汽車天窗噪聲的數(shù)值分析和控制

周 益

（合肥工業(yè)大學(xué) 噪聲振動(dòng)工程研究所，合肥230009）

隨著汽車技術(shù)的快速發(fā)展和用戶對(duì)舒適性的追求，很多汽車都配備了天窗，它能夠使車內(nèi)空氣有效流通，增加新鮮空氣進(jìn)入，為乘員帶來健康、舒適的享受。但是，當(dāng)汽車以一定速度行駛時(shí)，車頂上的氣流在天窗開口處變得不穩(wěn)定，產(chǎn)生了流動(dòng)分離。在天窗開口前沿處產(chǎn)生的渦團(tuán)迅速破碎或者撞在開口的后緣處破碎。同時(shí)破碎的渦團(tuán)導(dǎo)致空氣產(chǎn)生了壓力波動(dòng)，從而形成了噪聲聲源。由于天窗噪聲的聲源離駕駛員的頭部很近，產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力會(huì)使駕駛員感到煩躁不安。研究結(jié)果表明，與轎車勻速車內(nèi)噪聲品質(zhì)相關(guān)的主要心理聲學(xué)參量根據(jù)車速的不同而不盡相同［1］。例如，一輛汽車以40 km/h的速度行駛，其天窗所產(chǎn)生的噪聲往往會(huì)超過100 dB［2］。所以在為乘員提供天窗帶來好處的同時(shí)，如何減小天窗氣動(dòng)噪聲也成為一個(gè)重要的問題。

對(duì)于天窗噪聲的控制，國(guó)內(nèi)外做了很多研究。在20世紀(jì)90年代，計(jì)算仿真分析剛剛應(yīng)用到汽車風(fēng)振噪聲中，Ota等［3］即采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于有限體積法的CFD代碼（GOLDE）對(duì)二維汽車天窗噪聲進(jìn)行了仿真分析，得到了與實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)相吻合的結(jié)果；Karbon［4-6］等采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于有限元法的商用CFD軟件PAM-FLOW對(duì)汽車模型進(jìn)行了仿真分析，得到的結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。近年來，很多學(xué)者提出通過在天窗前沿進(jìn)行改進(jìn)可以有效降低噪聲。如An等提出在天窗前部增加腔體［7］和導(dǎo)流板［8］來降低噪聲，并取得了很好的效果。 黃磊［9］提出在天窗前部增加網(wǎng)狀擋風(fēng)條可以有效的降低噪聲，并且極大的減少了工程開發(fā)的復(fù)雜度。汪怡平［10］等提出在天窗處安裝帶有凹槽的導(dǎo)流板以及優(yōu)化其安裝角度，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)降低了23 dB?？祵帲?1］等提出將天窗后移及加寬，可以降低監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí)。

本文在An等提出的在天窗前部增加腔體的方法的基礎(chǔ)上，對(duì)腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)一步優(yōu)化車內(nèi)壓力場(chǎng)分布，降低監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí)。論文首先建立計(jì)算和幾何模型，隨后通過計(jì)算汽車天窗改進(jìn)前后以及與An設(shè)計(jì)的天窗結(jié)構(gòu)的比較說明本文方法的有效性。

1 理論與模型

1.1 基本控制方程和湍流模型

通常情況下，汽車的車速低于200 km/h，車身周圍外部流動(dòng)空氣按不可壓流體來處理，汽車外部流場(chǎng)可視為等溫、非定常不可壓流動(dòng)。所以在這里采用雷諾時(shí)均三維非定常不可壓Navier-Stokes（N-S）方程，其一般形式為：

式中：t為時(shí)間；ui為速度分量；p為壓強(qiáng)；ρ為流體密度；由于此方程引入關(guān)聯(lián)項(xiàng)ρuiuj，需要引入相應(yīng)的湍流模型來封閉方程，在本文中，采用WALE亞格子模型來進(jìn)行封閉。

1.2 計(jì)算模型的建立和網(wǎng)格的劃分

1.2.1 計(jì)算模型的建立

本文研究的對(duì)象是一款小型帶天窗的汽車，在建模的時(shí)候忽略后視鏡、雨水槽、排氣管和門把手等復(fù)雜曲面，同時(shí)由于汽車底盤對(duì)本計(jì)算影響不大，因此將汽車底部簡(jiǎn)化為光滑壁面。模型長(zhǎng)L=4 188 mm，寬W=1 505 mm，高H=1 075 mm，天窗厚度為60 mm，天窗大小為 770×380 mm。

1.2.2 計(jì)算域的建立

計(jì)算域?yàn)榘鼑嚨囊粋€(gè)長(zhǎng)方體區(qū)域，如圖1所示。具體尺寸為：車前區(qū)域?yàn)? L，車側(cè)圍2 W，車上方為3 H，車后方為3 L，車底距地面為170 mm。

1.2.3 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格的劃分是整個(gè)分析過程中最為重要的一步，因?yàn)樗暮脡闹苯雨P(guān)系到仿真分析時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間以及仿真結(jié)果的精確性。由于汽車本身幾何模型的特點(diǎn)，在網(wǎng)格劃分時(shí)選擇了四面體網(wǎng)格，它一方面可以很容易捕捉流場(chǎng)幾何特征，同時(shí)還具有非常好的自適應(yīng)性。至于網(wǎng)格數(shù)量，理論上來說，數(shù)量越多，計(jì)算出來的結(jié)果越精確，但仿真分析時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間也就越長(zhǎng)。所以在控制網(wǎng)格數(shù)量時(shí)，要保證在可以獲得精確結(jié)果的前提下，盡量減少網(wǎng)格的數(shù)量。因?yàn)閺哪撤N程度上來說，當(dāng)網(wǎng)格單元小到一定程度時(shí)，再次細(xì)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果并不會(huì)有太大影響。

本文研究的重點(diǎn)是天窗氣動(dòng)噪聲問題，所以天窗附近的網(wǎng)格需要盡量的精細(xì)，而遠(yuǎn)離天窗的地方則不需要過度的細(xì)化。因此將整個(gè)計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格分為三個(gè)層次，靠近天窗的地方，網(wǎng)格最為精細(xì)；整個(gè)車身則選擇較為精細(xì)的網(wǎng)格；最后是計(jì)算域網(wǎng)格，單元尺寸可以比前兩者略大。最終生成的網(wǎng)格數(shù)量在550萬左右。

1.3 邊界條件

數(shù)值仿真是在有限區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的，因此在區(qū)域的邊界上需要給定邊界條件，邊界條件的確定需要在數(shù)學(xué)上滿足適定性，在物理上具有明確的意義。汽車在實(shí)際行駛時(shí)，地面是不存在附面層的，在此采用移動(dòng)壁面邊界條件消除由于數(shù)值仿真產(chǎn)生的地面邊界層，具體設(shè)置見表1。

表1 邊界條件

1.4 計(jì)算方法

在保證計(jì)算準(zhǔn)確性和盡量縮短時(shí)間的前提下，采用兩階段求解方案。首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，采用分離解法、SIMPLE方法、二階迎風(fēng)格式及標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，迭代次數(shù)大約500次，然后把穩(wěn)態(tài)求解的結(jié)果作為瞬態(tài)求解的初始值。瞬態(tài)求解使用大渦數(shù)值模擬，采用WALE亞格子模型，同時(shí)在時(shí)間上采用不迭代2階時(shí)間遞進(jìn)加快計(jì)算過程，在空間上采用具有很好的收斂性和網(wǎng)格適應(yīng)性的中心差分方法，以保證足夠的精度。由于風(fēng)振噪聲的共振頻率在13 Hz左右，即產(chǎn)生的渦流脫落周期是0.08 s。本文中進(jìn)行瞬態(tài)求解的時(shí)間步為0.005 s，也就是在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)有16個(gè)采樣點(diǎn)，這可以充分的捕捉風(fēng)振的諧振頻率。

1.5 計(jì)算結(jié)果仿真分析

本節(jié)計(jì)算的模型是天窗完全打開且沒有安裝任何降噪措施做分析的原始模型。接下來所采取的降噪措施是在此車的基礎(chǔ)上。

圖2是無任何降噪措施下的人耳處聲壓級(jí)頻域圖，從圖中可以明顯的看出，汽車的風(fēng)振發(fā)生在13 Hz左右，噪聲聲壓峰值達(dá)到了110 dB，長(zhǎng)時(shí)間的處于這樣的一個(gè)噪聲環(huán)境中，容易使駕駛員感到煩躁不安，所以要進(jìn)行降噪處理。

2 風(fēng)振噪聲的控制

2.1 增加腔體的影響

控制風(fēng)振噪聲的方法主要有兩種，一種為主動(dòng)控制，另外一種為被動(dòng)控制。主動(dòng)控制是指利用聲波的干涉原理，通過在聲場(chǎng)中設(shè)置一系列的同頻反相振動(dòng)裝置。但是風(fēng)振噪聲的主動(dòng)控制不僅會(huì)增加開發(fā)成本，而且在安裝過程中也會(huì)非常的麻煩，所以目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的是被動(dòng)控制。被動(dòng)控制的方法主要有：在天窗前沿安裝導(dǎo)流板導(dǎo)走渦流來控制風(fēng)振噪聲、通過調(diào)整天窗的開啟位置改變車內(nèi)空腔的固有頻率來控制噪聲等。本文是在汽車天窗前沿安裝一個(gè)腔體用來控制天窗噪聲。

本文給出的腔體設(shè)計(jì)示意圖與An所設(shè)計(jì)的腔體對(duì)比如圖3所示，其中a為本文中的腔體，b為An設(shè)計(jì)的腔體。該設(shè)計(jì)的目的是通過腔體擋住一部分氣流進(jìn)入車內(nèi)來降低噪聲。腔體設(shè)計(jì)尺寸為長(zhǎng)80 mm，深度為40 mm，略低于天窗厚度60 mm，曲面與天窗頂部相切且連續(xù)。

圖4是改進(jìn)前和改進(jìn)后監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)頻域圖對(duì)比圖。從圖中可以看出改進(jìn)后的車型風(fēng)振頻率發(fā)生在10 Hz，噪聲聲壓峰值達(dá)到了104 dB，比原始車型聲壓峰值降低了6 dB。并且在人耳可聽區(qū)域內(nèi)，改進(jìn)后的車型噪聲明顯要低于改進(jìn)前。

進(jìn)一步對(duì)比兩者的壓力云圖，如圖5所示。（a）是改進(jìn)前車型的壓力云圖，（b）是改進(jìn)后車型的壓力云圖。從圖5可以看出，改進(jìn)后的車內(nèi)壓強(qiáng)更接近于車外標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

2.2 對(duì)比分析

本文所設(shè)計(jì)的腔體參照An等提出的方法，但做出了一定的變化。圖6為兩種不同腔體以及原始模型的聲壓級(jí)頻域?qū)Ρ葓D。從圖6可以看出，在風(fēng)振噪聲方面，本文所采取的腔體產(chǎn)生的風(fēng)振聲壓級(jí)在104 dB，而An等采用的腔體的風(fēng)振聲壓級(jí)在105 dB；在人耳可聽頻域內(nèi)，本文所使用腔體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)大部分比An等采用的腔體聲壓級(jí)低1～3 dB。由此可以看出，本文所采用的腔體比An等采用的腔體有了一定的改進(jìn)。

3 結(jié)論

本文用大渦數(shù)值模擬算法對(duì)某汽車模型進(jìn)行了氣動(dòng)噪聲的計(jì)算，得出了原始車型風(fēng)振發(fā)生在13 Hz，噪聲聲壓峰值達(dá)到了110 dB。然后對(duì)汽車天窗進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的天窗風(fēng)振噪聲的聲壓級(jí)峰值降低了6 dB。并且比較兩者的壓力云圖也可以看出，改進(jìn)后的車內(nèi)外壓強(qiáng)差要小于原始車型。并且通過與An等采用的腔體的對(duì)比，本文使用的腔體有進(jìn)一步的改進(jìn)。

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