年上升。風噪聲是在汽車行駛速度達到100 km/h以上時最主要的噪聲源,風噪引起的中高頻噪聲既會使人感覺煩躁、增添旅行者疲勞感,也會影響車內駕乘人員的正常交流[1]。文章以某自主品牌SUV高速工況車內語言清晰度為研究對象,闡述了影響語言清晰度的主要影響因素及控制措施,通過縮短車內混響時間、加強整車氣密性、優(yōu)化車身外部突出物造型及降低輪胎本體輻射噪聲等控制措施,實現提高車內語言清晰度、降低風噪的目的。
語言清晰度(AI)是汽車高速運行工況一項評價風噪水平的重要指標,分為客觀評價和主觀評價,客觀數據可根據語言清晰度指數(SII)計算得到,主觀評價通常采用10等級打分機制和主觀感受描述結合的方法獲得。另外,500 Hz~20 kHz的A計權聲壓級也是評價風噪水平的重要客觀參數。
風噪頻率主要集中在500 Hz以上,與人聲基音頻率區(qū)域(500~1 000 Hz)重合,因此風噪是影響AI最重要的因素。從設計角度出發(fā),控制風噪的方法包括車身整體及附件造型優(yōu)化設計和車身密封性整改[2]。在車身密封性良好的前提下,提升聲學包裝吸聲性能和縮短車內混響時間,將聲能轉化成熱能也是實現車內降噪的一項重要手段。動力總成、排氣系統(tǒng)及輪胎等子系統(tǒng)的本體輻射噪聲也是影響AI不可忽視的因素,可以通過控制激勵源或增強聲學包裝隔聲性能獲得改進。另外,風激勵車身鈑金引起的結構噪聲對AI也有不小的貢獻,可以通過提高鈑金動剛度來降低影響。
AI主要用于評價汽車運行中車內語音的傳輸質量,是經過試驗測得聽者對有意義的語言單位所做出的正確響應與發(fā)送的語言單位總數之比的百分數[3]。SII與聲音的頻率(f)有關,高頻聲權重高于低頻聲。當背景噪聲完全覆蓋語音時,語音完全無法聽清,此時的背景噪聲為上限噪聲(UL(f))。同樣,當背景噪聲低至某數值,語音可以完全聽清,此時的背景噪聲為下限噪聲(LL(f))。
定義AI并將其歸一化:
式中:W(f)——計權系數。
D(f)定義如下:
①當噪聲大于 UL(f)時,即:N(f)>UL(f),AI=0 時,D(f)=0;
②當噪聲在 LL(f)和 UL(f)之間時,即:LL(f)<N(f)<UL(f),說話被噪聲掩蓋了一部分,此時:D(f)=UL(f)-N(f);
③當噪聲小于 LL(f)時,即:N(f)<LL(f),此時:D(f)=30。
語言清晰度各頻段對應上限噪聲及計權系數,如表1所示。
表1 語言清晰度各頻段對應上限噪聲及計權系數
空氣作用在車身上,形成渦流并在車身表面產生了壓力波動,這種渦流擾動產生的噪聲被稱為脈動噪聲[4]。車身脈動噪聲產生的原因是氣流在車身上的壓力波動,而氣流與車身的分離迅速加劇了噪聲強度[1]。發(fā)動機艙蓋與前風擋玻璃過渡不流暢或車身外板有突出物產生的湍流,以及后視鏡、A柱和天線等區(qū)域存在的漩渦流,都會引起風噪。因此,控制脈動噪聲需要在設計階段盡量保證車身表面足夠光滑,車身面板交接處無高度差。
車身密封性既是汽車噪聲控制的基礎,也是聲學包裝發(fā)揮功效的前提,可將其分為靜態(tài)密封和動態(tài)密封。靜態(tài)密封是將功能孔、工藝孔及錯誤孔開孔率降到最低。動態(tài)密封是汽車在行駛過程中,由于受到外界激勵,車身面板間因剛度及模態(tài)的不同而產生不同的形變,當形變量大于密封條壓縮量時就產生了聲音的泄露,如車身密封條、車門密封條及車窗玻璃夾條等位置都易出現動態(tài)密封性問題,可以通過增加車門和車身次級密封以及輔助密封解決,或改變密封條材料和截面形狀等手段加以控制[5-6]。
車內混響時間是評價車內聲學包吸聲性能的一項測試指標,也是提升車內AI的重要手段之一。聲學包裝吸聲性能主要作用在400 Hz~10 kHz的中高頻段[7],與語音頻帶重合,因此增強車內吸聲性能可以有效提升AI。
某自主開發(fā)階段的SUV主觀評價測試結果反映該車在高速運行過程中車內風噪聲明顯,乘員間語言交流受到影響,后視鏡位置氣流聲明顯,車門附近存在明顯漏氣聲,AI主觀評價測試結果為5分。測試數據顯示120 km/h駕駛員右耳AI=50.66%,根據“CATARC SOUND”NVH性能數據庫顯示,該值低于同級別自主品牌SUV平均水平,針對以上情況對車內語言清晰度進行整改。
輪胎本體輻射噪聲主要集中在1~10 kHz,因此會對AI產生影響。試驗車在整車轉轂試驗臺以120 km/h工況運行時,輪胎近場噪聲在1 kHz附近存在明顯輻射噪聲峰值,并在駕駛員右耳處存在對應峰值,如圖1所示。
圖1 輪胎本體輻射噪聲對車內噪聲的影響
通過更換本體輻射噪聲較小的輪胎,降低噪聲源聲壓級,從而改善車內噪聲,測試數據,如表2所示,從表2可以看出,輪胎本體輻射噪聲降低后車內AI提升了約4%。
表2 120 km/h工況下輪胎本體輻射噪聲對語言清晰度的影響%
主觀評價結果反映試驗樣車高速運行時前排位置風噪明顯,因此后視鏡造型、A柱與前風擋高度差及雨刷??课恢枚加锌赡軙痫L噪并影響語言清晰度。從圖2中發(fā)現,雨刷??课恢幂^突出,易導致發(fā)動機艙蓋與前風擋玻璃之間氣流通過不流暢。后視鏡與車窗間夾角設計不合理容易形成渦流,如圖3所示;A柱與前風擋玻璃處于同一水平面,設計合理。試驗證明,將后視鏡與雨刷拆除后主觀感覺風噪聲明顯改善,鑒于此,需對后視鏡造型及雨刷布置位置進行優(yōu)化。
整改后的后視鏡增大了水平截面與車窗間距并調整了夾角(見圖4)。樣車雨刷高于發(fā)動機艙蓋與前風擋玻璃交點,整改后將雨刷停靠位置降低至發(fā)動機艙蓋延長線下。外部造型改進后測試數據,如表3所示。從表3可以看出,駕駛員位置車內AI提升了4%左右,風噪降低約2 dB(A)。由于外部造型主要集中在汽車前部,因此右后乘員位置的AI和風噪聲壓級變化較小。
圖2 雨刷??课恢檬疽鈭D
圖3 后視鏡三維圖和剖面圖
圖4 后視鏡與基座間夾角截面圖
表3 120 km/h工況下外部造型對語言清晰度的影響
利用氣密性試驗臺查找車身泄露點,通過對前圍鈑金泄露點封堵、后視鏡及其底座增加密封墊、更換車門密封條材質、替換失效的右后車門三角窗玻璃夾條等整改措施,整車氣密性有了較大的提升。整車氣密性壓力-流量關系曲線,如圖5所示。
圖5 某SUV氣密性整改前后壓力-流量關系曲線
整車氣密性改進后高速工況測試數據,如表4所示。從表4可以看出,車內AI提升了4%左右,風噪降低約 0.3 dB(A)。
表4 120 km/h工況下氣密性對語言清晰度的影響
車內聲學包吸聲性能作用的頻帶為400Hz~10kHz,而混響時間是衡量車內吸聲性能的一項重要測試指標,因此混響時間是影響車內AI的主要因素。優(yōu)化車內聲學包吸聲性能;縮短混響時間的方法主要有改變座椅表面材質;提升前圍、地毯、頂棚及后備箱側圍等零部件的吸聲性能;以及增加儀表板內、A,B,C柱及車門內飾板內吸聲材料等方法。
在對樣車聲學包進行性能優(yōu)化的過程中,通過提高頂棚和地毯吸聲系數,將原有皮革座椅表面部分材料更換為織物材料,400 Hz~10 kHz車內混響時間從116 ms縮短為111 ms,如圖6所示。
圖6 聲學包改進前后車內平均混響時間曲線圖
對聲學包改進后的樣車進行驗證測試,測試結果,如表5所示。從表5可以看出,120 km/h經過優(yōu)化的樣車AI提高2.5%~5%,風噪聲壓級降低1 dB(A)左右。
表5 120 km/h工況下平均混響時間對語言清晰度的影響
通過降低輪胎本體輻射噪聲、優(yōu)化車身外部造型、提升整車氣密性及縮短車內混響時間幾項整改方案的實施,樣車在高速行駛工況下的車內AI提升了17%~19%,如圖7所示,風噪聲壓級降低3~5dB(A),如圖8所示?!癈ATARC SOUND”NVH性能數據庫顯示,該數據達到了同級別合資SUV的優(yōu)秀水平,AI主觀評價結果由5分提升至7分。
AI改進前后測試數據,如表6所示。
表6 語言清晰度改進前后測試數據
圖7 整改措施實施前后120 km/h駕駛員右耳語言清晰度
圖8 改進前后120 km/h駕駛員右耳風噪聲壓級
“CATARC SOUND”NVH性能數據庫同級別同價位的5臺自主品牌商品車120 km/h下駕駛員右耳語言清晰度為51%,6臺合資品牌為65%,性能改進后該樣車120 km/h AI已高于11臺同級別、同價位區(qū)間SUV的平均水平。
針對某自主品牌SUV高速工況下風噪聲壓級大、語言清晰度差的問題,采取了各種改善措施:更換本體噪聲較小的輪胎,降低輪胎本體輻射噪聲;改善后視鏡外部造型和改變雨刮布置位置,降低高速工況下氣流形成渦流的強度;查找車身泄漏點,對其進行封堵,提高整車氣密性,降低風噪的泄露;通過改變座椅表面材質,提升車內零部件的吸聲性能,縮短車內混響時間。改善措施實施后,車內AI由50.66%提升至68.57%,聲壓級由 65.13 dB(A)降低為 60.92 dB(A),解決了高速工況下車內語言清晰度差和風噪大的問題。