關(guān)鵬 潘雷 顧彥

摘 要：關(guān)門耳壓感是影響人對(duì)車輛主觀感受的重要NVH性能之一，其評(píng)價(jià)目標(biāo)及分析方法在車輛開(kāi)發(fā)早期至關(guān)重要。通過(guò)主觀感受與試驗(yàn)測(cè)量的對(duì)比分析，將乘員艙壓力峰值作為耳壓設(shè)計(jì)的目標(biāo)參數(shù)。建立兩腔計(jì)算模型，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法分析計(jì)算，結(jié)果顯示，壓力曲線與試驗(yàn)基本吻合?；诜逯祲毫δ繕?biāo)的兩腔模型計(jì)算，模型簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快且主客觀結(jié)果一致性高，可應(yīng)用于車輛早期開(kāi)發(fā)階段。

關(guān)鍵詞：關(guān)門耳壓;峰值壓力;兩腔模型

中圖分類號(hào)：U462.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）10-177-04

Research on Vehicle Ear Pressure Performance Character of Slamming Door

Guan Peng， Pan Lei， Gu Yan

（ Vehicle Integration Department， Technical Center of SAIC Motor， Shanghai 201804?）

Abstract：?The performance of ear pressure is one of important subjective experience of vehicle NVH. Its evaluation and analysis method are important in the early stage of vehicle development. Through the comparative analysis of subjective experience and experimental measurement， the cabin peak pressure is taken as the target parameter of ear pressure design. The two-cavity model is established， and coded with numerical calculation. The results show that the pressure curve is in good agreement with the experiment. The advantage of two-cavity calculation is simple， efficient and consistency with subjective experiment. The method can be applied in early stage of vehicle development.

Keywords： Ear pressure;?Peak pressure;?Two-cavity model

CLC NO.：?U462.3 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-177-04

前言

耳壓感的產(chǎn)生普遍存在于各種交通工具使用的環(huán)境當(dāng)中，例如飛機(jī)的起降，高速列車進(jìn)出隧道以及車輛關(guān)門的過(guò)程中。導(dǎo)致其產(chǎn)生的原因是人耳鼓膜兩側(cè)的壓差使得鼓膜變形，進(jìn)而出現(xiàn)耳壓感。以整車關(guān)閉車門過(guò)程為例，關(guān)門時(shí)乘員艙壓力升高，鼓膜內(nèi)側(cè)壓力小于外側(cè)，耳壓感產(chǎn)生。由于該主觀感受的大小會(huì)直接影響乘客對(duì)該車舒適性的評(píng)估，所以該性能逐漸成為影響關(guān)門聲品質(zhì)提升的主要因素之一。耳壓感是一種主觀感受，同時(shí)也是客觀現(xiàn)象。將主觀感受與客觀物理量相統(tǒng)一，不僅能夠?yàn)檐囕v初期設(shè)計(jì)給出明確目標(biāo)，同時(shí)還可以對(duì)于該現(xiàn)象背后所存在的物理規(guī)律給出合理的解釋。

本文通過(guò)將試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與主觀感受的對(duì)比分析，提出耳壓感性能評(píng)價(jià)的目標(biāo)參數(shù)。并在此基礎(chǔ)之上提取影響目標(biāo)參數(shù)的主要因素，建立兩腔計(jì)算模型。經(jīng)過(guò)計(jì)算與試驗(yàn)的分析驗(yàn)證表明，?該方法具有建模簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快及準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。適用于車輛開(kāi)發(fā)早期階段的耳壓感評(píng)估及優(yōu)化。

1?目標(biāo)參數(shù)確定

人耳的結(jié)構(gòu)如圖^[1]（1）所示。鼓膜位于中耳腔與外耳道之間，當(dāng)耳膜兩側(cè)的出現(xiàn)壓力差時(shí)，耳壓感隨即產(chǎn)生。連接鼻咽腔的咽鼓管處于常閉狀態(tài)，當(dāng)外耳道壓力小于中耳腔，咽鼓管會(huì)自動(dòng)打開(kāi);當(dāng)外耳道壓力大于中耳腔，咽鼓管需吞咽才能被動(dòng)打開(kāi)，調(diào)節(jié)鼓膜兩側(cè)壓力^[2]。車門關(guān)閉的過(guò)程中，乘員艙壓力逐漸升高，外耳道與周圍環(huán)境相通，從而隨之升高。由于該過(guò)程非常短暫（0.4秒左右），所以需被動(dòng)打開(kāi)的咽鼓管尚未打開(kāi)，當(dāng)壓差達(dá)到一定閾值，耳壓感產(chǎn)生。如何用試驗(yàn)測(cè)量值評(píng)估耳壓感，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究，主要因素（即目標(biāo)參數(shù)）可歸納總結(jié)為以下幾類^[3]：壓力幅值，壓力變化率，瞬變壓力重復(fù)和作用的時(shí)間等。本文?將通過(guò)試驗(yàn)與主觀評(píng)測(cè)結(jié)果，確定目標(biāo)參數(shù)。

1.1?試驗(yàn)內(nèi)容

1.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要由三部分組成：1.用于測(cè)量關(guān)門速度的關(guān)門速度傳感器，如圖（2a）。該傳感器布置在車門鎖扣處，主要用于測(cè)量車門在關(guān)閉前鎖扣處的瞬間線速度。2.壓力傳感器（兩個(gè)），如圖（2b）。試驗(yàn)過(guò)程中該傳感器分別布置在主駕人耳側(cè)及泄壓閥附近，可監(jiān)測(cè)乘員艙內(nèi)整個(gè)關(guān)閉車門過(guò)程中壓力變化的數(shù)值。3.車門及泄壓閥開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)儀，用以監(jiān)測(cè)泄壓閥與車門的同步性^[4]。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集

選取不同類型車輛，不同速度下測(cè)量乘員艙壓力，并全程記錄壓力數(shù)值變化曲線，該過(guò)程約2～3秒。

1.2 主觀評(píng)測(cè)

主觀評(píng)測(cè)是關(guān)門耳壓性能主觀評(píng)價(jià)的關(guān)鍵步驟，影響評(píng)價(jià)結(jié)果的有效性及合理性。主觀評(píng)測(cè)的方法主要有排序法、等級(jí)評(píng)分法、數(shù)值估計(jì)法、語(yǔ)義細(xì)分法和成對(duì)比較法。根據(jù)本試驗(yàn)的具體情況，本文選擇簡(jiǎn)單易行且效率高的等級(jí)評(píng)分法作為主觀評(píng)測(cè)方法。

1.3?參數(shù)確定

壓力隨時(shí)間變化曲線如圖（3）所示，此處將峰值壓力所對(duì)應(yīng)的時(shí)間設(shè)為0，可便于多條曲線對(duì)比。關(guān)門信號(hào)顯示，在關(guān)門的瞬間，艙內(nèi)壓力達(dá)到峰值。A，B，C為主觀評(píng)測(cè)時(shí)不同峰值壓力的測(cè)量值。

通過(guò)車輛在不同關(guān)門速度下的多次試驗(yàn)，可以看出峰值壓力與主觀評(píng)測(cè)結(jié)果更趨一致如表（1）所示。故將峰值壓力作為目標(biāo)參數(shù)。

2 兩腔模型計(jì)算

關(guān)門過(guò)程中乘員艙壓力變化的仿真分析，目前主要使用三維流體分析軟件完成^[5，6]。使用三維仿真分析的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算結(jié)果直觀，能夠動(dòng)態(tài)觀察流場(chǎng)及壓力場(chǎng)在空間分布的情況，同時(shí)能夠檢測(cè)空間中任意點(diǎn)的物理變化量。其不足在于，需要詳細(xì)的模型數(shù)據(jù)，而此類數(shù)據(jù)要在車輛開(kāi)發(fā)后期才能提供。最主要的是此方法建模復(fù)雜，計(jì)算資源要求較高，較難滿足車輛開(kāi)發(fā)前期的優(yōu)化需求，而一維仿真分析方法^[7]可以克服上述不足。

2.1 模型建立

兩腔計(jì)算模型的建立是將影響乘員艙關(guān)門耳壓的主要因素抽象為幾個(gè)具體參數(shù)，以壓力為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)物理方程建立其它參數(shù)與之聯(lián)系，最終得到壓力隨時(shí)間變化的規(guī)律。

以本計(jì)算為例，兩腔計(jì)算模型如圖（4）所示。其中車內(nèi)空間劃分為V₁，V₂兩部分。V₁為乘員艙區(qū)域，V₂為泄壓閥附近且與乘員艙之間由內(nèi)飾阻隔區(qū)域。且V₁與V₂之間有面積為A₁₂的孔相連通。由H與R組成的矩形面積為車門的簡(jiǎn)化模型，開(kāi)度為θ，高為H，半徑為R。V₂腔體與大氣聯(lián)通域的面積為A₂₂（泄壓閥）。關(guān)門過(guò)程中，氣體經(jīng)V₁腔通過(guò)A₁₂進(jìn)入V₂腔，并由泄壓閥（A₂₂）進(jìn)入車外大氣環(huán)境。建立V₁與V₂兩腔體之間的聯(lián)通域，是因?yàn)樵趯?shí)車狀態(tài)下，泄壓閥與乘員艙之間通常會(huì)有內(nèi)飾的阻隔，且該阻隔的等效聯(lián)通面積會(huì)影響乘員艙壓力的峰值。此外，兩腔模型的建立還可以拓展為內(nèi)飾更為復(fù)雜的三腔甚至多腔模型。

2.1.1 兩腔模型

經(jīng)推導(dǎo)，兩腔壓力的微分表達(dá)式如下：

其中，p為艙室壓力，ω（t）為關(guān)門角速度。

聯(lián)立（1），（2）兩式，可得艙室壓力。

2.1.2 泄壓閥建模

上述方程中A₂₂即為泄壓閥的等效泄漏面積，其值可由試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果確定。試驗(yàn)結(jié)果為不同壓力對(duì)應(yīng)的體積流量，通過(guò)方程（7）可以得到不同壓力對(duì)應(yīng)的等效泄漏面積，公式如下：

其中，AF為體積流量。

據(jù)某款泄壓閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到不同壓力下的等效泄壓面積，如圖（5）所示。A₂₂的等效泄壓面積隨著壓力升高逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定壓力后，該值保持不變。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

2.2.1 內(nèi)飾隔板對(duì)峰值壓力的影響

以某量產(chǎn)車型為例，乘員艙與泄壓閥之間的阻隔主要來(lái)自泄壓閥附近的開(kāi)孔內(nèi)飾隔板。試驗(yàn)中分別保留及拆除該內(nèi)飾隔板如圖（6），試驗(yàn)工況為三個(gè)不同的關(guān)門速度1.5m/s、1.7m/s，2.0m/s。

記錄乘員艙壓力變化過(guò)程，并提取峰值壓力，結(jié)果如圖（7）所示。

圖（7）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)整理，如表（2）所示。隨著關(guān)門速度的增大，有無(wú)隔板對(duì)乘員艙峰值的影響隨之增大。

2.2.2 兩腔計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果比較

兩腔計(jì)算所需的參數(shù)如腔體的體積，門的面積和關(guān)門半徑以及聯(lián)通域面積等，可以通過(guò)數(shù)模獲取。車門初始的開(kāi)啟角度對(duì)于計(jì)算結(jié)果影響較小，本例以300為初始角。泄壓閥等效面積可以通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分段擬合。以1.5m/s工況為例，圖（8）是仿真與試驗(yàn)壓力曲線的對(duì)比，乘員艙壓力變化過(guò)程曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

從表（3）可以看出，三種工況計(jì)算與試驗(yàn)的峰值壓力結(jié)果誤差小于5%。

3 主要影響因素分析

根據(jù)方程（11），（12）可以看出，艙室容積、門面積以及關(guān)門速度的增大，壓力峰值將會(huì)增大;泄壓閥及兩腔聯(lián)通面積的增大，壓力峰值將會(huì)減小。工程設(shè)計(jì)中可優(yōu)化的主要參數(shù)為關(guān)門速度，兩腔間的聯(lián)通面積以及泄壓閥的大小，本文將研究以上三個(gè)參數(shù)對(duì)艙室峰值壓力的影響。

3.1 關(guān)門速度的影響

根據(jù)試驗(yàn)并結(jié)合仿真分析如圖（9）所示。該圖顯示關(guān)門速度在區(qū)間1.0～2.0m/s范圍內(nèi)，峰值壓力與關(guān)門速度成正比，即隨著關(guān)門速度的增加，峰值壓力以25Pa/（0.1m/s）線性增加。因此，降低最小關(guān)門速度，是有效減小關(guān)門耳壓感的重要手段之一。

3.2 兩腔間聯(lián)通等效面積的影響

兩腔之間的等效面積（A₁₂）可以用來(lái)衡量泄壓閥與乘員艙之間的通路受內(nèi)飾件影響的程度。本文以1.5m/s的關(guān)門速度為例，調(diào)整該參數(shù)，考察其對(duì)峰值壓力的影響。如圖（10）所示，聯(lián)通域等效面積越小，峰值壓力對(duì)面積的變化越敏感;聯(lián)通域等效面積達(dá)到一定值后，邊際效應(yīng)出現(xiàn)，即增加聯(lián)通域等效面積將不會(huì)影響峰值壓力的變化，此刻對(duì)應(yīng)工況為去除內(nèi)飾隔板的壓力峰值。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)兩腔間的等效面積，盡量避開(kāi)峰值敏感范圍，可以有效的降低耳壓感。

3.3 泄壓閥的影響

泄壓閥的主要作用是平衡乘員艙內(nèi)的壓力，其等效面積

將直接影響到乘員艙峰值壓力。本文將三種常用泄壓閥對(duì)艙內(nèi)峰值壓力的影響進(jìn)行對(duì)比，如圖（11）所示。在保證乘員艙與泄壓閥通道暢通的情況下，泄壓閥等效面積與乘員艙峰值壓力成反比。但泄壓閥的選用需要兼顧空調(diào)及NVH性能及成本的要求，平衡利弊，合理選用。

4 結(jié)論

本文通過(guò)主觀評(píng)測(cè)與客觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法，將乘員艙峰值壓力作為關(guān)門耳壓感評(píng)估的主要參數(shù)。采用兩腔計(jì)算的仿真分析方法，取代建模復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)且精度低的三維計(jì)算。經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，兩腔計(jì)算模型建模簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，精度高，適合車輛前期開(kāi)發(fā)階段關(guān)門耳壓感性能的評(píng)估與優(yōu)化。

在此基礎(chǔ)之上，對(duì)影響關(guān)門耳壓性能的主要因素進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：

（1）關(guān)門速度與峰值壓力成正比，速度每增加0.1m/s，壓力增加25Pa。降低最小關(guān)門速度是有效降低耳壓感的手段之一。

（2）乘員艙與泄壓閥之間的等效聯(lián)通面積影響泄壓閥的性能，該面積同時(shí)存在敏感區(qū)與邊際效應(yīng)區(qū)。內(nèi)飾的布置需留出相關(guān)區(qū)域，滿足艙內(nèi)空調(diào)及關(guān)門耳壓性能需求。

（3）泄壓閥是艙內(nèi)與外界壓力平衡的主要通道，其等效面積的大小與峰值壓力成反比。選用不同型號(hào)的泄壓閥，需考慮對(duì)空調(diào)及整車NVH的影響。

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