NVH厨房之五十五：汽车高速行驶“呜呜”声产生机理与排查优化

啸叫是一种极易引起人耳厌烦的音调类噪声【1】，常于汽车动力传动系统中产生。在整车NVH开发中可能会遇到这么一类噪声问题：其发生在较高车速下（80km/h及以上），主观评价为“呜呜”声，与传动系匀速啸叫声在感官上极为相似，工程师在进行相关问题排查过程中可能出现误判，给开发工作带来一定难度。

文中所述“呜呜”声的产生机理，同齿轮系统啮合过程中齿对传递误差导致的传动系啸叫存在较大差别【1】：它是车体空腔结构，在高速气流的激励下产生的空腔噪声，属于车辆风噪（Leaking Noise—泄露噪声，Cavity Noise—空腔噪声，Wind Rush Noise—冲击噪声，Whistle Noise—高频啸叫）的一种。

Simon Watkins等【2】将Cavity Noise（空腔噪声）分为四类：Span Mode（宽度模式）、Depth Mode（深度模式）、Fluid-dynamic Resonance（流体动力共振）、Helmholtz Resonance（霍姆赫兹共振），如图1所示。更为常用的分类是根据空腔的几何纵深比（纵向尺度L和深度D）将空腔流动问题分为浅腔（L/D>1）和深腔（L/D<1）【3】，对应的噪声问题由自激振荡和声共振现象导致，即Simon Watkins所述的流体动力共振、霍姆赫兹共振。自激振荡和声共振现象的发生有一定条件限制，主要与L/D（纵深比）、来流速度（马赫数）等相关。

图1 空腔噪声分类

图片引自论文《Transient Wind Noise》

对于浅腔，自激振荡发生在腔体的切向，如图2所示。具体解释为：空腔前缘产生的脱落涡，以一定速度在剪切层中传递到后缘，再附到后缘时产生了声波，声波向上游传递，与前缘脱落涡相互作用，形成了共振反馈，从而产生了纯音噪声，最早由Rossiter【4】提出，并根据试验结果给出半经验公式：

其中：U_∞是来流速度，N是模态阶数，N=1,2,3......，L是流向特征尺度，Ma为马赫数，参数α和к为经验常数，根据试验进行调整，Rossiter给出了平均值α=0.25，к=0.57，符合大多数实验数据。  

图片引自论文《管路深腔涡声耦合实验研究》

对于深腔，声共振发生在腔体的深度向，如图3所示。具体解释为：空腔开口非定常涡脱落的频率与空腔本身的固有频率相同或接近时，产生声共振现象，导致腔内压力脉动剧烈，从而产生强烈的空腔噪声。由于深腔的几何形状是固定的，其固有频率是腔体的固有属性，Inagaki M等通过试验对固有频率经验公式进行了修正：

其中：c为声速，A为空腔开口处面积，h_c为开口厚度，V为空腔体积。

图3 空腔声共振机理

图片引自论文《管路深腔涡声耦合实验研究》

试验表明：随来流速度的增加，空腔噪声的频率一直增加，而噪声的声压级先增加后逐渐下降，在深腔固有频率处声压级达到最大值，原因是深腔固有频率会对涡脱落频率进行“锁定”，接近其固有频率，则会触发声共振现象，导致更加强烈的空腔噪声，如图4所示。

图4 不同来流速度下空腔噪声、声压级曲线图

图片引自论文《汽车风振噪声生成机理与控制研究》

• 问题描述

某SUV在110km/h以上匀速行驶工况，车内前排出现明显“呜呜”声，伴随A柱区域“麻手感”，主观不可接受。使用ATOM Analyzer软件对问题样车进行问题工况数据采集分析：测试工况130km/h，测点位置为主驾右耳。测试结果如图5所示，在365Hz及其谐频附近存在明显峰值特征，通过滤波回放确定其为车内“呜呜”声问题频段。

图5 车内噪声测试结果

• 排查思路

“呜呜”声发生的区域位于车辆A柱，排查部件包括：A柱钣金、车门钣金、车门密封条，如图6所示。另外，车辆在高速行驶时，受气流激励柔性件会产生变形，极易引发动态密封问题，因此需重点关注车门密封条。

图6 路径排查

 A柱钣金分析

由上文，“呜呜”声发生同时，用手触碰A柱的前门上窗框边缘，可明显感知强烈的麻手感。因此，在A柱内外侧布置振动传感器，并于130km/h工况下进行测试，如图7所示，A柱内外侧振动均有365Hz问题频率对应特征。

图7 A柱振动测试结果

由于风挡玻璃、车门、顶棚、后视镜、前车身部件汇集在A柱区域，因此该处流场较为复杂，Ａ柱区域有三个气流分离区，与其所受流场激励相关。在A柱覆盖一层PET棉，如图8所示，通过改变其局部造型对激励进行扰动，实车验证车内”呜呜“声消失。

图8 A柱扰动方案

车门钣金

车门钣金布置振动传感器进行测试，无明显问题频段特征，因此未对此实施手工方案验证。

车门密封

从密封角度，对车门进行相关排查，如图9a)所示，对试验样车进行段差测量，出现“呜呜”声问题的样车段差严重超标。由此，设计三种手工方案进行验证：

1、使用胶带将车门上窗框与A柱间隙封堵；

2、在车门密封条唇边区域增加泡棉，如图9b)所示；

3、调整侧围外板与车门上窗框间段差，增加密封条干涉量。

对三种方案进行路试，车内“呜呜”声均消失，可以确定车门密封不足是导致该问题的主要原因。

图9 问题分析及手工方案验证

• 原因分析

车门密封不足，A柱钣金与车门钣金形成空腔，结合上文空腔自激振荡机理，车辆行驶过程中A柱外气流经过空腔，在开口空腔前缘形成振荡剪切层，前缘脱落的漩涡与空腔内接角进入的气流耦合振动【5】，如图10所示，诱发车内“呜呜”声。

图10 A柱空腔自激反馈机理

图片引自论文《某MPV前门区域风噪啸叫与密封优化分析》

• 方案验证

从空腔自激反馈机理与手工化方案验证结果可工程实施方案：

1、通过横截面宽度、内侧圆角以及外侧圆角等调整A柱造型，改变高速气流分流对A柱区域的激励；

2、重新设计密封条，增加唇边、泡管干涉量，同时控制制造、装配精度（侧围外板与车门上窗框间段差），消除A柱与车门钣金形成空腔的风险；

3、A柱空腔填充聚氨酯，阻断声音向车内传递。

结合开发周期、实施成本、方案效果等因素，采用控制侧围外板与车门上窗框间段差方案进行小批量验证。对比原状态，方案实施后车内“呜呜”声消失。

• 问题描述

某皮卡车型80kph以上车内前、后排均存在明显“呜呜”声。使用ATOM Analyzer软件对车内噪声进行路试分析：麦克风测点主驾外耳，测试工况匀速80kph。测试结果如下图所示：车内存在明显的420Hz噪声峰值特征，经滤波回放确认该问题频段为“呜呜”声发生频段。然后，在转毂试验室进行评价及匀速80kph客观测试，均未见该特征，确认该问题点与传动系统无明显相关性，初步判断为高速风激励导致。

图11 车内噪声测试结果

图12 下摆臂空腔结构

• 方案验证

出于漏水需求，保留下摆臂最大漏水孔，对其余漏水孔使用阻尼贴进行封堵。80kph匀速测试，结果如图13所示，对比原状态，封堵漏水孔后车内噪声420Hz范围特征消失，主观评价车内“呜呜”声消失。

图13 方案验证对比结果