基于CFD和聲學(xué)風(fēng)洞的某SUV整車氣動(dòng)噪聲性能提升

黃 勇，黃祚華，姚 璐，王小碧，翁文同

（東風(fēng)汽車公司 技術(shù)中心，武漢 430058）

當(dāng)動(dòng)力總成和路面激勵(lì)噪聲得到有效控制時(shí)，在高速行駛工況下，風(fēng)激勵(lì)引起的車內(nèi)噪聲問(wèn)題便凸顯出來(lái)，客戶對(duì)氣動(dòng)噪聲問(wèn)題的抱怨率逐年上升。研究表明：車速超過(guò)90 km/h時(shí)，車內(nèi)氣動(dòng)噪聲開(kāi)始出現(xiàn)；車速超過(guò)120 km/h時(shí)，氣動(dòng)噪聲貢獻(xiàn)60%以上；車速超過(guò)140 km/h時(shí)，氣動(dòng)噪聲貢獻(xiàn)80%以上。近年來(lái)，整車氣動(dòng)噪聲的開(kāi)發(fā)逐漸成為各主機(jī)廠的研究熱點(diǎn)。聲學(xué)風(fēng)洞測(cè)試能夠排除動(dòng)力總成和路面的影響，結(jié)果可靠，重復(fù)性好，是分析氣動(dòng)噪聲的最常用的方法之一。

1978年，豐田公司的WATANABE等[1]在風(fēng)洞試驗(yàn)室對(duì)整車的外形氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)分析。1999年，康奈爾大學(xué)的GEORGE教授對(duì)整車的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行較全面的介紹，詳細(xì)闡述了其產(chǎn)生機(jī)理和控制方法，并提出了初略的預(yù)測(cè)方法[2]。同年，日產(chǎn)汽車的LIDA對(duì)風(fēng)洞的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了詳盡描述，從氣動(dòng)噪聲的客觀測(cè)量到主觀評(píng)價(jià)，系統(tǒng)地介紹了氣動(dòng)噪聲的評(píng)價(jià)方法[3]。早期的氣動(dòng)噪聲控制方法主要體現(xiàn)在測(cè)試與經(jīng)驗(yàn)估算上。隨著計(jì)算技術(shù)和氣動(dòng)聲學(xué)理論的發(fā)展，近年來(lái)，利用仿真計(jì)算進(jìn)行車內(nèi)氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)成為新的研究方法。

某自主品牌SUV車型在上市后，客戶對(duì)高速行駛的氣動(dòng)噪聲一直有抱怨，為了補(bǔ)齊新款產(chǎn)品的短板，提升其品質(zhì)，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和數(shù)據(jù)測(cè)試，充分掌握了上一代車型客戶的抱怨點(diǎn)和產(chǎn)品性能的薄弱點(diǎn)，在開(kāi)發(fā)新款車型時(shí) ，對(duì)關(guān)鍵局部造型進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)提升和改進(jìn)了車身隔音、密封等關(guān)鍵部位，并利用聲學(xué)風(fēng)洞進(jìn)行了方案驗(yàn)證。新車型的氣動(dòng)噪聲性能得到明顯提升，大幅降低了客戶抱怨率。

1 整車外形氣動(dòng)噪聲源分析

整車外形氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的根本原因是車身外表的流動(dòng)分離引起的壓力脈動(dòng)。氣流流過(guò)車體表面，因形狀發(fā)生改變，從而產(chǎn)生由流動(dòng)分離、氣流脫體和尾渦引起的周期性壓力脈動(dòng)，導(dǎo)致鈑金振動(dòng)向車內(nèi)輻射噪聲。

1.1 瞬態(tài)外流場(chǎng)計(jì)算基本理論

計(jì)算模型采用格子玻爾茲曼計(jì)算方法，屬于流體力學(xué)非定常的解析方法[4]，時(shí)間步長(zhǎng)短，能夠準(zhǔn)確捕捉渦脫落結(jié)構(gòu)和局部的流動(dòng)特性，詳細(xì)記錄外表面的壓力脈動(dòng)。與傳統(tǒng)的N-S方程不同，格子玻爾茲曼方程為：

式中：f(x,v,t)為粒子在時(shí)間t、速度v時(shí)的概率分布方程；Θ為滿足守恒定律的粒子碰撞算子。流體密度ρ(和速度v均通過(guò)瞬時(shí)總和來(lái)獲得：

利用商業(yè)化軟件PowerFlow 代碼，得到整車外流場(chǎng)，數(shù)值仿真車速為 140 km/h，全細(xì)節(jié)模型如圖1所示，最小網(wǎng)格設(shè)置為0.5 mm，仿真物理時(shí)間為1 s，0°偏航角，格柵設(shè)置為打開(kāi)。整車模型如圖2所示。

圖1 模型細(xì)節(jié)

圖2 整車模型

根據(jù)仿真計(jì)算得到的外部流場(chǎng)如圖 3所示，主要的外部聲源集中在機(jī)罩蓋分縫位置、雨刮、落水槽、A柱、后視鏡、前側(cè)翼、前輪腔體等區(qū)域。計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)判斷基本一致，能夠較為真實(shí)地反映車身外表面的流動(dòng)特性和聲源大致位置[5]，為下一步造型的局部?jī)?yōu)化提供依據(jù)。

圖3 聲源渦量顯示圖

1.2 聲源識(shí)別風(fēng)洞試驗(yàn)

車外聲源識(shí)別在上海同濟(jì)大學(xué)地面交通風(fēng)洞中心進(jìn)行，車速為140 km/h，聲源識(shí)別系統(tǒng)采用德國(guó)某公司的聲源識(shí)別系統(tǒng)，專為風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)計(jì)的拋物線形陣列，尺寸為2 m×2 m，目前所用通道數(shù)為120個(gè)；分析系統(tǒng)基于波束成型技術(shù)的聲源識(shí)別軟件NoiseImage，支持風(fēng)洞漂移量修正。陣列布置在流場(chǎng)外，平行于風(fēng)洞測(cè)試段的軸對(duì)稱線的距離為4.9 m；軸向位置將陣列中心與車身中線位置對(duì)齊。試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度為20～23 ℃，相對(duì)濕度為42%～47%，大氣壓力為102.1～102.4 kPa。本次試驗(yàn)中測(cè)試使用120個(gè)傳聲器通道，采樣率為48 kHz，采樣時(shí)間為4 s。

聲學(xué)風(fēng)洞聲源識(shí)別結(jié)果如圖4所示。車外聲源能量集中體現(xiàn)在前輪罩腔體、風(fēng)窗蓋板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、流水槽、后視鏡等區(qū)域。這些區(qū)域更容易發(fā)生流動(dòng)分離，引起強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)，產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲。

圖4 聲學(xué)風(fēng)洞聲源識(shí)別

2 外形氣動(dòng)噪聲性能提升

根據(jù)數(shù)值仿真與聲學(xué)風(fēng)洞測(cè)試的對(duì)比結(jié)果，更進(jìn)一步確認(rèn)了整車的主要聲源位置，為后續(xù)的造型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了可靠的支撐。

2.1 后視鏡氣動(dòng)噪聲優(yōu)化

后視鏡突出的鈍體結(jié)構(gòu)暴露在氣流沖擊中，其尾部極易發(fā)生流動(dòng)分離，產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)。其產(chǎn)生機(jī)理主要分為兩類：（1）后視鏡支座以及角度導(dǎo)流引起壁面輻射所致的壓力脈動(dòng)聲源，如圖5所示。（2）后視鏡本體氣流分離的湍流噪聲，如圖6所示。

圖5 側(cè)窗壁面壓力

圖6 后視鏡尾渦

基于以上原理分析，以減小后視鏡尾部分離渦大小和采用導(dǎo)流設(shè)計(jì)降低側(cè)窗壓力為原則，提出8項(xiàng)改進(jìn)對(duì)策（表1）。

表1 后視鏡改進(jìn)對(duì)策說(shuō)明

限于篇幅，本文沒(méi)有將所有改進(jìn)方案全部呈現(xiàn)，支座的部分改進(jìn)方案如圖7所示，后視鏡型面的部分改進(jìn)方案如圖8所示。

圖7 后視鏡支架改進(jìn)

圖8 后視鏡型面改進(jìn)

實(shí)施以上8項(xiàng)改進(jìn)對(duì)策后，流場(chǎng)分析結(jié)果如圖9所示，后視鏡尾渦區(qū)域大大減小，并且快速收斂，尾渦遠(yuǎn)離玻璃方向流動(dòng)，減少了壁面的湍流壓力脈動(dòng)，同時(shí)也降低了輻射噪聲。

圖9 后視鏡尾部流場(chǎng)

為了驗(yàn)證改進(jìn)前后的效果，利用聲學(xué)風(fēng)洞進(jìn)行測(cè)試，為了排除側(cè)窗隔音的影響，僅對(duì)比側(cè)窗表面的聲壓。監(jiān)測(cè)點(diǎn)取在后視鏡尾部，如圖10所示。

圖10 側(cè)窗表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)

兩款后視鏡引起的側(cè)窗表面聲壓級(jí)，優(yōu)化后方案在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位置，800 Hz以上聲壓級(jí)降低約10 dB(A)以上，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2位置，寬頻帶聲壓級(jí)約下降了10 dB(A)，如圖11和圖12所示。

圖11 側(cè)窗表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)1聲壓級(jí)

圖12 側(cè)窗表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)2聲壓級(jí)

2.2 A柱氣動(dòng)噪聲優(yōu)化

氣流繞過(guò)A 柱向側(cè)窗流動(dòng)，這部分氣流導(dǎo)致的流動(dòng)分離是造成前排位置風(fēng)激勵(lì)寬頻帶噪聲的主要原因。在流動(dòng)分離的渦流區(qū)，如果壓力梯度較大，也會(huì)造成靠近A柱的車門密封條的氣吸噪聲[6]。利用聲學(xué)風(fēng)洞，對(duì)上一款SUV車型A柱的斷面進(jìn)行了臨時(shí)方案驗(yàn)證，采用油泥填充的方式增大寬度，推遲了該區(qū)域的流動(dòng)分離，如圖13所示，寬度由8 mm（d1）增大到18 mm（d2）。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，增大A柱寬度能夠提升車內(nèi)AI，效果達(dá)2.5%，如圖14所示。

圖13 A柱斷面優(yōu)化

圖14 優(yōu)化結(jié)果

2.3 雨刮氣動(dòng)噪聲優(yōu)化

雨刮作為車身表面的凸起物，氣流在經(jīng)過(guò)雨刮時(shí)，容易發(fā)生分離，形成復(fù)雜的非定常渦，導(dǎo)致汽車前風(fēng)擋位置形成較強(qiáng)的壓力脈動(dòng)，從而產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲[7]。新款開(kāi)發(fā)車型在設(shè)計(jì)前期進(jìn)行了角度和視野的校核，在不影響前方視野的前提下，將發(fā)動(dòng)機(jī)罩后邊緣抬高，雨刮隱藏在機(jī)罩蓋后部，避免了氣流的直接沖擊，減少了雨刮氣動(dòng)噪聲。與老款車型的雨刮布置相比，車內(nèi)AI提升了2%。

圖15 雨刮隱藏式布置

圖16 雨刮貢獻(xiàn)量分析

2.4 風(fēng)窗蓋板區(qū)域氣動(dòng)噪聲優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)前端氣流沿著發(fā)動(dòng)機(jī)罩表面向后流動(dòng)，在機(jī)罩后邊緣發(fā)生分離，然后在風(fēng)窗蓋板區(qū)域形成分離渦，分離渦流經(jīng)過(guò)雨刮，會(huì)再次形成分離渦，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力脈動(dòng)，并通過(guò)前風(fēng)擋向車內(nèi)傳遞。根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，封堵此區(qū)域可以減少A柱、側(cè)窗和后視鏡底座區(qū)域，但是會(huì)增加前風(fēng)擋壓力脈動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。在新款SUV風(fēng)洞測(cè)試中，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了驗(yàn)證，采用油泥填充該空腔，如圖17所示。封堵空腔后，車內(nèi)AI值提升了6%，主要貢獻(xiàn)頻率為2 000～3 000 Hz，最高貢獻(xiàn)噪聲為3 dB(A)，如圖18所示。

圖17 風(fēng)窗蓋板區(qū)域填充

圖18 填充后的結(jié)果

2.5 下車體湍流噪聲優(yōu)化

汽車下車體布置復(fù)雜，由動(dòng)力總成、排氣系統(tǒng)、油箱、懸架等部件組成，既要降噪減阻，又要冷卻散熱。底盤布置不合理，會(huì)引起強(qiáng)烈的湍流，產(chǎn)生中低頻脈動(dòng)噪聲[8-9]。為了驗(yàn)證底部湍流噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)，利用木芯板對(duì)底部護(hù)板進(jìn)行全封堵，如圖19所示。由圖20可知，底部氣流封堵對(duì)車內(nèi)聲壓總值（Overall All，OA）貢獻(xiàn)大，前排OA值貢獻(xiàn)5.5 dB(A)。由于車內(nèi)90%以上的能量都是由下部和前輪腔氣流引起的，所以優(yōu)化底部流場(chǎng)和提升底部隔音是降低車內(nèi)氣動(dòng)噪聲最有效的途徑之一。

圖19 底盤全封堵方案

圖20 車內(nèi)噪聲頻譜

采用臨時(shí)方案試制保險(xiǎn)杠底部氣壩以減少輪腔位置氣流量，從而減少輪腔位置的流動(dòng)分離及此處的壓力脈動(dòng)，最終降低氣動(dòng)噪聲。試驗(yàn)研究表明，增加氣壩對(duì)改善車內(nèi)的低頻噪聲有較好的效果，如圖21和圖22所示。

圖21 增加保險(xiǎn)杠氣壩

圖22 增加氣壩對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)

3 車身隔音和密封提升

3.1 車身密封改進(jìn)

車身密封不良會(huì)引起泄漏噪聲，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)“開(kāi)窗法”識(shí)別出老款車型的主要泄漏位置[10]，貢獻(xiàn)較大的部位主要有：玻璃導(dǎo)槽、后視鏡底座、后視鏡線束穿孔密封、白車身氣密性和車門密封等，需要對(duì)這些部件部位進(jìn)行改善。限于篇幅，這里不作過(guò)多說(shuō)明。重點(diǎn)說(shuō)明玻璃導(dǎo)槽的改進(jìn)，經(jīng)過(guò)風(fēng)洞分析，導(dǎo)槽對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量較大，對(duì)車內(nèi)AI貢獻(xiàn)達(dá)11%，為了在導(dǎo)槽升降耐久、夾持力和密封之間尋求平衡，經(jīng)過(guò)了多輪驗(yàn)證，最終確定平衡優(yōu)化方案，如圖23所示，在導(dǎo)槽的內(nèi)側(cè)增加一個(gè)反向唇邊，經(jīng)過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)的“開(kāi)窗法”驗(yàn)證，對(duì)車內(nèi)AI貢獻(xiàn)量降低為1%以內(nèi)。

圖23 導(dǎo)槽密封提升說(shuō)明

3.2 車身隔音提升

側(cè)窗和底部隔音外部聲源向車內(nèi)傳遞的主要路徑，設(shè)計(jì)前期就將其側(cè)窗玻璃厚度由3.5 mm提升至4 mm，提高了后視鏡、A柱區(qū)域聲源向車內(nèi)的輻射噪聲。同時(shí)，對(duì)地毯隔音墊總成也進(jìn)行了全面提升，相比于老款車型，地毯增加重涂層，面密度提升至2.4 kg/m2，增加了地板的覆蓋面積，減少了鈑金裸露面積。地板隔音性能提升后，底部的聲傳遞函數(shù)降低了3 dB(A)。車身隔音改進(jìn)前后結(jié)果對(duì)比，如圖24所示。

圖24 車身隔音改進(jìn)前后結(jié)果對(duì)比

3.3 車身表面空腔噪聲優(yōu)化

汽車外表面存在很多不連續(xù)的過(guò)渡之處，如圖25所示，外流場(chǎng)經(jīng)過(guò)這些不連續(xù)的空腔位置時(shí)，會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離，產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)，并向車內(nèi)輻射噪聲。空腔噪聲不僅與其深度和寬度有緊密聯(lián)系，還與相對(duì)車身的位置有重要關(guān)系[5]。對(duì)其空腔噪聲發(fā)生機(jī)理，相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)進(jìn)行了較為深入的研究[8]。

圖25 車身不連續(xù)處空腔

圖26 后擾流板間隙

各區(qū)域的貢獻(xiàn)量分析見(jiàn)表2，不同位置的空腔對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)頻段不同，增加分縫密封條是控制車身表面空腔噪聲的主要手段，還未見(jiàn)到從空腔本身形狀來(lái)優(yōu)化此類噪聲的相關(guān)文獻(xiàn)，這也是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。

表2 表面空腔貢獻(xiàn)量分析

圖27 尾門上部空腔密封貢獻(xiàn)

圖28 整車氣動(dòng)噪聲優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

4 風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，驗(yàn)證測(cè)試在聲學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行。風(fēng)速為140 km/h，測(cè)點(diǎn)布置在4個(gè)座椅的外耳位置，同時(shí)在車外布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

基于上述外形氣動(dòng)噪聲的改進(jìn)，相比上一代產(chǎn)品，新款車型車內(nèi)氣動(dòng)噪聲性能得到明顯提升，主觀感受無(wú)泄漏噪聲，車內(nèi)安靜舒適，前后乘員能夠清晰地交談。如圖28所示，在車速為140 km/h的工況下，車內(nèi)AI提升10%，車內(nèi)的整體聲壓級(jí)約降低了1.8 dB(A)，新款產(chǎn)品的整體性能得到明顯提升。

5 結(jié)論

針對(duì)某款全新開(kāi)發(fā)的SUV車型，利用CFD仿真和聲學(xué)風(fēng)洞對(duì)其進(jìn)行整體的氣動(dòng)噪聲性能提升。綜合利用仿真和風(fēng)洞聲源識(shí)別技術(shù)確定了外形氣動(dòng)噪聲聲源，重點(diǎn)對(duì)后視鏡、A柱、雨刮布置、底部等區(qū)域進(jìn)行造型優(yōu)化，在降低外部聲源的同時(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)了車體的隔音性能，降低了外部聲能量向車內(nèi)的傳遞，同時(shí)也優(yōu)化了車體的密封性能，降低了泄漏噪聲。利用開(kāi)窗法對(duì)車身不連續(xù)表面的空腔進(jìn)行了驗(yàn)證，新款車型的車內(nèi)氣動(dòng)噪聲水平得到改進(jìn)。通過(guò)本研究可得出以下結(jié)論：

（1）上車體產(chǎn)生的噪聲主要分布在中高頻，對(duì)車內(nèi)AI影響較大，下車體產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲分布在中低頻，對(duì)車內(nèi)的整體噪聲總值影響較大。

（2）表面空腔引起的氣動(dòng)噪聲頻率特性跟其位置和空腔深度、寬度都有關(guān)系。

（3）利用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法能夠更準(zhǔn)確地確定聲源和改進(jìn)方向。