車身A 柱棱線位置對車內(nèi)風(fēng)噪性能影響的探討

覃炳露

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

汽車行駛的過程中，氣流經(jīng)過車身的不同位置會產(chǎn)生氣體壓力，這種湍流壓力作用于車身表面，就是汽車運動過程中的噪聲來源。當(dāng)汽車行駛速度過快時，湍流氣體產(chǎn)生的風(fēng)噪會逐漸加大，嚴(yán)重影響駕駛?cè)藛T的舒適性。隨著研究人員對氣動噪聲的進一步研究，發(fā)現(xiàn)車身A 柱棱線位置對車內(nèi)風(fēng)噪性能的影響極大。

1 國內(nèi)外對氣動噪聲研究的現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外研究人員對氣動噪聲的研究比較早，最開始英國人Lighthill 將氣動噪聲分成流場和聲場兩部分進行研究，他運用流體的研究方法分析聲音問題。這種研究思路也可以稱為聲類比思想，即使用流體的方程導(dǎo)出聲音的方程，最后，再根據(jù)聲音的基本方程分析氣動噪聲的影響因素。該聲音研究方程具有局限性，即不能對邊界物體對聲音的影響進行研究，所以后來Curle 對聲類比方法得出的聲音研究基本方程進行了補充，他將靜止物體邊界參數(shù)加入氣動噪聲研究方程中，提高了聲音研究方程的全面性。最后，又有學(xué)者對Curle 的方程進行了完善，使氣動聲學(xué)方程可以研究流體中運動物體的氣動噪聲情況，汽車氣動噪聲應(yīng)用的就是這個方程。汽車氣動噪聲研究需要先分析出氣體作用與車身表面產(chǎn)生的湍流對車外風(fēng)噪的影響，再將車外風(fēng)噪的研究情況與流體動力學(xué)、振動學(xué)、仿真學(xué)等知識相互結(jié)合，分析氣動噪聲對車內(nèi)風(fēng)噪的影響，最后，可以得到湍流脈動與噪聲之間的關(guān)系。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)研究人員對氣動噪聲的研究比較晚，當(dāng)前國內(nèi)主要從試驗和仿真兩個角度研究車身對氣動噪聲的影響。汽車外部車身的構(gòu)造會對氣動噪聲的影響極大，汽車車身的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致外邊流體動力不同，流體動力不同則在車身外表面產(chǎn)生的湍流不同，湍流會對車身造成壓力，最后產(chǎn)生不同程度的車外聲噪。國內(nèi)研究人員對車身的A 柱棱線、擋風(fēng)玻璃、進氣口、車頂流線、車窗、車底盤、輪胎、車門及后視鏡與氣動噪聲之間的關(guān)系均有研究，其中陳鑫、馮曉等人研究了汽車后視鏡與氣動噪聲之間的關(guān)系；賀銀芝、王毅剛、董郭旭等人研究風(fēng)洞和聲陣列與氣動噪聲之間的關(guān)系；譚炳恒、徐鵬等人研究SUV車型A 柱棱線與氣動噪聲之間的關(guān)系，并提出了具體的優(yōu)化措施；姜光、王連會等人使用外部設(shè)備模擬仿真車輛的行駛過程，分析其氣動噪聲受那些因素影響；除此之外，國內(nèi)還有很多氣動噪聲研究人員使用仿真法研究車輛流場和聲場與氣動噪聲之間的關(guān)系，并計算出車外氣動噪聲與車內(nèi)風(fēng)噪的影響，仿真數(shù)值研究方法是國內(nèi)研究車身A柱棱線位置對車內(nèi)風(fēng)噪性能影響的主要方法。

2 車身A 柱棱線位置車內(nèi)風(fēng)噪數(shù)值計算方法

2.1 模型及計算域

數(shù)值計算方法首先需要對車輛風(fēng)洞的信息進行計算，如風(fēng)洞入口速度值、風(fēng)洞出口大氣壓值、汽車車身表面邊界條件、地板速度矢量、汽車輪胎旋轉(zhuǎn)速度、空氣介質(zhì)的體積質(zhì)量等參數(shù)。本文設(shè)置風(fēng)洞入口速度為140km/h，結(jié)合底板速度矢量分析車輛的相對運動情況，底板速度矢量設(shè)置同樣設(shè)置為140km/h，空氣流體的體積質(zhì)量為1.18kg/m3。車輛的A 柱棱線幾何模型為A 柱與擋風(fēng)玻璃的相交面，本文將A 柱棱線設(shè)置成不同參數(shù)，分別測試12、18、24、30mmA 柱棱線對車內(nèi)風(fēng)噪性能的影響。

2.2 數(shù)值方法

數(shù)值計算方法中，需要保證流場數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，然后，通過數(shù)據(jù)計算才能保障聲學(xué)軟件計算出來的風(fēng)噪性能結(jié)果準(zhǔn)確，車身A 柱棱線位置的流場與車內(nèi)風(fēng)噪性能結(jié)果具有直接關(guān)系。CFD 流場數(shù)值計算方法需要使用上千萬個網(wǎng)格，然后，通過PESIO 算法與二階迎風(fēng)格式離散計算出質(zhì)量、能量與動量守恒方程的流場物理量，最后，可以得到車身A 柱棱線位置對車內(nèi)風(fēng)噪數(shù)值的計算結(jié)果。本文使用PowerFLOW 軟件計算流場的各物理量參數(shù)、使用PowerACOUSTICS 軟件計算聲場的各物理量參數(shù)，其中，車輛內(nèi)部駕駛員耳朵附近的聲場計算結(jié)果是整個研究過程中的重要測量參數(shù)，駕駛員左耳附近的聲場可以直接體現(xiàn)出車身A 柱棱線位置對車內(nèi)風(fēng)噪性能的影響。本文計算出車身A柱棱線位置車內(nèi)風(fēng)噪流場和聲場的數(shù)值后，再使用仿真法計算出仿真數(shù)據(jù)與風(fēng)噪試驗數(shù)值相互比對，判斷該數(shù)值計算方法是否準(zhǔn)確。如果車輛試驗測得的流場和聲場數(shù)值與仿真結(jié)果相近，則該計算方法比較準(zhǔn)確，可以使用該數(shù)值計算方法測試車身A柱棱線位置對車內(nèi)風(fēng)噪性能的影響。

3 車身A 柱棱線位置車內(nèi)風(fēng)噪數(shù)值計算結(jié)果及分析

3.1 流場分析

車輛行駛過程中，氣流會在車身外表面相互作用產(chǎn)生湍流，而車身A 柱棱線是湍流劇烈變化的區(qū)域之一。車身A 柱棱線的位置在擋風(fēng)玻璃與駕駛室窗戶的相交位置，該位置附近都是湍流變化劇烈的區(qū)域，車輛行駛的速度越高，車身A柱棱線附近湍流就越強，同時，其變化也越劇烈，產(chǎn)生的氣動噪聲也越強。車輛高速行駛的過程中，駕駛員會受到氣動噪聲的影響，所以本文研究車身A 柱棱線位置對車內(nèi)風(fēng)噪性能的影響，要先分析A 柱棱線位置附近的流場。車輛氣動噪聲研究人員對車身A 柱棱線位置附近的流場進行分析，可以得到不同位置的A 柱棱線附近的流場，其中，當(dāng)車身A 柱棱線位置為18mm時，A 柱棱線上的氣流分離少，所以18mm 位置的車身A 柱棱線最優(yōu)。車身A 柱棱線位置的功能就是減少氣流的分離，當(dāng)車身A 柱棱線位置對氣流的分離最少時，其風(fēng)噪性能最佳。其次，則是查看車身A 柱棱線位置附近的湍流動能大小，湍流動能越大，在車身外表面產(chǎn)生的氣動噪聲越大，最終傳遞到車內(nèi)的風(fēng)噪就越大。所以，當(dāng)車身A 柱棱線位置的湍流動能最小時，其產(chǎn)生的啟動噪聲越小，最終車內(nèi)風(fēng)噪性能就越優(yōu)秀，本次試驗中18mm 位置的車身A 柱棱線湍流動能最小。車輛側(cè)窗上方的壓力脈動同樣是流場參數(shù)數(shù)據(jù)中的重要部分，壓力脈動越強車身風(fēng)噪頻率就越高，車內(nèi)風(fēng)噪就越大。所以，當(dāng)車輛壓力脈動最小時，其車內(nèi)風(fēng)噪性能最好。車身A 柱棱線位置對車輛擋風(fēng)玻璃也有一定影響，但是，不同A 柱棱線位置下前擋風(fēng)玻璃的壓力脈動對車內(nèi)風(fēng)噪影響不大。

3.2 外聲場分析

車輛行駛過程中，氣流會經(jīng)過車身A 柱棱線產(chǎn)生渦流，氣流的分離渦破碎則是產(chǎn)生氣動噪聲的原因之一。氣動噪聲的聲源產(chǎn)生噪聲，以聲波的形式通過車輛駕駛室玻璃與前擋風(fēng)玻璃傳遞到車輛內(nèi)部，最終對駕駛與乘坐人員產(chǎn)生噪聲污染。車輛高速行駛時，內(nèi)部的駕駛?cè)藛T和乘客人員會受到不同程度的噪聲影響，速度越大，產(chǎn)生的噪聲就越大，車輛內(nèi)部人員的舒適性就越低。當(dāng)外界氣流經(jīng)過車身A 柱棱線位置時會產(chǎn)生脫落渦流，該渦流破碎后，噪聲源頭會產(chǎn)生在車輛側(cè)方車窗玻璃上，噪聲的頻率越高其存在的能量就越低，一般車輛行駛過程中產(chǎn)生的噪聲頻率都不到2000 赫茲。車身A柱棱線位置為18mm時，附近的外部聲場中蘊含的能量要小于其他位置，其中車身A 柱棱線位置為30mm時外聲場中聲音的能量最大，其次是車身A 柱棱線位置為24 和12mm時，但是，無論是12mm、24mm，還是30mm 位置的車身A 柱棱線的外聲場聲音能量都要大于18mm。車輛行駛過程中，車身A柱棱線位置附近外聲場聲音能量越大，聲源強度就越高，最終向車身內(nèi)部傳遞的噪聲就越大。所以車身A 柱棱線位置外聲場聲音能量最小時，車內(nèi)風(fēng)噪性能就好。

3.3 內(nèi)聲場分析

車輛行駛過程中，氣流會經(jīng)過車身A 柱棱線產(chǎn)生渦流噪聲源，該聲源經(jīng)過玻璃將噪聲傳遞到車身內(nèi)，車內(nèi)會產(chǎn)生聲場。其中車內(nèi)聲場分布情況不同會對車內(nèi)人員造成不同程度的影響，車內(nèi)聲場中聲音能量越高，車內(nèi)人員受到噪聲的影響就越大，車內(nèi)風(fēng)噪性能就越低。車身A 柱棱線位置為18mm時，車內(nèi)產(chǎn)生的聲場中聲音能量最小。當(dāng)內(nèi)聲場中噪聲頻率在100 ～500Hz時，18mm 位置的車聲A 柱棱線內(nèi)聲場產(chǎn)生的聲壓等級要比30mm 位置的車聲A 柱棱線小2.5dB、響度等級小3.4sone，而且車內(nèi)正常交流語言的清晰度可以提高將近20%；18mm 位置的車聲A 柱棱線內(nèi)聲場產(chǎn)生的聲壓等級要比24mm 位置的車聲A 柱棱線小0.6dB、響度等級小0.5sone，而且車內(nèi)正常交流語言的清晰度可以提高將近2%。當(dāng)內(nèi)聲場中噪聲頻率一般在500Hz 以上時，18mm 位置的車身A 柱棱線內(nèi)聲場產(chǎn)生的聲壓等級要總聲壓級小1.8dB、響度等級小2.9sone，而且車內(nèi)正常交流語言的清晰度可以提高將近10%。所以18mm 位置的車身A 柱棱線的車內(nèi)風(fēng)噪性能最佳，該A 柱棱線位置的車內(nèi)降噪效果最好。

4 結(jié)語

綜上所述，車輛行駛速度越高，車身A 柱棱線位置產(chǎn)生的湍流越強，其流場、外聲場、內(nèi)聲場中聲音能量越高，最終車內(nèi)噪音越大，車內(nèi)風(fēng)噪性能越差。當(dāng)車輛行駛速度為140km/h時，車身A 柱棱線位置為18mm時，車內(nèi)風(fēng)噪性能最強，車內(nèi)降噪效果最好。