汽車風振噪聲機理研究

賈志龍

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

汽車在高速行駛的過程中，打開車窗會使進入車內(nèi)的氣流出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，形成壓力大小不一的氣團。它們之間相互摩擦和擠壓碰撞，造成空氣噪聲，嚴重影響到乘客的舒適度和駕駛的安全性。根據(jù)實驗可得知車輛正常行駛速度時風振噪聲產(chǎn)生的頻率范圍為15～65 Hz，嚴重超速時會更高，容易對人耳泛音區(qū)域產(chǎn)生共振。當風振噪聲的強度達到150 dB以上時，會產(chǎn)生低頻共振的嗡嗡聲，此時不僅嚴重地影響車內(nèi)人員交流的清晰度，而且長時間處于風振噪聲的環(huán)境對人的大腦會出現(xiàn)眩暈狀態(tài)[1]。

湖南大學的肖朕毅、谷正氣教授曾系統(tǒng)地闡述了風振噪聲的產(chǎn)生機理和風振噪聲對乘客的影響，同時對風振噪聲的控制方法提出了建設(shè)性的意見。給研究風振噪聲領(lǐng)域指明了研究方向[2]。

上海交通大學的黃磊繼續(xù)對汽車天窗引起的風振噪聲深入研究。通過研究汽車上部氣流的變化，針對氣團的消除，設(shè)計了兩種控制方法，即安裝網(wǎng)狀擋風條和減小天窗玻璃開口面積。并著重探討了網(wǎng)狀擋風條對風噪的影響，在實際測試中也得到了良好的降噪效果。

研究汽車的車身整體結(jié)構(gòu)對風噪的影響，對于降低風噪影響的效果更為重要。這需要對車體結(jié)構(gòu)進行理論計算。在分析問題初期需要通過數(shù)值仿真技術(shù)計算汽車各個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對氣流的影響，并且通過實驗驗證提出的觀點。數(shù)值計算所需投入的時間較少和資金成本較低，可以提供實驗無法提供的空氣流場的瞬態(tài)特性、壓力梯度和湍動強度。可以分析和揭示一些實驗無法了解的復雜問題和現(xiàn)象。

1 車廂模型的建立

本方案以轎車實際尺寸參數(shù)模型為研究對象，利用CATIA軟件進行繪制三維模型，方便對后續(xù)流體動力學的研究。由于汽車駕駛員的存在是必要因素而不能簡化，所以在汽車模型中加入駕駛員簡易模型。同時對影響流體湍動的其他必要構(gòu)件進行保留。

例如A柱、B柱、C柱，兩側(cè)后視鏡、前后排頭枕，汽車座椅。通過把實際車身尺寸三維數(shù)字化和精確化，并且設(shè)置打開左前車窗和左后車窗，車窗最大程度還原真實流場的變化情況。同時考慮流動的空氣與汽車車廂接觸的部分，其他未與氣流進行交換的汽車零件進行刪減和簡化處理。

最后得到的整車簡化模型及車廂內(nèi)部模型如圖1和圖2所示。

圖1 整車簡化模型

圖2 車廂內(nèi)部模型

2 邊界條件設(shè)置和數(shù)值求解

本計算域邊界條件的設(shè)置如表1所示。風速為30 m/s，風進入汽車箱體內(nèi)湍動能為0.5%，有效直徑為10.285 7。風出口的壓力為101 325 Pa，后車窗湍動能以實際經(jīng)驗取5%，有效直徑與前面進口相同。

稍有不同的是計算域地板設(shè)置為移動壁面，這是因為汽車在實際行駛時地面并不存在附面層，為消除地面效應(yīng)對汽車外部氣體流動的影響，由文獻[3]可知，采用本文的設(shè)置是可行的[3]。

表1 邊界條件的設(shè)置

3 模擬結(jié)果及其分析

通過Fluent軟件數(shù)值仿真計算得到汽車前后車窗開啟時氣流流入車廂的運動狀態(tài)。通過氣流的壓力梯度和湍動強度比較分析，得出車內(nèi)外風振噪聲的原因。

圖3 左前窗開啟時的水平截面瞬態(tài)壓力云圖

通過圖3所示，左前窗開啟時，氣流從車身外側(cè)到車廂內(nèi)部壓力梯度顯示為實線區(qū)域1（壓力范圍為-234～-300 Pa）、虛線區(qū)域 2（壓力范圍為 -102～-201 Pa）、短虛線區(qū)域 3（壓力范圍為 -36～-102 Pa）[4]。說明壓力以梯度形式進入車廂內(nèi)，只是在人體頸部周圍引起了紊流，內(nèi)部空間壓力梯度線會呈現(xiàn)波浪狀態(tài)，并沒有較大的氣團發(fā)生摩擦碰撞。主要是因為A柱和后視鏡組成外形復雜結(jié)構(gòu)。氣流在此處會發(fā)生大的氣流分離現(xiàn)象，且由于后視鏡的存在，導致后視鏡前部產(chǎn)生高壓。后部產(chǎn)生大小不一的氣團明顯造成壓力分布不均，車身外側(cè)氣團形成較為強烈，車廂內(nèi)部空間范圍相對較大，氣團不易產(chǎn)生，氣流不能有效進入車廂內(nèi)部。風振噪聲在左前車窗外部強烈，內(nèi)部較小。

圖4 左右窗開啟時的水平截面瞬態(tài)壓力云圖

通過圖4所示，左后窗開啟時，空氣大量流入車內(nèi)箱體，壓力云圖顯示空氣形成氣團，壓力分布不均勻。車廂內(nèi)部主要產(chǎn)生4個氣團，一個是由于前部頭枕的干擾形成的氣團；一個是后車窗壓力得到釋放形成的氣團；一個是后部頭枕前形成壓力梯度變化較大的氣團；最后一個是在頭枕與后擋風玻璃形成波及范圍最大的氣團[5]。正是這4個比較大的氣團運動、相互摩擦和擠壓，是車廂內(nèi)風振噪聲的主要原因。4個區(qū)域周而復始地產(chǎn)生氣團造成了高強度、低頻率的噪聲，需要對這4個區(qū)域的相應(yīng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計以便實現(xiàn)降噪效果。

圖5 左前窗開啟時的湍動能云圖

通過圖5所示，前車窗開啟，流體經(jīng)過A柱和后視鏡結(jié)構(gòu)造成流體擾動較大，并且在車窗內(nèi)氣壓低的前提下，車身外側(cè)的空氣也形成4個湍流強度大的氣團，這是車外噪聲最大的引起因素。4個氣團依次交錯，相互摩擦產(chǎn)生噪聲[6]。

圖6 左后窗開啟時的湍動能云圖

通過圖5和圖6相比較，雖然圖5中氣流擾動范圍較大，但從圖6中看出后窗開啟時產(chǎn)生一個湍動強度較大氣團。高湍動能的氣團，所以開啟后窗時會產(chǎn)生較大的風振噪聲。在后排頭枕處形成渦動氣團，渦動能量達到最大，車內(nèi)噪聲主要源于此處。

通過圖5和圖6車身外側(cè)氣流變化發(fā)現(xiàn)，當左前車窗開啟時，車身外側(cè)氣流波動面積和波浪程度都比開啟左后車窗的程度變化較大。主要是由于左前車窗部位的特殊結(jié)構(gòu)引起了空間氣壓變化較大，導致氣流橫向的擴張速度較快，變化大。

4 結(jié)論

通過上述數(shù)值分析可以得出以下結(jié)論：

a）車外最大的風振噪聲來源于A柱和后視鏡形成復雜結(jié)構(gòu)對氣流造成較大的擾動。

b）車內(nèi)最大的風振噪聲來源于后窗開啟時后排頭枕間形成湍動較大區(qū)域。

c）前車窗開啟比后車窗開啟對氣流的影響較大。車身外部的氣流形成波浪幅度較大，容易在車身外形成風振影響。

上述研究和結(jié)論為深入研究風振噪聲提供了有效的技術(shù)手段，有助于研究空氣在前后車窗開啟時氣流運動的軌跡和速度、轉(zhuǎn)角等隨空間與時間的變化，以及流體穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的運動情況，從而為基于降噪效果的車身優(yōu)化設(shè)計提供了理論參考。