1 概述
近年來中國汽車工業迅速發展，中國已成為世界上最大的汽車生產國和消費國，天窗版汽車成為多數購車者的首選,主要因為天窗能夠有效地使車內空氣流通，增加新鮮空氣的進入，為車主帶來健康、舒適的享受。同時汽車車窗也可以開闊視野，也常用于移動攝影攝像的拍攝需求。隨著汽車安全性、動力性的提升，消費者對汽車舒適性也有了較高的要求，天窗作為汽車的重要組成部分，其NVH (Noise、 Vibration、Harshness)性能對乘員的舒適性有重要的影響。
2 汽車天窗噪聲
當天窗產生振動和噪音的時候，首先必須尋找天窗振動噪音源及產生機理，然后針對各種振動噪音源采取相應對策。天窗噪聲振動激勵源主要有：發動機激勵、路面激勵、風扇等旋轉機械激勵、風激勵、摩擦和撞擊激勵。下面將簡單的介紹這些振動源和應對措施。
2.1 發動機和路面噪聲等振動源
汽車在使用的過程中，發動機和路面等激勵通過車輛的傳動系統、排氣系統和懸架系統，經過車身傳給天窗，若天窗的模態頻率與發動機怠速和路面等激勵的頻率重合，將會導致明顯的振動或因為振動產生異響，如怠速的轟鳴聲，加速時天窗的抖動等等，這些天窗的問題都會影響乘員的舒適性，從而影響消費者對整車質量的評價。因而，在天窗開發的過程中，天窗的模態是成為一個關鍵的考核指標。
在整車開發前期階段，為了使各個系統的模態分離和解耦，必須制定整車模態規劃表來嚴格規范各個子系統的開發。因此在天窗前期開發階段也必須基于整車的發動機類型，怠速范圍，風扇轉速，道路情況和天窗等因素，確定天窗各在各個狀態下的頻率，必須滿足一個重要的基本原則：天窗的固有頻率與激勵頻率之間要差3Hz以上。
發動機激勵源 ：對于汽車常用的四缸發動機來說，通怠速轉約為750 ～850r/min, 其怠速時的頻率為25～28 Hz 。加速和巡航時候的轉為1000~6000r/min, 其激勵頻率為33.3~200Hz。
路面與輪胎激勵 ：與汽車行駛速度和輪胎尺寸大小有關，第一階動不平衡激勵頻率一般為10~20Hz。
旋轉機械激勵源 ：風扇、發電機水泵等旋轉械通過車身傳給天窗,其中風扇的激最為常見。風扇的轉速范圍一般為1500~3000r/min, 對應的一階動平衡頻率為25.5~50Hz。
2.2 風激勵引起的噪聲振動源
在長時間的駕駛過程中，天窗打開可以改善車內的空氣質量,但是天窗的打開會引起氣動噪聲，它的頻率低（<20Hz）強度卻很高（>100dB）,雖然它不易被人耳聽到，但是它產生脈動壓力卻使駕乘人員感到煩躁和疲倦，影響駕乘的舒適性。由于天窗打開后，車廂內形成空腔。車外高速的氣流與車內相對靜止的氣體存在一個剪切層。當車內外的氣流速度差超過一個臨界值后，剪切層就會處于不穩定的狀態，最終形成漩渦，并周期性散發，當漩渦的發散頻率與車廂的空氣固有頻率一致時，就會產生了風振噪聲[2]。控制風振噪聲最基本的方法就是打破氣流在天窗前后邊緣的運動，或者不讓氣流吹到天窗。通常在天窗的前邊緣加擋風條和側邊加擋風板如圖1和2所示。
2.3 摩擦和撞擊異響噪聲源
天窗異響噪聲是指汽車在行駛中或天窗在運動過程中出現的非正常、沒有規律的聲音。異響的隨機性強，重復一致性差。天窗的異響通常分為兩類：尖叫異響和撞擊異響。
尖叫異響通常是由于材料之間的摩擦而引起的聲音。比如在某天窗運行停止和啟動的時候，機械組滑塊和導軌之間的相互摩擦并存在黏滑效應，容易產生尖叫異響。
撞擊異響是指兩個零件相互發生碰撞而發出的敲擊的聲音。比如，汽車在凹凸路面行駛的時候，路面的沖擊會引起天窗遮陽板撞擊中橫梁，發出撞擊異響。
產生天窗異響的原因有很多,主要是：間隙設計不合理、尺寸公差控制不好、裝配精度不高和安裝不牢靠、接觸面材料兼容性差、結構的剛度和模態不合理等。
天窗異響通常通過試驗來識別，也可以通過CAE來預測。試驗識別異響主要是在實際的道路和試驗室臺架的兩個環境中通過主觀評價和客觀測試來識別異響。異響CAE分析主要通過剛度和模態等分析方法。比如天窗版汽車在道路上進行風載測試時，天窗的整體剛度不足導致天窗密封條與車頂之間產生縫隙，車外的噪聲就會穿過此縫隙傳到車內，這種透過縫隙的噪聲就被定義為氣吸噪聲，因此可以通過CAE分析天窗在高速風載下密封條與車頂之間是否有間隙，就可以預測天窗的氣吸噪聲。還有關于天窗密封條在天窗開啟過程中是否產生噪音，請參閱我已經發表的文章《汽車天窗密封條分析與優化》。
3 汽車天窗掃頻測試
正如前面所述，在汽車天窗開發階段，天窗的固有頻率成為一個重要的指標，為了在天窗前期開發階段能夠利用CAE技術校核天窗的固有頻率，首先需要驗證CAE分析的可信度。偉巴斯特(Webasto)中國在2013年選取了某款汽車天窗為研究對象，進行了天窗固有頻率測試，同時也利用了OptiStruct進行了頻率響應CAE分析，下面先簡單的介紹天窗固有頻率測試。
3.1 振動臺掃頻測試
振動臺掃頻激勵是測試系統固有頻率和阻尼的常見方法，其測試方法可以概括為：用振動臺以基礎激勵的方式對天窗進行正弦掃頻激勵，掃頻范圍為10～100 Hz，振動量級為：0.9g、0.5g、0.1、0.05g (g=9.8m/s2)。掃頻測試裝置如圖（3）所示。
圖3 天窗掃頻測試裝置圖
在對實驗數據分析時候，將天窗系統簡化為彈簧、阻尼器、質量塊的單自由度模型，其結構加速度響應相對于基礎的振幅放大因子β及最大值βmax為：
圖4 頻譜圖半功率帶寬點示意圖
對汽車天窗進行了不同能量下的激勵測試，其中0.05g 測試結果如圖5所示，表1列出了在不同振動能量級下天窗系統固有頻率及相對阻尼系數的實驗結果。
從表1可以看出，隨著基礎激勵量級的增大，系統固有頻率減小，相對阻尼系數增大，呈現出較明顯非線性現象，即“頻率漂移”現象。
3.2 影響因素
汽車天窗中使用了大量的金屬，玻璃，塑料和橡膠許多種材料，通常有幾百個零件組成，機構的運動主要是通過接觸來連接的。影響天窗頻率非線性的主要因素是材料和接觸的非線性，其中接觸連接非線性是造成“頻率漂移”的主要原因。
任何材料特別是塑料和橡膠在大變形的情況下不滿足胡克定律，即受力和變形或應力和應變是非線性關系。
汽車天窗運動是通過接觸來連接，隨著振動量級的增加，接觸之間就會出現間隙，因此汽車天窗存在接觸連接非線性。
因此在測試天窗的固有頻率時激勵能量盡可能小，否則天窗表現出明顯的非線性現象。
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本文標題：汽車天窗噪聲源介紹和模態分析與優化（一）
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