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利用聲學(xué)艙進(jìn)行整車風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)的研究
2020-09-08 23:01:31· 來(lái)源：吉利汽車研究院有限公司 作者：姜 光，魏 偉，王連會(huì)，毛光軍
摘 要：為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)噪開(kāi)發(fā)工作前移并降低風(fēng)噪開(kāi)發(fā)成本，探討了建造聲學(xué)艙對(duì)新車型開(kāi)發(fā)的必要性和建造聲學(xué)艙的技術(shù)方法，并通過(guò)聲學(xué)艙風(fēng)洞試驗(yàn)，驗(yàn)證了某車型A 柱
摘 要：為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)噪開(kāi)發(fā)工作前移并降低風(fēng)噪開(kāi)發(fā)成本，探討了建造聲學(xué)艙對(duì)新車型開(kāi)發(fā)的必要性和建造聲學(xué)艙的技術(shù)方法，并通過(guò)聲學(xué)艙風(fēng)洞試驗(yàn)，驗(yàn)證了某車型A 柱飾條、前風(fēng)擋上部、后視鏡鏡柄、后視鏡底座等部位造型對(duì)風(fēng)噪性能的影響。研究表明，利用聲學(xué)艙提前驗(yàn)證A 柱、前風(fēng)擋、后視鏡等部位造型對(duì)風(fēng)噪性能的影響，對(duì)提前規(guī)避風(fēng)噪問(wèn)題、減少開(kāi)發(fā)成本具有重要意義。
汽車行駛時(shí)的主要噪聲組成有發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲、輪胎和路面噪聲以及風(fēng)噪聲（即空氣動(dòng)力噪聲）。當(dāng)車速低于50km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)噪聲為車內(nèi)噪聲的主要來(lái)源，當(dāng)車速在50～100km/h之間增加時(shí)，路面和輪胎噪聲逐漸成為車內(nèi)噪聲的主要來(lái)源。當(dāng)車速達(dá)到100km/h及以上時(shí)，隨著車速的增加，風(fēng)噪聲越來(lái)越大，此時(shí)，風(fēng)噪聲成為車內(nèi)噪聲的主要來(lái)源[1]。汽車高速行駛時(shí)的風(fēng)噪聲直接影響著車內(nèi)乘客的駕乘感受，因此，消費(fèi)者越來(lái)越關(guān)注汽車產(chǎn)品的風(fēng)噪聲大小。
空氣動(dòng)力噪聲的研究最早可以追溯到二戰(zhàn)前后，雖然經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，但氣動(dòng)噪聲的理論研究還不夠成熟，在此情況下，整車風(fēng)洞試驗(yàn)成為研究氣動(dòng)噪聲的主要手段之一[2-3]。
聲學(xué)艙是指在數(shù)據(jù)階段，試制車制作之前，按照1∶1比例完全體現(xiàn)造型數(shù)據(jù)的、用于評(píng)估和測(cè)試車內(nèi)風(fēng)噪性能的油泥殼體模型。與氣動(dòng)油泥模型不同，聲學(xué)艙主要用于風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)測(cè)試，它的前風(fēng)擋和側(cè)窗均采用玻璃結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為可以布置人工頭和其它聲學(xué)測(cè)試設(shè)備的空腔。在整車風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用聲學(xué)艙可以在試制車制造之前驗(yàn)證A柱、后視鏡等關(guān)鍵部件造型對(duì)風(fēng)噪性能的影響，有助于提前規(guī)避風(fēng)噪問(wèn)題、減少開(kāi)發(fā)成本。因此，聲學(xué)艙已成為國(guó)外很多主流車企進(jìn)行整車風(fēng)噪開(kāi)發(fā)的重要手段。隨著國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，上汽、吉利等品牌陸續(xù)開(kāi)始利用聲學(xué)艙進(jìn)行整車風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)工作。
本文首先探討了新車型開(kāi)發(fā)聲學(xué)艙的必要性和建設(shè)聲學(xué)艙的技術(shù)方法，然后通過(guò)某車型聲學(xué)艙風(fēng)洞試驗(yàn)，驗(yàn)證了A柱飾條、后視鏡鏡柄、后視鏡底座、前風(fēng)擋上部等部位造型對(duì)風(fēng)噪性能的影響，為其它新車型的風(fēng)噪開(kāi)發(fā)前移工作提供了參考。
1 聲學(xué)艙是風(fēng)噪開(kāi)發(fā)工作前移的工具
1.1 風(fēng)噪開(kāi)發(fā)流程
整車風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)流程[4]如圖1所示。由圖可知，在新車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，要減少因造型引起的風(fēng)噪風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，降低設(shè)變成本及設(shè)變難度，最好能夠在造型數(shù)據(jù)凍結(jié)前發(fā)現(xiàn)并規(guī)避風(fēng)噪問(wèn)題。
1.2 風(fēng)噪開(kāi)發(fā)前移工具
風(fēng)噪性能測(cè)試是風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)的主要手段之一，受風(fēng)噪性能測(cè)試特殊性的限制，大部分車型的風(fēng)噪問(wèn)題都是在項(xiàng)目進(jìn)展的后期，接近量產(chǎn)時(shí)的樣車上發(fā)現(xiàn)的。后期排查、整改風(fēng)噪問(wèn)題不但設(shè)變困難、設(shè)變成本高，而且有可能會(huì)影響到產(chǎn)品按時(shí)投放市場(chǎng)，影響公司的經(jīng)營(yíng)效益。因此，要避免后期風(fēng)噪問(wèn)題設(shè)變困難及設(shè)變成本高等問(wèn)題的出現(xiàn)，風(fēng)噪的開(kāi)發(fā)測(cè)試工作需要前移。
風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)前移的工具主要有數(shù)據(jù)檢查、計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）仿真分析以及油泥模型風(fēng)洞試驗(yàn)。數(shù)據(jù)檢查
工作主要是根據(jù)以往車型的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)對(duì)影響風(fēng)噪性能的相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，旨在提前規(guī)避已有的風(fēng)噪問(wèn)題。CAE仿真工作主要有兩種方式，一種是通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真對(duì)整車表面氣流進(jìn)行分析和優(yōu)化，另一種是通過(guò)氣動(dòng)聲學(xué)仿真對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行評(píng)估。油泥模型風(fēng)洞試驗(yàn)包括氣動(dòng)油泥模型試驗(yàn)和聲學(xué)艙試驗(yàn)兩種。前者主要用于風(fēng)阻測(cè)試、表面氣流分析等目的，目前已被國(guó)內(nèi)外主流車企廣泛采用；后者用于評(píng)估和測(cè)試車內(nèi)風(fēng)噪性能，可以測(cè)試機(jī)艙蓋、A柱、雨刮、后視鏡等部位造型對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪的影響。由于制作成本、經(jīng)驗(yàn)等因素，國(guó)內(nèi)利用聲學(xué)艙進(jìn)行整車風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)的主機(jī)廠還在少數(shù)。
1.3 聲學(xué)艙的必要性
目前，國(guó)內(nèi)大部分汽車品牌前期風(fēng)噪開(kāi)發(fā)手段主要依賴數(shù)據(jù)檢查和CAE仿真兩種方式。數(shù)據(jù)檢查能夠規(guī)避一些常見(jiàn)風(fēng)噪問(wèn)題，但存在不能預(yù)測(cè)車內(nèi)風(fēng)噪水平和無(wú)法評(píng)估車身造型對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪性能影響的缺點(diǎn)。CAE仿真對(duì)整車造型的氣動(dòng)優(yōu)化有重要作用，但對(duì)整車風(fēng)噪性能的計(jì)算尚未達(dá)到實(shí)用精度，只能對(duì)整車造型或車身較大的造型變化進(jìn)行簡(jiǎn)單的評(píng)估。因此，整車風(fēng)噪性能評(píng)價(jià)只能依賴于樣車測(cè)試。
在整車風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了保證風(fēng)噪性能達(dá)標(biāo)，在屬性目標(biāo)批準(zhǔn)之前應(yīng)對(duì)整車的風(fēng)噪性能進(jìn)行一定評(píng)估。對(duì)于上車體全新開(kāi)發(fā)的車型，在沒(méi)有測(cè)試樣車的情況下，只能通過(guò)建造全尺寸聲學(xué)艙對(duì)車內(nèi)的風(fēng)噪性能進(jìn)行比較準(zhǔn)確的評(píng)估。應(yīng)用聲學(xué)艙進(jìn)行風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)，可以把風(fēng)噪性能測(cè)試工作前移6到9個(gè)月，在樣車試制完成前測(cè)試驗(yàn)證機(jī)艙蓋、雨刮、A柱、后視鏡等部位造型對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪性能的影響，從而減少后期整改問(wèn)題和重新開(kāi)模的費(fèi)用。
2 建造聲學(xué)艙的技術(shù)要求
相較于氣動(dòng)油泥模型建造，聲學(xué)艙建造的技術(shù)難度更大、成本更高。聲學(xué)艙建造對(duì)車身外表面、內(nèi)飾、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、下車身、車身骨架、附件系統(tǒng)等都有一定的技術(shù)要求。
對(duì)于聲學(xué)艙底盤和車身骨架的建造，一般情況下可以尋找一款基礎(chǔ)車制作聲學(xué)艙底盤，并采用玻璃鋼制作車身骨架。在外飾方面，首先，要保證車身表面有足夠厚度的油泥，以便在測(cè)試過(guò)程中對(duì)A柱、后視鏡等局部造型進(jìn)行優(yōu)化；其次，車身表面的油泥或零部件在聲學(xué)艙移動(dòng)或風(fēng)洞測(cè)試過(guò)程中不能發(fā)生脫落或松動(dòng)；然后，需要考慮某些部件的可拆性，即在不破壞聲學(xué)艙表面造型和密封的情況下可以對(duì)雨刮、后視鏡等部件進(jìn)行拆換；此外，還需要對(duì)機(jī)艙蓋、車門、天窗等部件或總成進(jìn)行固定、密封等特殊處理。在內(nèi)飾方面，需要考慮的主要有內(nèi)部聲學(xué)處理和測(cè)試設(shè)備布置等問(wèn)題。在發(fā)動(dòng)機(jī)艙和附件系統(tǒng)方面，在選定材料后，便可進(jìn)行相關(guān)零部件的制作。最后，對(duì)聲學(xué)艙的表面公差、各個(gè)系統(tǒng)或部件的裝配、聲學(xué)艙與實(shí)車的偏差等均需提出相應(yīng)要求。
3 利用聲學(xué)艙進(jìn)行某車型風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)
某SUV車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為防止數(shù)據(jù)凍結(jié)后出現(xiàn)難以更改的風(fēng)噪問(wèn)題，需要對(duì)A柱飾條、后視鏡、雨刮、機(jī)艙蓋等部位造型的風(fēng)噪性能影響進(jìn)行提前預(yù)測(cè)。在CAE仿真還不能準(zhǔn)確計(jì)算具體造型細(xì)節(jié)對(duì)風(fēng)噪性能的影響、數(shù)據(jù)檢查表無(wú)相關(guān)檢查條例的情況下，項(xiàng)目組決定利用聲學(xué)艙進(jìn)行該車型的風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)工作。
3.1 A 柱飾條對(duì)風(fēng)噪性能的影響測(cè)試
由文獻(xiàn)[5]可知，A柱與前風(fēng)窗之間較小的斷差、合理的A柱飾條設(shè)計(jì)，均有利于車內(nèi)風(fēng)噪表現(xiàn)。在A柱相對(duì)前風(fēng)擋玻璃的斷差較大的情況下，風(fēng)噪開(kāi)發(fā)工程師建議該車型兩側(cè)A柱增加A柱飾條設(shè)計(jì)。為推動(dòng)風(fēng)噪建議的實(shí)施，利用聲學(xué)艙風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證A柱飾條對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪性能的影響。如圖2所示，A柱飾條在400～1000Hz之間對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪性能有明顯的改善作用，語(yǔ)音清晰度（Articulation Index，AI）改善1.2%。
在聲學(xué)艙風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)A柱飾條頂部相對(duì)于前風(fēng)擋玻璃有一定起翹角時(shí)（圖3），A柱飾條對(duì)風(fēng)噪性能的影響是消極的，當(dāng)A柱飾條頂部近似平行于前風(fēng)擋玻璃時(shí)，A柱飾條對(duì)風(fēng)噪性能改善起到積極的作用。
3.2 后視鏡對(duì)風(fēng)噪性能的影響測(cè)試
后視鏡是前排主要外部噪聲源之一，后視鏡表面造型、鏡柄造型以及底座造型對(duì)后視鏡區(qū)域風(fēng)噪聲均有較大影響。鑒于已開(kāi)發(fā)車型中經(jīng)常出現(xiàn)后視鏡風(fēng)噪大無(wú)法整改的問(wèn)題，項(xiàng)目組決定將后視鏡開(kāi)發(fā)工作前移，利用聲學(xué)艙驗(yàn)證該車型后視鏡造型對(duì)風(fēng)噪性能的影響。
圖4～6分別是后視鏡鏡柄上表面造型、后視鏡底座后沿造型、后視鏡整體造型對(duì)風(fēng)噪性能影響的測(cè)試數(shù)據(jù)。由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，后視鏡鏡柄刮平（圖7）、后視鏡底座后沿斜切（圖8）對(duì)風(fēng)噪性能改善均有積極作用，AI分別提升1%和1.8%；去掉后視鏡（圖9）AI提升2.6%。
3.3 前風(fēng)擋上沿哨音問(wèn)題測(cè)試
利用聲學(xué)艙風(fēng)洞試驗(yàn)，不僅可以評(píng)估各部位外造型對(duì)風(fēng)噪性能的影響，還可以提前驗(yàn)證進(jìn)氣格柵、后視鏡等區(qū)域是否存在哨音問(wèn)題。在聲學(xué)艙風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該車型前風(fēng)擋上沿存在輕微的哨音問(wèn)題，圖10為前風(fēng)擋上沿貼膠帶前后的測(cè)試數(shù)據(jù)。
3.4 聲學(xué)艙油滴試驗(yàn)
由文獻(xiàn)[6]可知，車輛外表面如果發(fā)生氣流分離，則容易在分離區(qū)域產(chǎn)生較大的氣動(dòng)噪聲。在聲學(xué)艙風(fēng)洞測(cè)試的同時(shí)，可以通過(guò)油滴試驗(yàn)觀察機(jī)艙蓋、前風(fēng)擋、A柱、后視鏡等部位的氣流走向，預(yù)測(cè)是否存在氣流分離現(xiàn)象，從而對(duì)相關(guān)部位的造型優(yōu)化提供參考。圖11～13是該車型機(jī)艙蓋、A柱、后視鏡等區(qū)域的油滴試驗(yàn)示意圖。由圖可知，A柱、后視鏡表面氣流并無(wú)明顯脫體現(xiàn)象，滿足風(fēng)噪設(shè)計(jì)要求，而機(jī)艙蓋表面存在兩處脫體現(xiàn)象，可以通過(guò)刮油泥的方式優(yōu)化機(jī)艙蓋表面相關(guān)區(qū)域的造型。
4 結(jié)論
利用聲學(xué)艙風(fēng)洞測(cè)試，不僅可以在數(shù)據(jù)凍結(jié)前驗(yàn)證A柱飾條、后視鏡等部位造型對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪性能的影響，還可以提前發(fā)現(xiàn)哨音等異響問(wèn)題。利用聲學(xué)艙油滴試驗(yàn)，可以預(yù)測(cè)機(jī)艙蓋、A柱、后視鏡等區(qū)域是否存在氣流脫體現(xiàn)象，為相關(guān)區(qū)域造型優(yōu)化提供參考。研究表明，利用聲學(xué)艙進(jìn)行整車風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)，可以將A柱、后視鏡等關(guān)鍵部位的風(fēng)噪性能測(cè)試提前6到9個(gè)月，對(duì)提前規(guī)避風(fēng)噪問(wèn)題、減少設(shè)變成本和周期具有重要意義。
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