某SUV A柱棱線位置對車內風噪性能的影響*

徐鵬 劉海軍，2 宋佰高 徐旭 李明亞 楊超

（1.長城汽車股份有限公司，河北省汽車工程技術研究中心；2.河北大學建筑工程學院）

汽車在高速行駛的過程中，氣流流過車身表面突出物、車身不同部件之間的縫隙、凹凸不平處均會引起氣流分離，并產生湍流壓力脈動作用于車身表面，成為外部主要氣動噪聲源。車速超過100 km/h 后，氣動噪聲便成為影響駕乘人員舒適性的主要因素。因此，汽車的氣動噪聲逐漸成為世界各汽車強國共同關注的熱點問題，也是制約中國汽車發(fā)展的瓶頸問題之一。國內外對氣動噪聲的研究多數關注后視鏡和A 柱的氣動噪聲外流場的分布規(guī)律，少數人研究了后視鏡的氣動噪聲對車內噪聲的貢獻，至今未見A 柱參數變化對車內噪聲影響的文獻。文章采用PowerFLOW 和PowerACOUSTICS 相結合的方法，研究了A 柱參數設計對車外流場的分布和車內乘客頭部空間的風噪貢獻量之間的變化規(guī)律。

1 國內外對氣動噪聲的研究

國外對氣動噪聲的研究方面，英國科學家Lighthill將流體的連續(xù)性方程和運動方程聯立導出了聲音的基本方程，將復雜的聲學問題分為聲場和流場問題，這就是著名的聲類比的思想[1-2]。Lighthill 聲學方程不能求解靜止物體邊界對聲音的影響，Curle 對Lighthill 聲學方程進行修正，給出了Curle 聲學方程[3]。Ffowcs Williams和Hawkings 將Curle 方程又進一步推廣到流體中運動物體的工況，得出更符合實際的氣動聲學方程（FW-H方程）[3-4]。汽車外部流體在車身表面產生湍流和湍流壁面壓力脈動，結合計算流體動力學和振動聲學仿真策略，可以預測其傳遞到車內的噪聲，并且對湍流噪聲及湍流壁面壓力脈動產生噪聲的重要性進行評估[5]。

國內學者對氣動噪聲的研究要晚于西方國家，從試驗和仿真兩方面進行研究，汽車外部造型決定整車的流體動力和氣動噪聲，在研發(fā)階段汽車的A 柱、前擋風玻璃、進氣柵、車頂篷、側窗、天窗、車輪、底盤、門把手和后視鏡均是汽車氣動噪聲的重點關注部位[6-10]。文獻[11]對外后視鏡氣動噪聲的影響進行了研究。文獻[12-13]利用全尺寸聲學風洞和螺旋形聲陣列對汽車的氣動噪聲進行研究，得到后視鏡對車內駕乘人員的影響較大。后視鏡是汽車高速行駛中對車內噪聲貢獻較大的外凸物，通過合理控制后視鏡的結構可以改善車外流場分布，進而改善車內的噪聲水平[14]。文獻[15]采用仿真的方法針對某SUV 外后視鏡對車內聲場的響應進行了研究，得出外后視鏡的導流筋和雨水槽在一定程度上起到抑制聲源的作用，進而改善了車內駕乘人員的舒適性。試驗研究是氣動噪聲研究的一種方法，而隨著計算流體力學的發(fā)展，數值仿真方法在氣動噪聲研究中也逐漸起到一定作用，文獻[15]采用渦聲理的方法對A 柱氣動噪聲的外流場進行數值仿真研究，通過優(yōu)化車外流場減小噪聲對車內駕乘人員的影響。

2 數值計算方法

2.1 模型及計算域

圖1 示出數值計算使用的風洞。風洞入口為速度入口，風速為140 km/h；風洞出口為大氣壓力出口；車身表面為壁面邊界條件；地板設置速度矢量來模擬地面相對車輛的運動，大小與風速一致；汽車車輪設置表面旋轉；流體介質為空氣，體積質量為1.18 kg/m3。

圖1 整車與計算域模型

某SUV 的A 柱幾何模型，如圖2 所示。整車A 柱棱線以A 柱與前風擋相交面為原點。將棱線位置為12，18，24，30 mm 分別定為方案Ⅰ～方案Ⅳ。

圖2 某SUV A 柱棱線位置幾何模型

2.2 數值方法

CFD 計算流場數據的結果精確度決定著聲學軟件計算聲場數據的精確度，為得到準確的流場數據，采用的網格數超過9 000 萬個，計算流場物理量時，玻爾茲曼質量守恒方程、能量守恒方程和動量守恒方程均采用二階迎風格式離散，運用PESIO 算法。

運用PowerFLOW 軟件對流場進行計算，流場計算結束后使用聲學仿真軟件PowerACOUSTICS 對車內駕駛員左耳的聲場進行計算。圖3 示出試驗數據與數值仿真結果的對比曲線，數值仿真與試驗結果吻合較好，說明本數值計算方法在研究氣動聲學問題中的可行、正確與可靠。該方法保證了計算結果的準確性，可在汽車研發(fā)前期為造型設計部提供技術支持。

圖3 車內駕駛員左耳處聲場數值仿真與試驗對比

3 計算結果及分析

運用PowerACOUSTICS，將PowerFLOW 計算得到的流場數據通過前風擋和左前側窗，計算車內駕駛員外耳聲場。4 種方案均采用相同的計算條件（邊界條件和初始條件），對以速度140 km/h 行駛的汽車進行計算，并分析結果。

3.1 流場分析

汽車在高速行駛過程中，氣體與汽車產生劇烈的相互作用，A 柱、A 柱與前風擋以及A 柱與后視鏡區(qū)域是氣流變化劇烈的區(qū)域，形成較強的湍流區(qū)，同時也是產生車外部聲源較強的區(qū)域。

A 柱的流線圖，如圖4 所示，方案II 的A 柱上氣流分離較少。方案II 的棱線位置讓氣流更順暢流過A 柱而減弱分離，進而改善了經前風擋流過A 柱的氣流。

圖4 某SUV A 柱流線圖

圖5 示出A 柱湍動能云圖，方案II 的湍動能最小，棱線的位置減小了氣流經過A 柱后產生的壓力脈動程度，改善了A 柱產生聲源的強度，降低了車外部聲源的強度。

圖5 某SUV A 柱湍動能云圖

側窗上壓力脈動，如圖6 所示，4 種方案的湍流強度隨著頻率的增大逐漸減小，由湍流產生的噪聲源能量主要集中在2 000 Hz 以下，這是寬頻氣動噪聲的特點。方案II 的壓力脈動強度要弱于其它方案，棱線的位置減小了經A 柱分離產生的分離氣流聚集而成的A柱的拖拽渦對側窗產生的壓力脈動的影響。

圖6 某SUV 側窗湍流壓力云圖

前風擋上湍流，如圖7 所示，產生的脈動聲源隨著頻率的變化規(guī)律與側窗一致。整個頻段內，4 種方案的湍流強度差別不大，方案II 是中間水平。A 柱棱線對流經前風擋的氣流的流態(tài)影響較小。

圖7 某SUV 前風擋上湍流壓力云圖

3.2 外聲場分析

汽車高速行駛過程中，經A 柱的氣流分離，產生了分離渦，渦破碎生成了氣動噪聲源，由聲源產生的聲波經空氣介質傳播至側窗和前風擋上，進而經過側窗和前風擋傳播至車內，影響駕乘人員的舒適性。

氣流經A 柱分離產生脫落渦，渦的破碎產生的聲源在側窗上分布，如圖8 所示，聲音的能量隨著頻率的增大逐漸降低，聲音能量也主要集中在2 000 Hz 以下。在500～5 000 Hz 范圍內，方案II 在側窗上靠近后視鏡和A 柱區(qū)域的聲音能量均小于其它方案。A 柱棱線位置改善了經A 柱產生的氣動噪聲源聲場分布，降低了經側窗傳遞至車內的聲源強度。

圖8 某SUV 側窗上聲壓云圖

圖9 示出前風擋上聲壓云圖，4 種方案的聲源強度差別不大。方案II 的聲源強度是中間水平。A 柱棱線位置對氣流經前風擋產生的氣動聲場的分布影響較小。

圖9 某SUV 前風擋上聲壓云圖

3.3 內聲場分析

汽車高速行駛的過程中，車外部由A 柱產生的氣動聲源經側窗和前風擋傳至車內，影響車內駕乘人員區(qū)域聲場的分布。通過優(yōu)化棱線的位置可以對車內駕乘人員區(qū)域聲場分布進行控制，進而提高駕乘人員的舒適性。

圖10 示出車外噪聲源經左前側窗傳至車內駕駛員外耳的頻譜曲線，250 Hz 以上車內聲場能量隨著頻率的增大逐漸減小。4 種方案的頻譜曲線在250 Hz 左右有一個“鼓包”，該處“鼓包”是由于采用A 計權所致，隨著頻率的增大，曲線逐漸下降，但在3 200 Hz 左右又出現一個“鼓包”，該處“鼓包”是由于玻璃自身屬性（吻合效應）所致。在100～500 Hz，方案I 和II 的能量差別不大，但小于其它2 種方案，在500 Hz 以上方案II 的能量均小于其它方案。方案II 的聲壓級比方案IV 降低了2.5 dB，響度減小了3.4 sone，語言清晰度（AI）提高11.8%，方案II 優(yōu)化了車內聲場分布，提高了車內的聲品質，改善了駕乘人員的舒適性。

圖10 車外噪聲經側窗對駕駛員外耳響應頻譜曲線

圖11 示出車外噪聲源經前風擋傳至車內駕駛員外耳的頻譜曲線，車內聲場能量隨著頻率變化的規(guī)律同側窗一致。方案II 比方案III 的車內聲場能量增加了約0.6 dB，響度增大了0.5 sone，語言清晰度（AI）降低了0.8%，A 柱棱線位置對噪聲經前風擋傳遞至車內駕乘人員的響應影響較小。

圖11 車外噪聲經前風擋對駕駛員外耳響應頻譜曲線

圖12 示出駕駛員外耳頻譜曲線圖，該曲線是由噪聲經前風擋和側窗對車內駕駛員外耳響應共同作用的結果，500 Hz 以下方案I 和II 的車內聲場能量差別不大，但均小于其它2 種方案，500 Hz 以上方案I 聲場能量小于其它3 種方案。方案II 在整個頻段內總聲壓級降低了約1.8 dB，響度減小了2.9 sone，語言清晰度（AI）提高9.5%。通過對A 柱棱線位置的優(yōu)化控制，優(yōu)化了車內聲場的分布，提高了整車的聲品質，改善了駕乘人員的舒適性，對車內駕乘人員區(qū)域的聲場起到良好的降噪作用。

圖12 駕駛員外耳總聲壓頻譜曲線

4 結論

采用聲場和流場相互結合的方法對A 柱的壓條和原狀態(tài)進行仿真計算，得出：

1）運用基于統計能量法的聲學仿真軟件Power ACOUSTIC 對PowerFLOW 計算的流場進行車內聲場計算，將試驗和仿真結果進行對比，變化趨勢吻合較好，驗證了該仿真方法的可靠性，可以為車型研發(fā)前期提供技術支持；

2）A 柱壓條增大了經A 柱分離后產生A 柱拖拽渦的壓力脈動對側窗的影響，湍流壓力脈動主要集中在2 000 Hz 以下，湍流壓力脈動隨頻率的增大衰減較快；

3）A 柱壓條對前風擋的氣流進行合理梳理，降低A 柱與前風擋區(qū)域的氣動聲源，改善經前風擋傳遞至車內的聲場分布，提高了車內的聲品質。

4）在2 000 Hz 以下時壓條對車內駕駛員外耳區(qū)域的聲場影響較小，在2 000 Hz 以上時影響較大，該頻段是影響聲品質的主要頻段，故壓條可以提高車內總的聲品質。