摘要
随着风速的增大，风噪声的贡献逐渐超过其他噪声源，影响舒适性。首先，根据汽车风噪声的形成机理、声类比和压力类型对汽车风噪声进行了详细的分类。然后对风噪声评价和开发工具进行了总结。最后讨论了车辆车窗产生的抖振噪声的特点及控制方法。考虑到外观和视野，通过被动方式控制侧窗抖振噪声十分困难。因此，本文提出的基于控制逻辑的主动控制开窗尺寸、主动打开多个窗口甚至释放反相位声源的方法具有良好的应用前景。
引言
风噪声是影响用户舒适度的主要噪声源之一。随着电动汽车的发展以及发动机，轮胎噪声控制技术的提升，风噪声的重要性日益显著，随汽车车速增加风噪声压级急剧增加。
本文首先从多个角度分析了汽车风噪声源的分类，总结了风噪声形成机理的相关理论。然后介绍了风噪声开发中常用的评价指标，并利用心理指标考虑了人耳对不同频带噪声的感知。对汽车风噪声的测试和仿真方法进行了总结。最后，重点介绍了汽车车窗噪声的特点及控制方法。提出了一种基于控制逻辑的主动控制方法，具有广阔的应用前景。
1.风噪贡献
可以通过试验可以研究发动机噪声、轮胎滚动噪声和风噪声对车内噪声的影响， 在50 km/h低速时，风噪声的贡献较小，内部噪声主要以发动机噪声和轮胎噪声为主。 在90 km/h时，风噪声的贡献高于人耳敏感频段2000 Hz以上的其他噪声。 当车速继续提高到160 km/h时，除了发动机噪声在160 Hz时的贡献较大外，风噪声几乎在整个频带中都占主导地位。显然，风速越高，风噪声的贡献越大。
2.噪声源分类
2.1.按原机理区分密封泄露噪声
在汽车众多风噪源中，泄露噪声通常是首先考虑的，泄漏噪声具有中高频特征，其对内部噪声的贡献大于对外部形状噪声的贡献，如图1所示。最严重的泄露发生在门，侧窗以及侧视镜附近。
图1 泄露噪声与形状噪声频谱比较
如图2所示，泄露噪声的形成有两种机制，第一种是由于汽车内外的压力差导致气流穿过密封条进出车体，将直接导致噪声产生，又称为吸音噪声。另一种是由于密封条的传声损失较小，风噪声通过密封从车外直接传递到车内， 如门缝产生的腔隙噪声。
图2 泄露噪声机制的类型
汽车流场是典型的非稳态流动，尤其是在压力波动较大的区域，如A柱位置，在密封条处有非稳态质量流动，形成单极子声源。气流通过缝隙进入车辆，通常会形成气流分离，与门框等表面相互作用，形成偶极声源。此外，空间中的自由射流可以形成四极源，尽管在低马赫数流动中可以忽略不计。
车外的非定常压力脉动激励密封条振动并向车内辐射噪声。 这与车身面板和车窗玻璃的声传播机制类似，其中声传播损失与密封的刚度、质量和阻尼有关。 通过增加密封件的数量，而不是增加刚度和阻尼，可以有效地降低泄漏噪声。 此外，门的刚度 [8] 影响门在高速下的动密封性能，对泄漏噪声有很大的影响。
外形噪声
如图3所示，在车附近的流场中有存在许多流动分离和涡结构，这将导致不稳定的压力脉动，进而产生形状噪声源。
图3 汽车周围流场和一些噪声源区域
a柱
在前挡风玻璃和侧窗之间有很强的a柱涡流，由于靠近人耳，导致车内噪音增加。 研究表明，a柱涡分离区的非定常压力脉动明显高于再附着区。当汽车偏航或有侧风时，a柱涡在背风侧增大，风噪声较大。 增大湍流度可以延缓a柱的边界层分离，降低a柱涡量，从而降低风噪声。
后视镜
作为车辆外侧的主要突出部分，靠近侧窗的侧视镜是形状噪声的主要来源之一。 研究表明，增加镜子与门之间的间隙可以减缓局部气流加速，降低风噪声。 通过改变后视镜的形状，减小尾流，风噪声明显减小。 反射镜腔的共振和边界层的不稳定都会产生单极子噪声。 通过改变反射镜后缘形状或将边界层变为湍流，可以消除反射镜的极子噪声。 目前的规定要求汽车安装外镜，但一些概念车被设计成没有镜子或更小的镜子。
底盘
由于许多部件暴露在气流中，在车辆下方形成一个复杂的流场，激发地板结构振动，向车内辐射噪声，主要在低频范围内，如图1所示，裙座排除了车底噪声的贡献。此外，下部某些空腔的共振也形成风噪声源。下部导流板和气坝可以使气流从底部偏转，减少风噪声。
其余形状
当位于前挡风玻璃下方的雨刷暴露在空气中时，风噪声更加明显。 将发动机罩后缘抬高，将雨刷隐藏在下方，可有效降低风噪。 天线尾部存在类似于冯·卡门涡的脱落涡。 在天线周围缠绕螺旋可以降低音调风噪声。 采用不规则形状减小顶板尾部的相干脱落涡也可以降低风噪声。 尽管天线和车顶栏杆在目前的乘用车中不太常见。
空腔共振噪声
汽车中的空腔共振噪声主要有两种类型，一种是大型窗户的抖振噪声，另一种是小空腔的共振噪声，如门缝和格栅空腔。 空腔噪声的研究最早起源于航空工业。如图4所示，与泄漏噪声、形状噪声等宽带噪声不同，腔共振噪声是一种音调噪声，通常有基频和和声频率。
图4 有无绕流板天窗抖振频谱对比
窗边抖振
由于打开窗口周围的静止空气与外部气流存在速度梯度，剪切层失稳导致旋涡脱落。剪切涡的压力脉动引发客舱的亥姆霍兹共振。 共振与剪切涡的耦合产生频率锁定，通常称为共振或者wind throb或booming 。现在更常用的叫法是抖振（buffeting）。当前天窗抖振噪声主要通过增加扰流板来减少剪切涡对天窗的激励来消除。 考虑到侧窗的外观和视野，采用被动方法控制侧窗抖振比较困难。
门缝与格栅
当空气流经门板间隙时，边界层内的压力脉动引发空腔声共振，形成风噪声源，风噪声源可以通过密封条进入舱室。 在测试过程中，通常用胶带密封门接头，以隔离这部分声源。 在汽车设计中，应尽量减小装配误差，使车门接头和腔体尽可能小。此外，空心格栅也能产生类似的声源 。
2.2.按声学类比区分
在古典声学中，声音是由固体表面振动引起周围空气的压缩和膨胀而产生的。 风噪声的产生机制不同，但可以类似于经典声学中的单极、偶极和四极声源。不同声源的功率和辐射能力是不同的。单极源是由一个脉动球的连续周期性压缩和膨胀引起的，并向周围辐射球面波，如图5所示。非定常体积流动的运动产生单极子源，如图2所示密封件周围的单极子源。 低马赫数(
ρ是密度，c是声速，M是流速和声速的比值。
图5 单极子声源辐射声波
如图6所示，一个偶极子源由一对相位相反的单极子源组成。车身表面的非定常压力波动会产生偶极子源。它来自于固体表面上的反作用力。其声功率与流速u的六次方成正比
图6 偶极子声源辐射声波
如图7所示，一个四极源由一对偶极源组成，它们非常接近，但相位相反。两种流体碰撞，产生不稳定的内应力，形成四极源。 它存在于一个不稳定的剪切湍流层中。它的声功率与流速u的8次方成正比
图7 四极子声源辐射声波
在超音速流动中，四极源是最高的。在低马赫数的飞行器周围流动中，有泄漏噪声时单极源最大，否则，偶极源最大。
2.3.按波动类型区分
压力波动的水动力分量也称为湍流压力或对流压力。它依赖于流体质量的运动，并以对流的方向传播。 声压依赖于空气向各个方向的压缩和膨胀，它比对流压力低2到3个数量级， 但其对车内噪声的影响很大。压力波的频率f与波速v和波长λ有关
它通常也用波数（wavenumber）k[46]表示
水动压的波速由汽车车速决定，其比声速要小得多。也就是说，与声波相比，水动压波长短，波数大。因此水动压与玻璃震动弯曲弯曲波之间的耦合较弱，传输效率较低。在窗玻璃重合频率附近，声压能有效地传递，对室内噪声的影响很大。
3.评估和开发方式
3.1.噪声评估
声压级和谱分量
声压是由于声波传播相对于静止介质中的平均压力p而产生的压力波动p '，单位为帕斯卡(Pa)。
由于人耳的听觉范围跨越几个数量级，从2 × 10 - 5pa(可听)到200 Pa(疼痛)，为了方便起见，声音是用对数声压级分贝(dB)来测量的。声压级的关系与均方根声压以及参考声压之间的关系如下
其中，Pref = 2e 5pa是人耳能听到最小的声压，其频率为1000赫兹。由于声压级是对数的，当存在多个声源，不能简单的线性相加。
时域压力波动经过傅里叶变换后表现为不同频率声波的叠加。 窄带频谱的频率分辨率等于采样频率与用于FFT的样本数之比 。对于宽带噪声，如风噪声，窄带频谱中的局部频率信息通常不重要。特别是在将实验结果与仿真结果进行比较时，由于仿真时间等因素的限制，很难得到相同的频率分辨率。此时，可以使用三分之一谱和整体声压级对多个噪声进行比较，而不强调窄带谱的频率分辨率。对于抖振等音调噪声，窄带频谱的频率分辨率是必要的。
响度（loudness）以及A-加权声压级（A-Weighted SPL)
响度是一种考虑人耳对不同频带声音感知的心理评价指标。 响度等级定义为纯音在1000hz时的声压级，用Phon表示。 图8显示了响度、响度级和声压级之间的关系，虚线表示人耳的可听下限。 在100hz以下，等响度曲线更为密集，说明响度在低频时对声压级的变化更为敏感。很明显，由于耳道的共振，人的耳朵在4000赫兹时最敏感。 响度N的单位为Sone，与响度级别LN的关系如下
也就是说，40“Phon”等于1“Sone”，“响度”每增加10“Phon”，“响度”就翻倍。 在频域中，响度对低频声音的变化更为敏感。
图8 响度轮廓
如图9所示，a加权滤波器与40 Phon等响曲线频谱相似，不同之处是滤波器没有捕捉到等响曲线的几个谐振峰。 在整体响度计算方法出现之前，由于考虑到人耳的实际感知，方便测量总声能量，使用a加权的整体声压级被广泛使用。 一般在24 Phon ~ 55 Phon范围内选择a权重。
图9 a -加权的频率响应曲线
清晰度指数
清晰度指数(Articulation index, AI)表示乘客在嘈杂环境下的语音清晰度。100%表示语音清晰度完美，0%表示噪声完全掩盖了语音。说话声H(f)、噪音上限UL(f)和噪声下限LL(f)的关系为
也就是所，当噪音高出12分贝时，乘客的声音就完全听不清了。当噪音低于上限30db时，声音完全清晰。AI与权重因子W(f)的关系为
其中
其中权重因子、上限值和下限值的取值如图10和11所示。
图10 清晰度指标权重系数曲线
图11 噪声上下限曲线
3.2.测试方式
风洞和道路测试
风噪声试验方法主要包括风洞试验和道路试验。 由于风洞中可以控制风速和环境参数，因此可重复性更强。 相反，路试容易受到侧风、温度、湿度等天气因素变化的影响。 风洞试验消除了背景噪声源的影响，如轮胎、传动系统、发动机等，这些在道路试验中经常发生。 路试具有成本低的优点。
麦克风测试
汽车风噪声采集通常包括外表面噪声、远场噪声和车内噪声。相位麦克风阵列基于波束形成技术由一组已知空间位置的麦克风组成。 通过分析到达每个传声器的声波的相位和位置差来计算波的传播方向(图12)。 它被放置在垂直于车辆侧的流场外，用于研究风噪声源在车辆外表面的分布。 球形麦克风阵列也可用于机舱内的风噪声分布采集。
图12 风洞中相位麦克风阵列
通常使用表面传声器或平顶传声器来测量窗口表面特定位置的压力波动。 使用平顶式麦克风需要在车辆表面打孔，麦克风放置在与车辆表面平齐的孔中，向外放置，避免暴露在流场中，可能带来额外的噪声(图13)。
图13 嵌入式麦克风阵列和表面麦克风
舱内风噪声反映了乘员对风噪声的感知，可以使用普通声学麦克风或人工头部进行捕捉(图14)。 人造头部模拟了乘客头部和耳道的形状，因此噪声采集是有方向性的
图14 车内人工头部
其他测试
密封测试
声学包装的首要任务是解决密封问题，这决定了泄漏噪声。 常用的测试方法有烟雾测量、超声波测量和气密性测量。 气密性测量采用鼓风机对机体充气，当鼓风机气流稳定时，可根据流速Q计算泄漏面积。
式中aD为流量系数，A为泄漏面积，Pi和P0为车内外压力，ρ0为气体密度。
声传输损耗测试
形状噪声通过车身结构和玻璃进入座舱的能力主要与声传播损失有关。 大多数车身结构的传递损失远大于窗户玻璃，而窗户玻璃是主要的传声构件。 如图15所示，随着频率的增加，单层结构的传输损耗逐渐增大。在频域上可分为三个区域:刚度控制、质量控制和重合效应控制。在质量控制区，斜率为每倍频程6 dB，质量加倍时传输损耗增加6 dB。
图15 单层板在不同频段的声传输损失。
此外，板阻尼也会影响传输损耗。 在符合频率下，玻璃的透射损耗比其他频率范围低。夹层玻璃具有较高的阻尼，增大了重合频率附近的声传播损失。 单层均匀壁板的重合频率可按公式计算
由于密度ρ，泊松比μ和杨氏模量E，玻璃的频率范围为4.2 ~ 2.1 kHz，玻璃厚度为3 ~ 6 mm。研究表明，夹层侧窗玻璃在2khz至6khz频段的隔音性能平均提高了4db，同时与钢化玻璃的厚度相同，与传统钢化玻璃相比，重量降低了12%。夹层玻璃还能提高安全性和抗侵入性。
如图16所示，待测样品玻璃放置在混响室和消声室之间，混响室放置球形声源和麦克风，消声室放置声强探头。样本的入射声功率和透射声功率如下
其中
、I分别为平均声压、平均声强，S为样本面积。 样品的声传播损失STL可以表示为
,
分别代表混响室的平均声压级和消声室的平均声强级。
图16 声音传输损耗测试
阻尼试验通常采用衰减率法进行。 如图17所示，得到随机分布的加速度计在锤击或激振器作用下的频响函数。 通过傅里叶反变换和滤波，将频响信号转换为不同频率的时域信号。使用Schroeder的积分，衰减率RD是根据衰减图的斜率计算的，如图18所示。各频率fn的阻尼损失因子η按如下计算
图17 阻尼损失因子测试
图18 震动衰减图
吸声测试
吸声系数和空腔阻尼反映了客舱内部材料的吸声能力。 如图19所示，将材料样品放置在混响室中，通过混响时间测试计算其吸收系数和阻尼。 当声源停止时，混响室内产生的能量是均匀的。 在试样吸声的作用下，声压级在T60一段时间内降低了60 dB，如图20所示。 混响室体积V、采样面积S、吸收系数α的关系为
阻尼损失因子η与混响时间T60、频率f的关系为:
材料的吸声和阻尼特性可通过式18和式19计算，并将其作为车辆风噪声模拟等输入参数。
图20 声压级衰减图
3.3.仿真方法
泄漏噪声可以通过风洞试验等手段进行研究和优化。 目前用流动模拟直接模拟泄漏噪声的方法还比较困难。 而通过在时均流场中模拟车门在压力荷载作用下的变形程度，通过优化车门结构来提高其刚度以间接控制。
形状噪声通过车窗玻璃和车身面板的振动辐射到车内。 在试验过程中对实车的变形进行优化是比较困难和昂贵的，而通过仿真进行风噪声预测和形状优化具有效率高、成本低的优点。
客舱风噪声仿真过程通常包括获取外部声源和模拟声音通过窗口和车内的传播。外部声源模拟包括两种方法:直接气动声学(Computational Aeroacoustics)和混合气动声学(hybrid CAA)。
Direct CAA以可压缩气体为介质，同时计算流场中的流体动压和声压，考虑了两者的耦合效应。 传统的计算流体力学(CFD)工具大多基于有限体积法，在求解Navier-Stokes偏微分方程组时，由于时间和空间的离散，会造成数值误差。 在声传播过程的模拟中，声压数量级比水动压小。因此，直接CAA需要较高的时间和空间离散精度、较大的网格尺寸和计算资源。 而求解介观尺度分子动力学方程的晶格Boltzmann方法(LBM)具有并行率高、耗散低的优点。 在获得窗口表面声源后，通过波数分解分别得到声压和水动压。
混合CAA以不可压缩气体为介质，将传统CFD模拟与声学模拟相结合，将对流场与声学场解耦，并依次计算流体动力和声压。 采用不可压缩CFD模拟得到的对流信息作为输入计算声信息，忽略声场对对流的影响。 主要的混合CAA方法包括Lighthill声学类比法、Ffowcs Williams and hawkins (FW-H)积分法、声学扰动方程(APE)和随机噪声产生与辐射(SNGR)方法。 有时将不可压缩CFD模拟与有限元声学模拟相结合，得到外部流场声源。 当流体软件导出体积声源(对流速度、压力)时，通常需要数百gb的存储空间。 汽车风噪声主要涉及偶极子声源，可通过流体软件作为表面声源获得，数据存储大大减少。
窗口和内部的声透射可以通过SEA(统计能量分析)、FEM (有限元法)或BEM(边界元法)进行计算。
5000 Hz以下的窗口振动模式为数百阶，3000hz以下的内部声学响应模式为上万阶。 频率越高，弯曲波长越小，需要更多的有限元网格，计算量急剧增加。SEA在求解高频风噪声时效率较高，在模态密度较低的低频区域精度较低。 有限元法的优点是可以预测座舱内特定测点的声响应，但有时更重要的是快速实现风噪声的相对优化。SEA用于快速预测车辆的平均响应，例如在车辆开发的早期阶段。
4.抖振特性和控制
侧窗抖振主要与客舱内剪切涡和共振现象的发展有关。 这可以类似于气流通过一个简化的空腔开口，其中存在三种振荡形式: 速度剪切层失稳引起的流体动力振荡、空腔内空气压缩膨胀引起的流体共振振荡、空腔固壁弹性位移引起的流体弹性振荡，如图21所示。 基于CFD软件的车辆仿真通常忽略内饰振动位移和吸声的影响。 结合CAE软件，可以考虑舱内边界阻抗的影响，提高仿真置信度。
如前所述，当剪切涡频率与空腔固有频率重合时，就会发生Helmholtz共振，空腔内的抖振噪声达到100 dB以上，而抖振频率(
图21 流动震荡、流体共振、弹性空腔压力震荡
4.1.抖振特性
车速
随着车速的增加，剪切涡向车窗后缘移动并在较短的时间内破碎，增加了天窗和侧窗的抖振频率。当抖振频率接近座舱固有频率时，Helmholtz共振越强，抖振越强烈。因此，随着速度的增加，抖振通常先增大后减小，而抖振频率不断增加，如图22所示。
图22 风速对天窗峰值声压级(顶部)和抖振频率(底部)的影响。
窗户开度
减小的窗口开口流向长度缩短了脱落涡的运动路径。 在相同车速下，脱落周期缩短，增加了天窗抖振的频率。 由于开侧窗时流向长度变化不大，抖振频率保持不变。 此外，窗口开度越小，一般抖振越弱。天窗抖振强度对开口尺寸更敏感。
通风与偏航
由于压力通风效应，多个窗口同时开启时抖振较单独开启时弱。 对于左侧后窗，同时打开右侧前窗时抖振最小。 当存在侧风即偏航时，抖振在迎风侧增加，在背风侧减少。 窗口关闭时，宽带风噪声与偏航时的模式相反。
4.2.抖振控制方式
当前的抖振控制主要通过流量控制来实现，主要根据是否有额外的能量输入分为主动控制和被动控制。
天窗
被动方式
如图23所示，天窗前缘的扰流板将剪切涡上提，避免与天窗后缘碰撞。 这减少了对乘客舱的压力激励，并有效地控制天窗的泄漏。结果如图23，当天窗完全打开，在60km /h时，扰流板的降噪率达32.6 dB。
图23 天窗绕流板
主动方式
消费者越来越青睐大型天窗，传统的固定扰流板难以满足抖振控制的要求，基于闭环控制逻辑的主动偏转扰流板更加有效[95] 。划分杆[96]干扰了脱落涡的发展，通过对最优形状和位置的多参数优化，可以完全消除天窗抖振。
侧窗
被动方式
对于侧窗抖振，在以往的研究中已经尝试了许多被动控制方法。 与b柱涡相比，a柱涡的对流长度相对不恒定，这导致前窗的抖振通常低于后窗。 与此同时，后视镜尾流干扰了切变涡旋， 当没有后视镜时，前窗抖振明显更高。因此，控制主要集中在后窗，那里的情况比较严重。 如图24所示，在b柱后缘增加空腔，阻止剪切层脱落的涡进入乘员舱，可降低抖振超过6 dB。 在后车窗中间增加了一个分隔杆，有效地减少了抖振。考虑到侧窗的外观和外观，采用扰流器等被动控制方法是可行的。
图24 后窗抖振控制被动方式
主动方式
对于主动控制，b柱射流的作用与导流板类似，可以有效地控制后窗颤振。 但也存在明显的弊端，如能源投入大、结构布置复杂、成本增加等。 噪声主动控制释放一个与噪声波相位相反、振幅相等的声波源，抑制噪声波进入人耳。 这一方法广泛应用于中低频噪声的控制。 结合侧窗抖振特性，本文提出了一种侧窗抖振主动噪声控制方法，控制逻辑如图25所示。
图25 后窗开口尺寸主动控制逻辑图
以左后窗为例，当乘客打开窗户时，该逻辑会自动将开口大小调整到舒适(没有抖动)的大小。 如果乘客继续打开车窗，直到发生抖振，该逻辑将自动打开右侧前窗，以通风和抑制抖振。 当左侧前座自动关闭车窗时，开启抖振主动噪声控制 (BANC)系统，如图26所示。
图26 反相声源主动控制原理图
5.结论
在汽车风噪声分类中，噪声根据机理分为泄漏噪声、形状噪声和空腔共振噪声; 根据声学类比，声源分为单极、偶极和四极; 按波动类型分为声压和动水压力。 泄漏引起的单极声源的贡献最大，其次是穿过玻璃的偶极声源。 声压波动幅值相对水动压力的变化较小，但对舱内噪声的贡献较大。
在噪声评价中，引入了响度、a加权声压级、语音清晰度等心理指标。 在试验方法上，风洞试验具有较好的重复性和可靠性，并介绍了气密性、隔声、吸声性能的试验方法。在外部风噪声源计算中，与混合CAA方法相比，直接CAA的风噪声源计算需要精确的离散格式和更多的计算资源。 在车内风噪声响应计算中，SEA可以快速计算中、高频段。
本文讨论了车窗抖振随车速和开孔尺寸的变化特性。被动控制方法的应用受到侧窗视图等要求的限制。并提出了基于控制逻辑调整窗口打开大小和位置，并结合BANC系统实现侧窗抖振的主动控制。这一方式具有广阔的应用前景。
文章来源：Wang, Q., Chen, X., and Zhang, Y., "An Overview of Automotive Wind Noise and Buffeting Active Control,"SAE Int. J. Veh. Dyn., Stab., and NVH5(4):443-458, 2021, https://doi.org/10.4271/10-05-04-0030.