E·Q·U·A·L
首发于E·Q·U·A·L
当我谈汽车声学时,我在谈什么(五)

当我谈汽车声学时,我在谈什么(五)

题图是我去年硕士论文的封面,非常感谢学术最后阶段遇到了我和蔼的导师,祝Dr.-Ing. O. Flieger先生一切顺利。

大家好,上一篇汽车声学专栏更新已经是在大半年前的事情了。大家有没有想我?

(没有,你退群吧。)

消失的大半年总算从B. Eng.正式升级成了M. Sc., 特别感谢在布伦瑞克的几位好朋友,在我去年八月九月频繁往返布伦瑞克和法兰克福期间给了我一个可以和衣而睡的地方。虽然留在了写毕设的公司,但从学生身份又回到纳税人的身份转变所带来的让人烦躁的事情还是让我有些应接不暇,好在现在总算全都搞定了…所以一直不太有时间去管理我的专栏,回头看一眼专栏里的葱长得都比我高了。好在一切总算翻篇了~!

上篇专栏谈到了电动及混动车特有的声学问题。只是一再地向关注这个专栏的朋友进行一个又一个枯燥的定义填鸭并非我的本意,所以这篇专栏我想换一种形式,从问题出发,在国内已经量产上市的电车的室内空调噪声扯开去,至于能说多少,全看我这期的懒癌能治好多少了。不多赘述,Let´s drive~

------------------------------不那么土耳其味的分割线---------------------------------

我们为什么要做声学测试?

我在学习汽车声学之前,总在开车时对自己进行灵魂拷问,能不能去掉这些个不知道从什么地方产生的噪声? 这个问题拆开来就初步解释了汽车室内声学里最重要的两个因素了:

1. 穷人家孩子的好奇心;2. 没钱买好车

开个玩笑,其实是

1. 声源;2. 有效的降噪措施。

声学测试不外乎于分析频谱,再对症下药。

如果你凑巧读过前几篇汽车声学专栏,我曾介绍过一个叫做3F的概念,这里再简单的回顾一下:Fahrer(驾驶员), Fahrzeug(车辆), Fahrumgebung(驾驶环境)。

图1. 3F

这三个F可以互为激励和响应。若是把驾驶员作为传递路径的上游,那么由驾驶员因为驾驶环境而改变驾驶室内零部件状态的行为,最后同样都会反馈给驾驶员本身。汽车声学只是这种反馈的一个方面罢了。

图2. 汽车噪声激励与零部件、系统响应

上图直观地给出了一些可以影响汽车室内声学的零部件和系统。下面举的这个例子不在这张图里,但和今天要聊的主题关系比较大了。

想象一下这个场景:开高速时你热了但又不能在开车的时候脱衣服,所以最直接的办法就是开窗了,此刻你降下了左边的挡风玻璃,很好玩的是,由于单侧的体积流量突然上升,紊流激励起了室内声学“隆隆隆隆隆“的低阶共振,果断被女朋友骂了,“给我关窗开空调!”

然而随着你顺时针慢慢旋动出风旋钮,空调噪声也随出风等级的上涨而变得越来越大,以至于可以调教的很好听的发动机进排气噪声再也没法盖过它。

且不提传统动力车辆在行驶过程中的发动机对于空调吹风机的频域掩蔽效应(参见拙作当我谈汽车声学时,我在谈什么(四)),发动机空转怠速工况下,若只是将出风口调高至一定的出风等级,室内噪声也已经非常感人了。

图3. 诚意重置后彩色版发动机空转时对室内噪声的频域掩蔽效应

为了给各位胖友一个上述描写的 “发动机空转时室内噪声”的直观感受,以高友善度提醒观看以下视频时请不要佩戴耳机,或引起ASMR强烈舒适而遭举报。

BMW 1系怠速时的空调噪声https://www.zhihu.com/video/1066946456530788352

在这台118d的发动机空转并将室内出风量调到最大的工况下,各位在刚才视频中听到的低频噪声的主要声源就是汽车空调的风机。那就先简单说说汽车空调噪声吧。

图4. 对称排布的风机叶片
图5. 由空调风机作为声源的汽车室内噪声Spektrum

在拙作当我谈汽车声学时,我在谈什么(四)里我曾提到,具有周期性运动特性的机构都有可以和“阶次“扯上关系,而空调风机的基频就是下面要介绍的概念:叶片通过频率,也就是图中对应的BFF (Blattfolgefrequenz的缩写), 英语里习惯称它为BPF (Blade Passage Frequency),其实是一个玩意儿。

下图是某车型带通风管的室内通风系统示意图。

图6. 某车型带通风管的室内通风系统示意图

空调风机有z个叶片,如果在某固定的吹风等级下到达了n rpm的转速,则会产生以

BPF=z*n/60

为基频的转动噪声(Drehklang)。

风机的主阶次虽然是一阶,但是它的通过阶次却与叶片的个数相同。这样解释或许更方便理解:风机每转动一圈,就将有z个叶片通过同一位置,所以会有z阶的通过阶次。如果风机叶片是对称分布的,那么在FFT后进行分析Spektrum时一定会在通过阶次的倍频发现如图5中的干扰噪声(Interferenzklang)。

因此为了有效地避免因这个原因产生的谐激励,从而降低在中高频段的干扰噪声,一般在设计风机叶片排布时建议非对称的布置形式。

图7. 非对称分布的风扇叶片

在我问过一些电动车车主朋友以后,得到部分回答是:哪怕我开的是电动车,只要不把室内的吹风等级开太大,空调噪声? 不存在的,还要降什么噪啊。

然而,需求这个事情是你说没有就没有的吗?你们领导确认过了没有? 贵乎惯例,不迈步子太大扯那些跨领域的蛋,那作为工程狗我们还是要通过数据来说话啊。

首先我们需要确定,由风机引起的气动噪声在通风管的哪一个位置会对室内噪声做出最大的“贡献“呢?

图8. EXA®️FIND仿真

直观地说,因为主驾和副驾位置的空调出风口直接吹向驾驶员,因此很自然地联想到了在这几根管子上做文章了:

1. 中央出风管:驾驶员右耳与副驾左耳

2. 左右出风管:驾驶员左耳与副驾右耳

FIND仿真(Flow Induced Noise Detection)对这个想当然的经验结论给出了相似的结果。

图9. 基于简化空调出风系统的FIND仿真
图10. FIND 仿真结果

可以非常清楚地通过上面这个由FIND输出的颜色矩阵来判断,在500Hz到2000Hz中低频, 在FFFC(Full-Face-Full-Cold Recirculation)即16℃最强出风等级吹脸模式下,中央和左右出风管会因为管道转折等问题,产生额外的压力损失,在引起紊流的同时又减益了汽车室内声学的舒适性。

虽然这里给出的FIND仿真结果是基于一个简化的空调模组,但由于每个车型或者平台的空调模组结构上大同小异,所以这一结果具有普遍性。

但是仿真结果毕竟不能尽信,感谢两位Bottom Gear工友 @郑菲 @Shijia 在试驾国内某start-up量产电动车时候,给我发来了不同吹风等级下的室内噪声音频。顺便还原一下自己满脑子的骚操作。

标准规定下必须遵守的试验条件:

图11. It’s a trap!!!
图12. 半消声室里的转鼓试验台

我以为他们会给我达成的我已经习惯了的试验条件:

图13. 麦克风位置
图14. 主驾的Headacoustics声学假人视角

和实际情况下的试验环境…:

图15. 双通道iPhone-Aufnahme和@郑菲 的左手和@Shijia 的左膝

邮局港剧,作为半个德农,看到这是非常完美严谨的试验环境我的内心毫无波动甚至有点想扔掉自己的假发哈哈哈。说正经的,为了能够控制变量,尽量减小这个只能用于定性的试验和标准试验间的误差,我xjb装模作样地规定了一些录音时需要遵守的条件。

1. 调节空调出风口格栅,使空调出风方向与汽车z方向平行

图16. 出风方向与行驶方向平行

1. 关闭左右两侧和后排的出风口,消除驻波对声压级的影响,将空调出风向前排的中央出风口集中。

2. 固定手机平行于中控屏幕,并保持0.3m的距离。

3. 每上升一个出风等级,录下一段wav.文件。

“To talk is cheap, show me the trace. ”----鲁迅,哦不是,是提枪的 @郑菲

我们还是先从快速傅里叶变换之后的结果看起吧。

图17. 对WAV文件FFT后的Plot

非常明显地可以看到,

1)在1250Hz-1600Hz的叶片通过频率的基频附近产生的峰值噪声在不装消声器的情况下是不太可能被消掉的;

2)风机噪声在约500Hz- 4000Hz频域十分动听,随着出风等级的上升,噪声声压级越来越恼人。

频谱分析的结果和FIND仿真基本吻合。所以刚才是谁告诉我没有声学需求的?

快出来乖♂乖♂站♂好♂

撸了许多年消声器管子的我的脑海中,浮现出几个对这样的Spektrum进行降噪的有可操作性的方案。从刚才的两点结论出发,能够迅速联想到的消声器方案就是抗性+阻性消声器,也就是多孔吸声材料+声学谐振器的结合了。解决问题的大体思路已经有了,接下来就分两部分来讲吧。

这一篇的主要篇幅用来讲多孔材料。

当我谈汽车声学时,我在谈什么(一)里我就提到过,声学是一门可以由物理量来明确定义的科学。在此我不得不再次扯一些重要的声学概念,以方便后文对其他物理量的理解。(因此下面这一段对于部分胖友来说,或许要花一点脑细胞才能读得懂,但是我会尽力写的简单些的。)

图18. 声波能量在传递路径中遇到障碍物后的声功率分布
图19. 声波的入射角与反射角

作为能量的一种传递形式,声波不会凭空消失也不会无故增加。上图对一列入射声波的能量分布做了一定程度的说明:当声功率为Pe的一列声波从当前介质进入遇到另一种介质时,由于声阻抗产生变化,会产生一列拥有与入射角相同反射角的反射波,对应声功率为Pr。而剩下的功率以穿透Pt和散溢Pd的形式被吸收,这两部分之和被称为“吸收”。在此做一些微小的勘误工作,因为通常大家对材料“吸声”的理解,仅仅停留在『声能通过所谓吸声材料时通过摩擦作用转化为热能』这一层面上。然而对于Absorption的真实定义是:散溢+通过的声功率之和。

综上:

Pe=Pr+Pa

Pa=Pt+Pd

之所以要提这些概念是为了更加深刻地理解阻性消声器,也就是所谓的多孔吸声材料的物理工作原理。

图20. PP&PE多孔材料的纤维结构

显微镜下可以非常清楚地看到图示例子里的PP&PE多孔材料的纤维结构。作为供应商,我深刻明白“客户给的需求不明确”是怎样的一种体验…那可比“五彩斑斓的黑色”和“字稍微大一点,但是看起来小一点”要绝望多了。因此当我要和材料供应商提出我的需求时,需要先动动脑子,该用什么物理量去定义多孔材料呢?

1. 多孔率 \sigma (Porosität), 一般定义是该材料的单位体积内的空气体积/材料体积。而另一个比较常见的类似的定义是Raumgewicht,指的是单位质量该材料在空间中占的体积,可以理解为密度的倒数。

2. 流体阻性 \Xi

图21. 流体阻性的经验模型

其中分子为通过该材料前后的压力损失,分母为材料厚度与流体流速的乘积。现有条件已经足够我们建立一个简化的数学模型了。

图22. 将多孔材料贴在全反射面上的简化模型

和把大象放进冰箱需要简单的三步一样,计算出一个材料的声吸收率同样很简单:

1. 打开Matlab,

2. 写代码,

3. 输出结果。

如果这样汇报工作的话应该是会被领导砍死的吧…给大佬递茶,大佬别生气,小的还是直接给您看结果吧:

图23. 某多孔材料的声吸收率3D Plot

3D Plot的优点就是方便直观地看结果。同厚度的相同材料,在入射角为0°,即垂直入射时,声吸收率仅作用在中高频段。在同一频段内,当入射角逐渐增大到接近90°时,声吸收率增大。

根据图19的定义,90°的入射角代表平行入射,声波低空飞过材料表面,并不与材料发生物理接触 (假设这列声波只存在粒子性,且不存在波前),因此也就没有所谓的声吸收率一说了。

现在我们控制变量,将入射角输入为0°,通过改变同一材料的厚度,观察声吸收率的变化。

图24. 该多孔材料不同厚度下的声吸收率

对同一材料,即在同样的多孔率,同样的流体阻性下,材料越厚,越能在相对低的频率上到达第一个声吸收率的峰值频率,并持续保持相对较高的声吸收率。

举个栗子,根据波长和频率的关系:

\lambda=c/f

其中c为当地声速,在23℃和一个标准大气压下约341m/s。我们可以非常快地计算出,如果想要用一个多孔材料对500Hz低频噪声降噪,大概需要17cm厚的材料才能达成这一点。不好意思,没钱买,也没地儿搁。

多孔材料,即阻性消声器的声学特性到这里基本就科普完了,除了对宽频噪声在整个中高频段上有比较好的降噪效果以外,应用非常有限。

至于抗性消声器,主要是通过声波在该消声器的谐振频率通过反射并与入射波叠加的原理,进行降噪。我会放在声学专栏的最后一篇里详细说。以前我写过一个对乘用车汽油机发动机进气系统的消声方案的介绍,如果旁友你读到这里还饶有兴趣,可以先去翻翻这个答案。

乘用车的汽油发动机有哪些调整或降低进气噪声的设计?

最后吐个槽…隔壁狼堡爸爸的采购看完最近一个项目的BOM表后就在电话那头说,“不好意思啊,在我们家,塑料零部件,称斤。你们家报价太贵,重新算。”

----------------------------旋转跳跃华丽转身话超多的分割线------------------------------

写在最后。

工作虽然不能说是已经游刃有余,但是经过加上论文到现在一年多的重新积累,把三年多前暂时放下的工作经验又捡了起来,游走在各个部门之间刷脸托同事办事情,也算是得心应手了。如果要给自己在2019年一个明确的定位的话,我不仅想做好一个研发工程师,而是一个合格的产品经理,了解OEM们, 特别是针对中国的Start-ups电动车制造商声学和最近半吊子入门的电池热管理的痛点,然后给出一些我所在的零部件领域里相对完整的解决方案。

写这个汽车声学专栏的初衷,除了对知识进行一遍梳理之外,更是为了给自己一份强心剂。告诉自己万物皆可NVH, 哪怕内燃机没了进排气系统,我还有很多事可以做。面对汽车行业凛冬,每个从业者都需要安生立命之本。

做零部件和系统的NVH其实是很愉快的,然而对整车的声学工程师来说,最大的敌人除了其他部门的领导以外,可能就是夏天树上的知了吧。

往期专栏文章传送门:

Haochi:当我谈汽车声学时,我在谈什么(一)zhuanlan.zhihu.com图标Haochi:当我谈汽车声学时,我在谈什么(二)zhuanlan.zhihu.com图标Haochi:当我谈汽车声学时,我在谈什么(三)zhuanlan.zhihu.com图标Haochi:当我谈汽车声学时,我在谈什么(四)zhuanlan.zhihu.com图标

Peace~

转载请联系笔者。

编辑于 2019-01-11

文章被以下专栏收录