汽車后側(cè)窗風(fēng)振問題的研究

吳海波周江彬陳蒨劉功文乾超群（.上海大眾汽車有限公司，上海0805；.上海翼銳汽車科技有限公司，上海0805）

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汽車后側(cè)窗風(fēng)振問題的研究

吳海波1周江彬1陳蒨1劉功文1乾超群2
（1.上海大眾汽車有限公司，上海201805；2.上海翼銳汽車科技有限公司，上海201805）

【摘要】通過與風(fēng)洞試驗(yàn)對比并考慮乘客艙內(nèi)部壁面的屈服、吸收及泄漏特性，建立了一套數(shù)值計(jì)算方法，將不同速度下數(shù)值計(jì)算得到的風(fēng)振噪聲最大聲壓級及其發(fā)生頻率與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。基于計(jì)算模型，分析了汽車后側(cè)窗風(fēng)振現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因及其影響因素，并進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化效果較好，能有效縮短開發(fā)周期并降低后期實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)成本。

主題詞:后側(cè)窗振動(dòng)噪聲數(shù)值計(jì)算聲壓級頻率風(fēng)洞試驗(yàn)

1　前言

當(dāng)汽車在開啟天窗或某扇側(cè)窗情況下行駛時(shí)，會(huì)在一定速度下產(chǎn)生風(fēng)振現(xiàn)象[1]。不同車型產(chǎn)生風(fēng)振現(xiàn)象的車速也不完全相同，通常發(fā)生在60～70 km/h[2]。汽車風(fēng)振主要包括天窗風(fēng)振和側(cè)窗風(fēng)振兩種。天窗風(fēng)振在汽車風(fēng)振中研究最早也最成熟，市場上很多汽車已經(jīng)開始選擇使用擾流板或改變天窗開度等措施來改善天窗風(fēng)振。而汽車側(cè)窗風(fēng)振的研究卻由于其流場的復(fù)雜、造型的約束及容易增加外型噪聲等問題一直停滯不前。在側(cè)窗風(fēng)振問題中，后側(cè)窗由于遠(yuǎn)離后視鏡和A柱等造型，其風(fēng)振現(xiàn)象較前側(cè)窗更為嚴(yán)重[3]，且至今還未出現(xiàn)一種公認(rèn)的、有效的優(yōu)化措施。

本文基于準(zhǔn)確的數(shù)值模型和合理的假設(shè)對某轎車后側(cè)窗風(fēng)振現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上分析了后側(cè)窗風(fēng)振現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因及影響因素，并采用兩種不同的優(yōu)化手段進(jìn)行了優(yōu)化。

2　風(fēng)振理論概述

汽車風(fēng)振可以被認(rèn)為是一種亥姆霍茲共振，同時(shí)也可以理解成一種單自由度的質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)[4]。打開一扇窗的汽車腔體可以看作是一個(gè)共振腔。汽車在行駛過程中，腔體內(nèi)、外的氣流會(huì)在開口處形成速度差，導(dǎo)致腔體內(nèi)、外氣流發(fā)生剪切，當(dāng)腔體內(nèi)、外速度差達(dá)到臨界值后，剪切層開始不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致剪切渦的形成。剪切渦從開口前緣產(chǎn)生并隨著氣流向開口后緣流動(dòng)，當(dāng)撞擊到開口后緣后，剪切渦會(huì)破碎并向四周釋放一個(gè)壓力波，使得腔體內(nèi)壓強(qiáng)降低并作用到開口前緣導(dǎo)致另一個(gè)剪切渦的產(chǎn)生[5]。這種周期性的剪切渦形成及破碎現(xiàn)象有一個(gè)固定的頻率，稱為脫落頻率，其估算公式如下[6]：

式中，U和h分別為來流速度和開口間距；n為開口間存在的剪切渦個(gè)數(shù)。

當(dāng)剪切渦的脫落頻率與汽車腔體的固有頻率一致時(shí)，會(huì)導(dǎo)致汽車共振。汽車腔體固有頻率的估算可以根據(jù)赫爾姆霍茲共振腔的頻率計(jì)算公式得到[1]：

式中，c為聲速；A、V和L分別為開口面積、腔體體積及開口高度。

汽車開口高度L一般根據(jù)L=l+δL進(jìn)行修正，其中，l為開口外表面和內(nèi)飾之間的厚度，

3　數(shù)值計(jì)算

本次數(shù)值計(jì)算采用基于格子波爾茲曼算法的Pow?er Flow軟件，計(jì)算域入口設(shè)置在車前10個(gè)車長處，出口距離車尾約16個(gè)車長，兩側(cè)距離車身15個(gè)車寬，整車計(jì)算偏航角為0。幾何模型處理及面網(wǎng)格的劃分選擇CAE前處理軟件ANSA。后側(cè)窗尺寸約為780×400 mm，后側(cè)窗最大開度下玻璃高度約為150 mm，如圖1所示。

圖1　后側(cè)窗最大開度下窗戶尺寸

面網(wǎng)格的加密區(qū)主要集中在A柱、后視鏡及后側(cè)窗開口周圍，面網(wǎng)格總數(shù)為750萬（圖2a）。體網(wǎng)格的劃分根據(jù)流場情況采用不同尺寸，在做后側(cè)窗風(fēng)振計(jì)算時(shí)要保證由后視鏡及A柱產(chǎn)生的尾渦區(qū)域都包含在高網(wǎng)格分辨率的區(qū)域（圖2b），以捕捉微小的流場信息。最小體網(wǎng)格尺寸為1.5 mm，而汽車腔體體積約為2.4 m3，體網(wǎng)格總數(shù)約為2 300萬。

為了更好的貼合轎車的自然狀態(tài)及試驗(yàn)環(huán)境，在數(shù)值計(jì)算中必須要考慮以下3個(gè)方面：

a.屈服。汽車腔體不可能是剛體，在其受壓過程中，體積會(huì)有一定程度的增加，導(dǎo)致固有頻率變小，同時(shí)壁面屈服會(huì)吸收一部分能量，使最后得到的最大聲壓級降低。

b.吸收。由于車身內(nèi)飾材料的存在，總有一部分聲波會(huì)被吸收掉，通過設(shè)置一定面積的不反射壁面增加車內(nèi)能量的吸收，從而可以較精確擬合聲的衰減特性。

圖2　面網(wǎng)格和體網(wǎng)格

c.泄漏。由于汽車制造水平的局限，每輛車都會(huì)存在一些微小孔隙，這些孔隙使得腔體壓力變化過程中腔體內(nèi)、外氣流存在一定的質(zhì)量交換，這部分質(zhì)量交換會(huì)降低共振。

4　風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)振試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具整車氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中完成，試驗(yàn)設(shè)置與數(shù)值計(jì)算的設(shè)置保持一致。該試驗(yàn)主要分成兩部分，第一部分是聲學(xué)邊界條件測試，包括整車在后側(cè)窗最大開度狀態(tài)下內(nèi)部腔體的固有頻率和品質(zhì)因子。固有頻率是物體的固有屬性，其大小與初始條件無關(guān)，僅與系統(tǒng)的固有特性有關(guān)；品質(zhì)因子表示空腔內(nèi)聲波脈動(dòng)的總能量與由于輻射或壁面吸收等原因造成的能量損失之間的比值，與腔體內(nèi)部的聲阻抗有關(guān)。第二部分是不同風(fēng)速下對后側(cè)窗最大開度的汽車進(jìn)行掃掠，找出各速度下的最大聲壓級及其發(fā)生頻率。

在聲學(xué)邊界條件試驗(yàn)中，固有頻率測試采用共振激勵(lì)的方法，首先在車內(nèi)播放一段白噪聲，待車內(nèi)聲場達(dá)到穩(wěn)定，通過傳聲器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄車內(nèi)聲信號，截取揚(yáng)聲器發(fā)聲的時(shí)間段信號并通過快速傅立葉變換獲得頻譜，在頻譜上找到共振頻率，該共振頻率即為其固有頻率。品質(zhì)因子的測試需要在車內(nèi)不同位置布置3個(gè)傳聲器，其中1個(gè)位于聲源（揚(yáng)聲器）附近作為參考點(diǎn)，另外兩個(gè)放置在汽車腔體內(nèi)遠(yuǎn)離聲源處，一般取駕駛員左、右耳處。通過采集10 s穩(wěn)定的白噪聲信號，分別求出駕駛員左、右耳與參考點(diǎn)之間聲音的傳遞函數(shù)，通過各自的傳遞函數(shù)分別求出品質(zhì)因子并平均得到最后的品質(zhì)因子。聲學(xué)邊界條件測得的固有頻率會(huì)直接作為數(shù)值計(jì)算的輸入，品質(zhì)因子用來確定數(shù)值計(jì)算中不放射壁面的面積。不放射壁面一般放置在汽車腔體內(nèi)不影響流場的地方，并通過給定一個(gè)速度為0的邊界條件來擬合實(shí)際狀態(tài)下由于輻射、吸收和摩擦等引起的聲能量損失。

掃掠試驗(yàn)通過在汽車腔體內(nèi)布置傳聲器記錄不同工況下的聲信號，通過傅立葉變換將時(shí)域的聲信號轉(zhuǎn)換成頻域信號，并記錄最大聲壓級及其發(fā)生頻率。通過比較90 km/h車速時(shí)不同位置傳聲器記錄的結(jié)果（圖3）發(fā)現(xiàn)，汽車腔體內(nèi)各位置取得的最大聲壓級和頻率基本一致。因此本文統(tǒng)一采用駕駛員左耳來對結(jié)果進(jìn)行分析說明。表1列出了不同車速下駕駛員左耳處測得的最大聲壓級及其發(fā)生頻率。

圖3　90 km/h時(shí)車內(nèi)不同位置聲壓級曲線

表1風(fēng)振掃掠試驗(yàn)結(jié)果

5　計(jì)算結(jié)果及分析

不同于天窗，側(cè)窗開口外的氣流會(huì)受到后視鏡尾流和A柱繞流的影響，導(dǎo)致外部氣流紊亂，而且越靠近開口的上、下緣越紊亂，但在開口上、下緣之間的一段區(qū)域氣流會(huì)比較平穩(wěn)（圖4），有文獻(xiàn)[4]表明這部分氣流與腔體內(nèi)部氣流的剪切作用是共振產(chǎn)生的主要原因。

圖5表示在后側(cè)窗最大開度、速度90 km/h情況下A柱中段水平切面壓力等值線。從圖5中可以看出，在側(cè)窗開口區(qū)域存在密集的壓力梯度，靠近B柱的開口區(qū)域有一個(gè)很明顯的大渦，渦的旋轉(zhuǎn)軸心平行于開口前緣，通過記錄瞬態(tài)流場變化可以清楚看到該渦的產(chǎn)生、發(fā)展及破碎過程，這種周期性的現(xiàn)象符合文獻(xiàn)[7]中對剪切渦產(chǎn)生機(jī)理及發(fā)展過程的描述。

圖4　汽車側(cè)窗附近渦流分布

圖5　A柱中段水平切面壓力等值線圖

在數(shù)值計(jì)算過程中，采集駕駛員左耳處壓力值作為后續(xù)分析和評判乘客艙內(nèi)部聲壓級水平的標(biāo)準(zhǔn)，采集時(shí)間為1.5 s，記錄間隔為4.76×10-5s。圖6代表后側(cè)窗最大開度、速度90 km/h情況下計(jì)算得到的駕駛員左耳處壓力波動(dòng)情況，從中可以看出，在該工況下，壓力波動(dòng)幅值為100 Pa，且不會(huì)隨計(jì)算時(shí)間的增加而衰減，這種汽車腔體內(nèi)持續(xù)的壓力波動(dòng)現(xiàn)象代表風(fēng)振的發(fā)生。100 Pa的波動(dòng)幅值表示該工況下的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換成聲壓級如圖7所示。將數(shù)值計(jì)算得到的聲壓級曲線與試驗(yàn)獲得的聲壓級曲線進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，在最大聲壓級處兩者匹配很好，雖然在50～70 Hz處存在較大誤差，但并不影響數(shù)值計(jì)算整體的準(zhǔn)確性。

圖6　90 km/h下駕駛員左耳處壓力波動(dòng)

圖8和圖9分別為后側(cè)窗最大開度、不同速度情況下駕駛員左耳處最大聲壓級及其發(fā)生頻率的計(jì)算與試驗(yàn)對比結(jié)果。從圖中可以看出，車速50～110 km/h都屬于其風(fēng)振速度區(qū)間內(nèi)；當(dāng)車速達(dá)到50 km/h時(shí)，風(fēng)振現(xiàn)象開始出現(xiàn)，最大聲壓級對應(yīng)的頻率也達(dá)到最低點(diǎn)；隨著車速增加，風(fēng)振現(xiàn)象越來越明顯，最大聲壓級越來越高，當(dāng)車速達(dá)到90 km/h時(shí)，最大聲壓級達(dá)到峰值128.67 dB，之后隨車速增加，最大聲壓級開始下降。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)振速度區(qū)間內(nèi)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果在最大聲壓級及其發(fā)生頻率上吻合很好，但在車速較小時(shí)會(huì)存在一定誤差，最大誤差為5 dB。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，誤差主要源于此次計(jì)算采取了固定面積的不反射壁面來計(jì)算不同車速下車內(nèi)的能量損失。實(shí)際上在車速較低時(shí)，由于沒有風(fēng)振產(chǎn)生或風(fēng)振較弱，相應(yīng)的由于屈服造成的能量損失也會(huì)降低，導(dǎo)致在低速區(qū)域計(jì)算得到的結(jié)果會(huì)小于試驗(yàn)值。試驗(yàn)結(jié)果中采用的頻率間隔為0.7 Hz，而在計(jì)算中最小只能使用1 Hz，因此會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)和計(jì)算在頻率上存在誤差。通過兩者對比發(fā)現(xiàn)，最大誤差僅1.1 Hz，且發(fā)生在100 km/h處，對于其他速度，頻率誤差都在1 Hz以內(nèi)。

圖7　90 km/h下試驗(yàn)與仿真聲壓級曲線對比

圖8　不同速度下的最大聲壓級曲線

圖9　不同速度下最大聲壓級發(fā)生頻率

6　優(yōu)化方向探索

傳統(tǒng)的風(fēng)振優(yōu)化手段主要分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制[8]兩種。主動(dòng)控制是指通過一些主動(dòng)發(fā)聲設(shè)備來減弱風(fēng)振噪聲，由于其成本過高，一般只能應(yīng)用于一些高檔車型。被動(dòng)控制能有效控制成本，但其設(shè)計(jì)難度大且易導(dǎo)致額外的外型噪聲。關(guān)于汽車風(fēng)振，尤其是后側(cè)窗風(fēng)振的優(yōu)化，國內(nèi)研究較少，國外有文獻(xiàn)[9]指出，通過額外開孔或在窗戶中間加設(shè)一條立柱有助于減緩側(cè)窗風(fēng)振，本文結(jié)合該觀點(diǎn)，分析研究了風(fēng)振現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理并進(jìn)行了優(yōu)化。

后側(cè)窗玻璃處于最大開度狀態(tài)和去掉玻璃兩種工況的聲壓級對比計(jì)算結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出，在90 km/h速度下，兩種工況得到的最大聲壓級基本相同，說明增加后側(cè)窗靠近下緣部分的開口面積對風(fēng)振強(qiáng)度無影響，而主要原因是由于后側(cè)窗開口靠近下緣部分處于后視鏡尾流區(qū)內(nèi)，該區(qū)域無法形成剪切渦的周期性脫落現(xiàn)象。同時(shí)也說明剪切層的形成及剪切渦的周期性脫落現(xiàn)象是風(fēng)振現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因，介于A柱和后視鏡尾流之間的區(qū)域才是影響側(cè)窗風(fēng)振發(fā)生的重要因素。

圖10　去掉后側(cè)窗玻璃的聲壓級曲線對比

如圖11所示，為了減小A柱和后視鏡尾流之間的區(qū)域，將后視鏡支架上方的開口封住。封住支架上方開口后聲壓級曲線對比結(jié)果如圖12所示，可知最大聲壓級由原來的128.22 dB降為123.93 dB，說明減小A柱和后視鏡尾流之間的區(qū)域能有效改善側(cè)窗風(fēng)振。文獻(xiàn)[10]中通過試驗(yàn)驗(yàn)證了采取類似措施后后側(cè)窗風(fēng)振減小4 dB，與本文計(jì)算結(jié)果非常接近。

圖11　封住支架上方開口的后視鏡

根據(jù)頻率計(jì)算公式（1）和公式（2）可知，在其他尺寸不變的情況下，增大開口在流動(dòng)方向上的間距能減小渦的脫落頻率，同時(shí)增大汽車的固有頻率可減弱兩個(gè)頻率之間的共振強(qiáng)度，降低風(fēng)振噪聲。如圖13和圖14所示，通過將開口后緣后移140 mm，最大聲壓級由128.22 dB降為121.15 dB，同時(shí)共振頻率由15.98 Hz降為13.98 Hz。

圖12　封住支架上方開口前、后聲壓級曲線對比

圖13　后側(cè)窗開口后緣后移

圖14　后側(cè)窗開口后緣后?移140 mm前、后聲壓級曲線對比

7　結(jié)束語

a.通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，并對兩者存在誤差的地方進(jìn)行了分析。

b.在數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)上分析了產(chǎn)生汽車后側(cè)窗風(fēng)振現(xiàn)象的原因及影響風(fēng)振強(qiáng)度的重要因素，同時(shí)對該款轎車后側(cè)窗風(fēng)振現(xiàn)象進(jìn)行了優(yōu)化。提出通過減小A柱和后視鏡尾流之間的區(qū)域大小改變共振強(qiáng)度等手段減小風(fēng)振強(qiáng)度，并通過計(jì)算分析驗(yàn)證了其可行性。

本文并未對后側(cè)窗風(fēng)振問題的優(yōu)化提出可行性分析且缺乏試驗(yàn)論證，后續(xù)需要進(jìn)一步研究分析。

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（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2016年2月1日。

A Study on Rear Window Wind Vibration of a Sedan

Wu Haibo1,Zhou Jiangbin1,Chen Qian1,Liu Gongwen1,Qian Chaoqun2
（1.Shanghai Volkswagen Automotive Co.,Ltd,Shanghai 201805;2.Yirui Automobile Technology Co.,Ltd, Shanghai 201805,China）

【Abstract】In this paper,a numerical computation method is established against wind tunnel test and with fully consideration of absorption,compliance,and leakage of the passenger compartment interior wall.And then,by comparing the calculated maximum sound pressure level and its frequency at different velocity with the wind tunnel test results,the simulation methodology is validated.After that,the main cause and its influence factor of the rear side window vibration are analyzed based on the computation model,and the optimization is conducted,which can shorten development cycle and reduce vehicle wind tunnel cost effectively.

Key words:Rear side window,Vibration noise,Numerical calculation,Sound pressure level, Frequency,Wind tunnel test

中圖分類號:U461.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號:1000-3703（2016）03-0009-05