汽车天窗噪声源介绍和模态分析与优化

    1 概述

    近年来中国汽车工业迅速发展，中国已成为世界上最大的汽车生产国和消费国，天窗版汽车成为多数购车者的首选,主要因为天窗能够有效地使车内空气流通，增加新鲜空气的进入，为车主带来健康、舒适的享受。同时汽车车窗也可以开阔视野，也常用于移动摄影摄像的拍摄需求。随着汽车安全性、动力性的提升，消费者对汽车舒适性也有了较高的要求，天窗作为汽车的重要组成部分，其NVH (Noise、 Vibration、Harshness)性能对乘员的舒适性有重要的影响。

    2 汽车天窗噪声

    当天窗产生振动和噪音的时候，首先必须寻找天窗振动噪音源及产生机理，然后针对各种振动噪音源采取相应对策。天窗噪声振动激励源主要有：发动机激励、路面激励、风扇等旋转机械激励、风激励、摩擦和撞击激励。下面将简单的介绍这些振动源和应对措施。

    2.1 发动机和路面噪声等振动源

    汽车在使用的过程中，发动机和路面等激励通过车辆的传动系统、排气系统和悬架系统，经过车身传给天窗，若天窗的模态频率与发动机怠速和路面等激励的频率重合，将会导致明显的振动或因为振动产生异响，如怠速的轰鸣声，加速时天窗的抖动等等，这些天窗的问题都会影响乘员的舒适性，从而影响消费者对整车质量的评价。因而，在天窗开发的过程中，天窗的模态是成为一个关键的考核指标。

    在整车开发前期阶段，为了使各个系统的模态分离和解耦，必须制定整车模态规划表来严格规范各个子系统的开发。因此在天窗前期开发阶段也必须基于整车的发动机类型，怠速范围，风扇转速，道路情况和天窗等因素，确定天窗各在各个状态下的频率，必须满足一个重要的基本原则：天窗的固有频率与激励频率之间要差3Hz以上。

    发动机激励源 ：对于汽车常用的四缸发动机来说，通怠速转约为750 ～850r/min, 其怠速时的频率为25～28 Hz 。加速和巡航时候的转为1000~6000r/min, 其激励频率为33.3~200Hz。

    路面与轮胎激励 ：与汽车行驶速度和轮胎尺寸大小有关，第一阶动不平衡激励频率一般为10~20Hz。

    旋转机械激励源 ：风扇、发电机水泵等旋转械通过车身传给天窗,其中风扇的激最为常见。风扇的转速范围一般为1500~3000r/min, 对应的一阶动平衡频率为25.5~50Hz。

    2.2 风激励引起的噪声振动源

    在长时间的驾驶过程中，天窗打开可以改善车内的空气质量,但是天窗的打开会引起气动噪声，它的频率低（<20Hz）强度却很高（>100dB）,虽然它不易被人耳听到，但是它产生脉动压力却使驾乘人员感到烦躁和疲倦，影响驾乘的舒适性。由于天窗打开后，车厢内形成空腔。车外高速的气流与车内相对静止的气体存在一个剪切层。当车内外的气流速度差超过一个临界值后，剪切层就会处于不稳定的状态，最终形成漩涡，并周期性散发，当漩涡的发散频率与车厢的空气固有频率一致时，就会产生了风振噪声[2]。控制风振噪声最基本的方法就是打破气流在天窗前后边缘的运动，或者不让气流吹到天窗。通常在天窗的前边缘加挡风条和侧边加挡风板如图1和2所示。