前言

純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力是用戶判斷車輛性能的關(guān)鍵性指標(biāo)之一，各大主機(jī)廠為了提升純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力：一方面從電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)入手，通過油冷、扁線、碳化硅等技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速的高速化，讓整車效能大大提升；另一方面，導(dǎo)流板的使用以及平整的電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等空氣動(dòng)力學(xué)方案，讓純電動(dòng)汽車擁有更低的風(fēng)阻系數(shù)，從而獲得更長(zhǎng)的續(xù)航里程，隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)的不斷更新，使得純電動(dòng)汽車高速化趨勢(shì)愈發(fā)明顯。平整的電池包結(jié)構(gòu)帶來(lái)更低的風(fēng)阻系數(shù)，同時(shí)也將經(jīng)過電池包的氣流梳理平順，當(dāng)該氣流通過底盤后部空腔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的氣動(dòng)載荷激勵(lì)，且為了平衡外循環(huán)時(shí)氣流壓力，往往在車輛后部設(shè)置單向泄壓閥，使得汽車后部成為隔聲薄弱區(qū)域。因此，高速行駛形成的氣動(dòng)載荷通過車輛后部隔聲薄弱區(qū)域傳遞，在車內(nèi)形成明顯的氣動(dòng)噪聲，會(huì)極大地影響用戶的使用體驗(yàn)。因此，研究純電動(dòng)汽車底盤后部氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，分析影響氣動(dòng)噪聲的關(guān)鍵因素，在設(shè)計(jì)中予以規(guī)避將具有非常重要的工程開發(fā)意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)空腔自激振蕩現(xiàn)象及機(jī)理進(jìn)行了深入研究，Rossiter［1］對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，提出氣流通過腔體可根據(jù)渦的運(yùn)動(dòng)形式理解成為一個(gè)聲音的反饋回路模型，并總結(jié)出一個(gè)用于預(yù)測(cè)振蕩頻率的半經(jīng)驗(yàn)公式。Heller［2］研究了不同長(zhǎng)深比的空腔噪聲在不同馬赫數(shù)來(lái)流下的差異，確定反饋速度為當(dāng)?shù)芈曀伲瑢?duì)預(yù)測(cè)振蕩頻率的半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正。李偉等［3］發(fā)現(xiàn)了空調(diào)管內(nèi)制冷劑流動(dòng)時(shí)發(fā)生的流激噪聲問題，通過半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了自激振蕩頻率計(jì)算并通過避頻方法來(lái)解決該問題。王浩等［4］研究確定高速列車連接處產(chǎn)生低頻噪聲的原因是周期性渦脫落流過內(nèi)、外風(fēng)擋圍成空腔形成的“Helmholtz共振腔”造成。劉楊等［5］分析了渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣窄縫式消聲器嘯叫問題的原因是在特定流速下消聲器在多個(gè)開縫處自激振蕩頻率與內(nèi)腔聲學(xué)模態(tài)頻率發(fā)生共振導(dǎo)致。張軍等［6］通過靜置試驗(yàn)的方法還原了渦聲耦合導(dǎo)致車內(nèi)低頻噪聲的問題，并設(shè)計(jì)了工程化改進(jìn)方案。李鑫等［7］研究了汽車側(cè)窗風(fēng)振機(jī)理，并通過HMI人機(jī)交互技術(shù)解決了側(cè)窗風(fēng)振問題。但國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)純電動(dòng)汽車高速工況下車輛底盤空腔引起的低頻噪聲問題研究較少，缺少系統(tǒng)性的問題分析和工程化解決方法。

本文中以某純電動(dòng)汽車高速行駛工況下，車輛底盤后部空腔引起的低頻噪聲問題為案例，系統(tǒng)介紹了低頻噪聲問題的測(cè)試分析與排查過程，通過對(duì)低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析結(jié)合自激振蕩經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)了驗(yàn)證低頻噪聲產(chǎn)生原因的試驗(yàn)，確認(rèn)低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理是剪切層振蕩頻率與腔體自身結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性耦合導(dǎo)致的流體聲學(xué)共振問題?；诘皖l噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，提出了多種可以解決低頻噪聲問題的技術(shù)方案，并實(shí)車驗(yàn)證了方案的有效性。該案例問題的分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)于解決純電動(dòng)汽車高速工況低頻噪聲問題具有重要的工程參考意義。

1 問題識(shí)別與排查

某純電動(dòng)SUV前后各搭載一臺(tái)“三合一”永磁同步電驅(qū)動(dòng)總成，電池包平整布置于底盤中部并與底護(hù)板平整過渡搭接，配備胎面寬度245 mm、高寬比45%、輪輞直徑19英寸的車輪，樣車在平直道路上高速行駛時(shí)，車內(nèi)后排能明顯識(shí)別到低頻噪聲。

1.1 問題客觀特征

為了客觀描述問題特征，如圖1所示，在駕駛員左耳和右后乘客右耳處布置傳聲器，汽車在平直光滑路面上以100~140 km/h車速行駛，多次來(lái)回測(cè)試并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖1

圖1   傳聲器布置示意圖

不同車速下右后乘客右耳聲音測(cè)試結(jié)果如圖2所示，車速低于130 km/h車內(nèi)后排噪聲未出現(xiàn)明顯的峰值特征，當(dāng)車速達(dá)到140 km/h時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)明顯的53 Hz低頻峰值，峰值達(dá)到61 dB（A）。

圖2

圖2   不同車速車內(nèi)后排噪聲頻譜圖

結(jié)合各車速車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果與客戶常用車速段，后續(xù)將140 km/h車速作為典型工況進(jìn)行問題分析，140 km/h車速下車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3

圖3   140 km/h車內(nèi)噪聲頻譜圖

通過測(cè)試數(shù)據(jù)分析，可以得出車速140 km/h工況下車內(nèi)噪聲客觀特征是：（1）駕駛員左耳噪聲頻譜曲線沒有明顯的低頻峰值，右后乘客右耳噪聲頻譜曲線在低頻段53 Hz左右出現(xiàn)明顯的峰值特征，其峰值達(dá)60 dB（A）；（2）右后乘客右耳噪聲頻譜呈現(xiàn)出以18 Hz左右為基頻、35與53 Hz左右分別為二倍頻和三倍頻特征。

高速行駛的純電動(dòng)汽車噪聲激勵(lì)源主要有3個(gè)方面：第1是高速氣流激勵(lì)；第2是路面通過懸架激勵(lì)；第3是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)激勵(lì)，隨著車速提升，氣流激勵(lì)會(huì)成為主要激勵(lì)源。配合車輛使用的車輪尺寸，可以計(jì)算得出問題發(fā)生的典型車速下車輪的旋轉(zhuǎn)頻率約為17.7 Hz，該激勵(lì)有可能成為低頻噪聲問題的基頻激勵(lì)?？梢酝ㄟ^風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)分離高速氣流激勵(lì)與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和路面激勵(lì)，確認(rèn)高速低頻噪聲是否為氣動(dòng)噪聲。

1.2 激勵(lì)源分離驗(yàn)證

在聲學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室對(duì)樣車進(jìn)行單一高速氣流激勵(lì)源激勵(lì)，以確認(rèn)高速低頻噪聲是否由氣流引起。首先，將風(fēng)洞來(lái)流方向設(shè)置為0°偏航角，來(lái)流速度設(shè)定為140 km/h，進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，能夠在后排識(shí)別到低頻噪聲。其次，在駕駛員、副駕駛員、左后乘客、右后乘客位置分別布置人工頭，主觀評(píng)價(jià)相同條件下，測(cè)試車內(nèi)噪聲。

風(fēng)洞中客觀測(cè)試結(jié)果如圖4所示，風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果與路試結(jié)果的低頻噪聲特征吻合，都是以53 Hz為中心頻率的低頻噪聲。通過風(fēng)洞試驗(yàn)可以鎖定該車型高速低頻噪聲問題主要是高速氣流引起，屬于氣動(dòng)噪聲類型。

圖4

圖4   140 km/h風(fēng)洞試驗(yàn)車內(nèi)噪聲頻譜圖

1.3 問題的排查

燃油車開發(fā)過程中暫未發(fā)現(xiàn)高速低頻氣動(dòng)噪聲問題，然而，純電動(dòng)汽車與燃油車在懸架及上車體部分不存在明顯差異，所以底盤氣動(dòng)相關(guān)的造型結(jié)構(gòu)差異成為問題分析的重點(diǎn)排查對(duì)象。

樣車底部空間布置結(jié)構(gòu)如圖5所示，電池包及前底護(hù)板區(qū)域都布置平整、連續(xù)，但因后懸架運(yùn)動(dòng)包絡(luò)原因，后底護(hù)板及后保險(xiǎn)杠區(qū)域在底盤后部?jī)蓚?cè)存在明顯的空腔結(jié)構(gòu)，初步推測(cè)氣動(dòng)低頻噪聲的產(chǎn)生與該空腔結(jié)構(gòu)相關(guān)。

圖5

圖5   底部空腔位置示意圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證低頻噪聲產(chǎn)生原因，如圖6所示，分別在后底護(hù)板、后保險(xiǎn)杠布置振動(dòng)傳感器，空腔位置與車內(nèi)布置傳聲器，在典型工況下同步采集噪聲與振動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖6

圖6   測(cè)點(diǎn)布置示意圖

測(cè)試結(jié)果如圖7所示。由圖可見：（1）車內(nèi)噪聲與空腔噪聲同時(shí)在53 Hz出現(xiàn)明顯的峰值特征，空腔噪聲峰值達(dá)到70 dB（A）；（2）后底護(hù)板及后保險(xiǎn)杠振動(dòng)均以Z向?yàn)橹饕駝?dòng)方向，后底護(hù)板在53 Hz處未出現(xiàn)明顯峰值，后保險(xiǎn)杠在53 Hz處出現(xiàn)了明顯的峰值，且峰值達(dá)到2 m/s2。經(jīng)過空腔相關(guān)噪聲及振動(dòng)測(cè)試分析，高速低頻氣動(dòng)噪聲與底盤后部空腔噪聲響應(yīng)及主要形成空腔的后保險(xiǎn)杠Z向振動(dòng)對(duì)應(yīng)。推測(cè)低頻噪聲形成的潛在機(jī)理是汽車底部氣流通過電池包及前底護(hù)板梳流作用后，形成了穩(wěn)定的氣流，該氣流通過底盤后部空腔處形成了渦聲耦合或者流體彈性作用現(xiàn)象。

圖7

圖7   振動(dòng)及噪聲測(cè)試結(jié)果

2 潛在機(jī)理的排查分析

2.1 流體彈性作用機(jī)理的排查

基于底護(hù)板使用PP+PET材料模壓成型，后保險(xiǎn)杠使用PP材料注塑成型，兩者聲輻射能力均較弱，且底護(hù)板振動(dòng)與車內(nèi)噪聲幾乎無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要對(duì)后保險(xiǎn)杠振動(dòng)進(jìn)行擾動(dòng)排查，如圖8所示，在后保險(xiǎn)杠鋪貼丁基阻尼片，以擾動(dòng)后保險(xiǎn)杠振動(dòng)觀察低頻噪聲變化情況。

圖8

圖8   后保險(xiǎn)杠貼阻尼片示意圖

典型工況下測(cè)試后保險(xiǎn)杠振動(dòng)與空腔和車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。由圖可見，后保險(xiǎn)杠53 Hz振動(dòng)峰值降低80%，呈現(xiàn)無(wú)明顯峰值狀態(tài)，而空腔內(nèi)噪聲與車內(nèi)噪聲53 Hz峰值均無(wú)變化，即氣流引起后保險(xiǎn)杠本體振動(dòng)對(duì)低頻噪聲無(wú)明顯影響。

圖9

圖9   后保險(xiǎn)杠貼阻尼片測(cè)試結(jié)果

2.2 渦聲耦合機(jī)理排查

后保險(xiǎn)杠對(duì)底盤后部空腔形成起到了關(guān)鍵性作用，如圖10所示，在后保險(xiǎn)杠形成的主要空腔內(nèi)填充滿三聚氰胺泡沫塊，用于改變空腔尺寸，以擾動(dòng)渦聲耦合形成條件。

圖10

圖10   后保險(xiǎn)杠填充方案示意圖

典型工況下測(cè)試空腔和車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。由圖可見，填充后空腔內(nèi)53 Hz噪聲峰值為65 dB（A），較填充前降低5 dB（A），車內(nèi)53 Hz噪聲峰值為51 dB（A），較填充前降低10 dB（A）。

圖11

圖11   后保險(xiǎn)杠填充方案測(cè)試結(jié)果

3 流致噪聲理論分析

樣車底盤后部空腔可簡(jiǎn)化為如圖12所示的模型，通過電池包整流后的穩(wěn)定氣流在通過底護(hù)板邊緣時(shí)會(huì)發(fā)生漩渦脫落現(xiàn)象。

圖12

圖12   空腔簡(jiǎn)化模型

流體聲學(xué)共振模型如圖13所示，其中長(zhǎng)、深分別用L、H表示，空腔口前端不穩(wěn)定的剪切層脫落形成漩渦，漩渦運(yùn)動(dòng)到空腔后緣時(shí)與之發(fā)生碰撞并破裂，破裂產(chǎn)生的壓力波向四處擴(kuò)散，當(dāng)向上游的壓力波傳遞到空腔前緣時(shí)會(huì)激發(fā)新的漩渦脫落，當(dāng)腔體前緣脫落漩渦與反饋聲波組成的回路滿足一定相位關(guān)系后，空腔前緣脫落漩渦就會(huì)持續(xù)不斷地被激勵(lì)發(fā)生周期性脫落，從而形成渦聲耦合的自激振蕩現(xiàn)象［8］。

圖13

圖13   渦聲耦合自激振蕩回路

自激振蕩周期為漩渦脫落到撞擊后緣并擴(kuò)散至前緣的時(shí)間之和，其修正后的自激振蕩頻率預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式為

fn=UcL·n-0.25[1-0.22(1-Mac)](1/k+Mac),n=1，2，3，…

（1）

式中：Uc是來(lái)流速度；Mac是來(lái)流馬赫數(shù)； 1/k是試驗(yàn)確定的常數(shù)，取作1.75；n為正整數(shù)；L為空腔長(zhǎng)度［9］。 汽車與列車都是高雷諾數(shù)、低馬赫數(shù)運(yùn)動(dòng)的地面交通工具［10］，適用于式（1）半經(jīng)驗(yàn)公式。

當(dāng)流經(jīng)空腔的氣流引起了空腔壁的振動(dòng)，且空腔壁振動(dòng)為影響空腔噪聲的關(guān)鍵因素，即形成如圖14所示的流體彈性作用模型。

圖14

圖14   流體彈性作用模型

4 理論分析的驗(yàn)證

4.1 仿真分析的驗(yàn)證

氣流通過電池包整流后，形成了穩(wěn)定的氣流，才具備了在底盤后部空腔前緣形成脫落漩渦的前置條件，建立整車外流場(chǎng)模型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)仿真，進(jìn)一步分析底盤后部流場(chǎng)情況。仿真結(jié)果如圖15所示，經(jīng)過電池包整流后，形成了非常穩(wěn)定的層流，層流通過底盤后部空腔時(shí)出現(xiàn)了大量的漩渦脫落現(xiàn)象，這為渦聲耦合的發(fā)生提供了條件。

圖15

圖15   空氣動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

4.2 理論計(jì)算驗(yàn)證

因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車高速行駛工況屬于高雷諾數(shù)、低馬赫數(shù)范疇，適用于式（1）半經(jīng)驗(yàn)公式，測(cè)量得到的空腔長(zhǎng)度L約為0.6 m，將其代入式（1）計(jì)算得到典型工況下底盤后部空腔自激振蕩頻率約為52 Hz，比實(shí)測(cè)頻率小了1 Hz。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

不同車速下測(cè)試底盤后部空腔噪聲，測(cè)試結(jié)果如圖16所示，可以得到如下結(jié)果：（1）當(dāng)車速在140 km/h以下時(shí)未發(fā)現(xiàn)有明顯的低頻峰值；（2）當(dāng)車速達(dá)到140 km/h時(shí)出現(xiàn)53 Hz峰值。通過以上測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)140 km/h車速與底盤后部長(zhǎng)度為0.6 m的空腔正好滿足渦聲耦合的相位關(guān)系，即車速在140 km/h時(shí)樣車底盤后部空腔形成了渦聲耦合自激振蕩現(xiàn)象。

圖16

圖16   不同車速空腔噪聲測(cè)試結(jié)果

4.4 工程化改進(jìn)

根據(jù)渦聲耦合機(jī)理，可以考慮從來(lái)流、路徑等方面進(jìn)行優(yōu)化，比如增加導(dǎo)流板，封閉空腔結(jié)構(gòu)等，但基于工程化可行性及成本考慮，這里采用在泄壓閥處增加罩殼的方式，降低噪聲向車內(nèi)的傳遞，工程化方案測(cè)試結(jié)果如圖17所示，典型工況下車內(nèi)后排噪聲53 Hz峰值降低10 dB（A），有效地解決了該樣車高速低頻聲問題。

圖17

圖17   工程化方案效果

5 結(jié)論

純電動(dòng)汽車高速化發(fā)展趨勢(shì)明顯，用戶將會(huì)越來(lái)越重視和關(guān)注高速工況的NVH問題，對(duì)于純電動(dòng)汽車高速工況下的低頻噪聲問題在行業(yè)內(nèi)還未開展細(xì)致深入的分析研究。本文以某純電動(dòng)SUV車型高速工況下后排低頻噪聲問題為案例，系統(tǒng)地進(jìn)行了問題特征識(shí)別與激勵(lì)源分離驗(yàn)證，提出了低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理的可能。通過擾動(dòng)試驗(yàn)，確定了低頻噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，并通過整車外場(chǎng)流場(chǎng)仿真分析、半經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)自激振蕩頻率計(jì)算、試驗(yàn)分析不同速度下空腔噪聲情況，驗(yàn)證了產(chǎn)生低頻噪聲的機(jī)理為渦聲耦合自激振蕩。根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理分析，提供了問題改進(jìn)措施，并實(shí)車驗(yàn)證了措施的有效性，這對(duì)純電動(dòng)汽車高速工況車外氣動(dòng)噪聲開發(fā)具有一定的工程參考意義。

此外，仿真分析顯示了空腔外部流場(chǎng)特征，但還需要結(jié)合渦聲耦合自激振蕩理論對(duì)空腔內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)展開高置信度的流體動(dòng)力學(xué)仿真分析、風(fēng)洞和道路試驗(yàn)驗(yàn)證空腔內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)分布等方面開展進(jìn)一步的理論分析和試驗(yàn)研究，并在車型開發(fā)前期充分合理分析、設(shè)計(jì)空腔尺寸等參數(shù)，避免發(fā)生高速低頻噪聲問題。