汽車后視鏡氣動噪聲優(yōu)化研究*

姜 豪，賴萬虎，張思文，董國旭，賈文宇，龐 劍

（1.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 401120； 2.長安汽車工程研究總院，重慶 401120）

前言

當(dāng)前，整車NVH開發(fā)已不再僅僅滿足于降低車內(nèi)噪聲，更多地關(guān)注車內(nèi)聲品質(zhì)。氣動噪聲作為汽車高速行駛時的主要噪聲源，嚴(yán)重影響車內(nèi)乘員的乘坐舒適性［1］。隨著NVH技術(shù)的不斷發(fā)展，路噪、發(fā)動機(jī)噪聲和進(jìn)排氣噪聲得到有效控制，從而車輛高速行駛時，風(fēng)噪問題不斷凸顯，因此車內(nèi)風(fēng)噪問題是當(dāng)前影響車內(nèi)聲品質(zhì)的主要因素。汽車的A柱、外后視鏡為風(fēng)噪的主要氣動噪聲源，其造型和幾何特征對氣動噪聲的影響較大，因此，通過對外后視鏡造型的不斷優(yōu)化，整車車內(nèi)風(fēng)噪品質(zhì)能得到有效改善。高速氣流在車身表面不斷分離引起的復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu)是氣動噪聲產(chǎn)生的主要原因。車身外后視鏡會改變車外流場，而且目前較多車輛配置有環(huán)視影像鏡頭，使后視鏡附近流場更加復(fù)雜。近年來，隨著數(shù)值計算技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車氣動噪聲數(shù)值仿真優(yōu)化成為研究熱點。

國內(nèi)學(xué)者通過改變后視鏡造型對氣動噪聲進(jìn)行了大量優(yōu)化設(shè)計研究。楊萬里等［2］采用 LES和Lighthill-Curle聲類比方法，對后視鏡采用了取消凹槽、增加后視鏡與A柱之間的距離和減小后視鏡迎風(fēng)面積等優(yōu)化措施，后視鏡背面監(jiān)測點聲壓級顯著降低。劉海軍等［3］采用Star-CCM＋與ACTRAN相結(jié)合的方法，設(shè)計了3種后視鏡方案，結(jié)果表明方案3后視鏡減小了后視鏡通過側(cè)窗傳播到車內(nèi)的噪聲，優(yōu)化了車內(nèi)聲場分布。范偉軍等［4］采用分離渦模擬與計算氣動聲學(xué)相結(jié)合的方法，研究了非光滑表面后視鏡的氣動噪聲，結(jié)果表明存在側(cè)風(fēng)時，背風(fēng)側(cè)非光滑表面降噪效果較好。郭思媛等［5］采用Lighthill-Curle聲類比和試驗方法研究了環(huán)視影像鏡頭對后視鏡氣動噪聲的影響，結(jié)果表明帶鏡頭方案車內(nèi)聲壓級高于原方案，語言清晰度低于原方案。

國外學(xué)者對后視鏡氣動噪聲影響因素也進(jìn)行了大量研究。Chen等［6］采用試驗方法，在試驗臺架上單獨研究了兩款后視鏡在不同風(fēng)速下的壓力場與聲場的變化規(guī)律，結(jié)果表明后視鏡尾部流動區(qū)域的聲壓級最大，GMT360后視鏡在1 kHz以下的聲壓級較GMX320大10～15 dB。SEA方法大量應(yīng)用于后視鏡氣動噪聲優(yōu)化。Peng［7］采用SEA方法，通過改變車身表面負(fù)荷加載方式，提高了車內(nèi)噪聲的預(yù)測精度，更好地預(yù)測了后視鏡造型改變對1 kHz以下車內(nèi)噪聲的影響。Lepley等［8］運用CFD與SEA相結(jié)合的方法對后視鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，試驗驗證結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好，表明該方法能在造型初期對后視鏡造型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。Shorter等［9］對某簡化的后視鏡模型進(jìn)行了車內(nèi)聲壓的預(yù)測，結(jié)果表明車外聲場對車內(nèi)聲壓的貢獻(xiàn)較湍流邊界層大30 dB，且采用波數(shù)分析法能清晰辨別對流波數(shù)與聲壓波數(shù)的能量分布。Kato［10］采用新的數(shù)值模擬方法，改變后視鏡局部造型，對后視鏡近場區(qū)域的聲場進(jìn)行了對比研究。Ono等［11］采用聲類比法預(yù)測了后視鏡與A柱的氣動噪聲，并對后視鏡造型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，模擬和試驗結(jié)果均表明后視鏡氣動噪聲改善明顯。

目前，數(shù)值模擬技術(shù)已能為整車風(fēng)噪聲學(xué)結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供指導(dǎo)性意見，而較少文章僅通過車身外流場優(yōu)化解決氣動噪聲問題。本文中通過對車身外流場的數(shù)值模擬，對某車型氣動噪聲進(jìn)行了優(yōu)化，最后采用主觀評價與道路風(fēng)噪測試方法進(jìn)行優(yōu)化方案的效果驗證。

1 模型與數(shù)值計算方法

通過主觀評價，某車型后視鏡區(qū)域存在“呼呼呼”氣動噪聲問題，嚴(yán)重影響車內(nèi)乘員舒適性。因此，本文中首先采用數(shù)值模擬對該后視鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，它具有時間短和成本低的優(yōu)勢，再根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行道路試驗實車驗證。

一些文獻(xiàn)［12-14］中對柱體模型的氣動噪聲進(jìn)行了研究，其表面輻射的平均聲壓為

式中：ρ為空氣密度；c為聲速；M為流動馬赫數(shù)；L為柱體長度；D為柱體直徑；LC為表面壓力脈動的展向相關(guān)長度；St為斯特勞哈爾數(shù)；CL為升力系數(shù)；r為監(jiān)測點到柱體表面距離；Dr（φr）為聲輻射方向函數(shù)。

從式（1）可以看出，當(dāng)直徑D減小時，柱體輻射噪聲減弱。對于汽車車外流場而言，后視鏡鏡臂可簡化為柱體模型，汽車后視鏡鏡臂厚度類比于柱體直徑，從而為后視鏡氣動噪聲優(yōu)化提供了方向。本文中借鑒該思路減薄后視鏡鏡臂厚度，從而優(yōu)化后視鏡氣動噪聲。后視鏡幾何模型如圖1所示，方案1為原狀態(tài)后視鏡，方案2在方案1基礎(chǔ)上減薄鏡臂。

圖1 后視鏡幾何模型

數(shù)值風(fēng)洞計算模型的長、寬、高分別為車身的12倍、16倍、8倍，以降低壁面對模擬結(jié)果的影響。計算模型如圖2所示，其中X，Y，Z坐標(biāo)分別為汽車橫向、縱向和垂直方向，且Y＝0坐標(biāo)位于車頭起點位置。

圖2 整車數(shù)值模擬計算模型

本文中采用定常模擬對車身表面渦系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用非定常模擬對側(cè)窗表面聲壓進(jìn)行分析。為準(zhǔn)確有效地捕捉側(cè)窗表面區(qū)域聲壓波動，節(jié)約計算資源與時間，非定常計算采用分離渦湍流模型（DES）。后視鏡與側(cè)窗表面區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，最小網(wǎng)格單元尺寸為2 mm。計算邊界條件如表1所示。

表1 數(shù)值計算邊界條件

2 定常數(shù)值模擬結(jié)果

本文中對車外流場進(jìn)行定常計算，通過對車外流場結(jié)構(gòu)變化的對比分析，判斷后視鏡結(jié)構(gòu)的氣動噪聲優(yōu)化效果。渦流是流體間相互摩擦、產(chǎn)生車外氣動噪聲的來源，圖3對后視鏡與A柱區(qū)域分離渦采用總壓為0的等值面進(jìn)行顯示。從圖中可以看出，兩個后視鏡方案分離渦均附著于側(cè)窗表面，該分離渦是后視鏡氣動噪聲產(chǎn)生的主要原因。方案1后視鏡區(qū)域的分離渦尺寸為672 mm，較方案2的608 mm大，方案1分離區(qū)明顯較長，渦流運動至B柱區(qū)域。兩方案的A柱區(qū)域分離渦尺寸均較后視鏡小，表明此區(qū)域的氣動噪聲水平均較低。

圖3 后視鏡與A柱區(qū)域總壓為0等值面

為進(jìn)一步了解后視鏡區(qū)域流場細(xì)節(jié)，本文中選取通過后視鏡Z＝0.9 m的XY平面進(jìn)行流場分析，如圖4所示。從圖中可以看出，后視鏡區(qū)域存在較大低速區(qū)，產(chǎn)生了流體旋轉(zhuǎn)運動方向相反的渦對。方案1后視鏡后方氣流流向側(cè)窗表面，方案2后視鏡渦對遠(yuǎn)離側(cè)窗表面，氣流直接流向后視鏡后方區(qū)域，因此，側(cè)窗表面氣流湍流度得到極大的削弱，外流場的氣動噪聲源強(qiáng)度降低。

圖4 后視鏡區(qū)域流場圖（Z＝0.9 m）

圖5 后視鏡后方流場細(xì)節(jié)圖

為進(jìn)一步分析兩種方案的氣動噪聲水平，對后視鏡后方 Y為1.15、1.3、1.45、1.6和1.75 m位置處的橫截面進(jìn)行了流場細(xì)節(jié)分析，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，車外氣動噪聲的主要噪聲源為A柱渦系和后視鏡渦系，渦系位于側(cè)窗表面、外后視鏡后方和車門外板外側(cè)3處位置。后視鏡后方區(qū)域存在低速區(qū)，該區(qū)域產(chǎn)生了復(fù)雜的渦系結(jié)構(gòu)，與上述分析結(jié)論保持一致。A柱渦系尺寸沿流向逐漸增大，特別是Y＝1.15～1.45 m位置處渦系結(jié)構(gòu)。對比方案1與方案2相同位置處，方案2的A柱渦系尺寸更小，聲源的氣動噪聲更小，有利于改善車內(nèi)噪聲，表明改變后視鏡造型也能影響A柱區(qū)域氣流流場分布。對外后視鏡后方區(qū)域而言，后視鏡尾部渦系以渦對結(jié)構(gòu)形式沿流向不斷發(fā)展，且低速區(qū)域逐漸減小，該區(qū)域流場結(jié)構(gòu)較A柱區(qū)域復(fù)雜。渦系分布越靠近后視鏡區(qū)域越復(fù)雜，流場變化越劇烈。方案1后視鏡渦系結(jié)構(gòu)尺寸在Y＝1.75 m位置處減小，渦流強(qiáng)度減弱，而方案2后視鏡渦系尺寸在Y＝1.45 m位置處開始減小，渦系能量開始耗散，該耗散位置較方案1提前，說明方案2后視鏡聲源的氣動噪聲能量更小。對比兩種方案的流場結(jié)構(gòu)，方案2后視鏡渦系離側(cè)窗表面的距離較方案1大，未緊貼側(cè)窗表面，氣動噪聲源遠(yuǎn)離側(cè)窗表面，對改善車內(nèi)噪聲有利。Y＝1.75 m時，方案2車門外板位置處渦系結(jié)構(gòu)由渦對變?yōu)閱我粶u系，說明后視鏡造型可改變該處流場結(jié)構(gòu)。

3 非定常數(shù)值模擬結(jié)果

本文中對車外流場進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬研究，通過側(cè)窗表面聲壓頻譜與聲壓云圖的對比分析，判斷后視鏡結(jié)構(gòu)的氣動噪聲優(yōu)化效果。側(cè)窗表面共選取了8個監(jiān)測點，分別為 L1-1、L1-2、L1-3、L1-4、L2-1、L2-2、L2-3和 L2-4，用以監(jiān)測各區(qū)域的聲壓變化，如圖6所示。

圖6 側(cè)窗表面聲壓監(jiān)測點

為驗證數(shù)值計算的可靠性，數(shù)值模擬結(jié)果與聲學(xué)風(fēng)洞測試結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，側(cè)窗表面氣動噪聲具有較寬的頻率范圍，屬于寬頻帶噪聲，聲壓能量主要集中在1 kHz以內(nèi)，隨著頻率的升高而逐漸降低。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果在2 kHz以內(nèi)頻段吻合較好，證明了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。受限于計算資源與時間，網(wǎng)格加密區(qū)最小尺寸僅為2 mm，故高頻區(qū)域的數(shù)值模擬結(jié)果存在誤差，低于試驗數(shù)據(jù)。

圖7 側(cè)窗表面聲壓測試結(jié)果與方案1模擬結(jié)果頻譜對比

側(cè)窗表面監(jiān)測點總聲壓級結(jié)果如表2所示，除L1-2、L1-3和L2-1 3個點外，其它監(jiān)測點的測試值與模擬值之間差異在3 dB之內(nèi)，相對誤差不超過3%。由于L1-2、L1-3和L2-1 3點位于A柱分離區(qū)域，該區(qū)域流場渦系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，湍流模型未能較好捕捉到該處的流場結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果誤差較大。

高速行駛時，方案1后視鏡產(chǎn)生了“呼呼呼”氣動噪聲問題。本文中對該后視鏡鏡臂和殼體進(jìn)行了方案2的優(yōu)化，由于側(cè)窗表面的壓力波動幅值在一定程度上反映了氣動噪聲源的強(qiáng)度，圖8展示了優(yōu)化前后側(cè)窗表面再附著區(qū)域監(jiān)測點L2-4、L2-3、L1-4和L2-4點壓力的時間歷程。從圖中可以看出，該區(qū)域為負(fù)壓區(qū)域，且方案2的壓力波動幅值較小，說明該方案的氣動噪聲源強(qiáng)度降低，氣動噪聲得到改善。

表2 側(cè)窗表面聲壓模擬結(jié)果與試驗結(jié)果

圖8 方案1與方案2壓力波動值對比

各監(jiān)測點數(shù)值計算1／3倍頻程頻譜對比結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，方案2后視鏡聲壓級在不同頻帶均有不同程度的降低，表明后視鏡與A柱區(qū)域氣動噪聲源能量明顯減弱。

優(yōu)化前后監(jiān)測點聲壓級的模擬結(jié)果對比如表3所示。從表中可以看出，除L1-3點外，其他監(jiān)測點的聲壓級均有不同程度的降低，平均降低2.95 dB左右，表明方案2優(yōu)化狀態(tài)后視鏡的氣動噪聲源得到明顯改善。

表3 方案1與方案2監(jiān)測點聲壓級模擬結(jié)果 dB

主駕側(cè)窗表面1／3倍頻程聲壓級分布云圖如圖10所示，選取的中心頻率分別為0.5，1，2和4 kHz。由表可見，方案2部分側(cè)窗區(qū)域的聲壓級幅值降低，側(cè)窗表面氣動噪聲源能量極大降低，與監(jiān)測點計算分析結(jié)論保持一致，如表3所示。外后視鏡附近區(qū)域聲壓級幅值較高，為側(cè)窗表面區(qū)域主要噪聲源，A柱區(qū)域聲壓級幅值沿流向變大，這是由于A柱區(qū)域渦流尺寸沿流向逐漸增大，湍流能量逐漸增大，如圖5所示。側(cè)窗靠近B柱區(qū)域為再附著區(qū)，其聲壓級幅值要小于A柱與后視鏡區(qū)域，這是由于A柱與后視鏡區(qū)域的氣流到達(dá)再附著區(qū)時湍流能量已部分耗散。

圖10 主駕側(cè)窗表面聲壓級分布云圖（左圖為方案1，右圖為方案2）

主觀評價表明，優(yōu)化后的后視鏡“呼呼呼”氣動噪聲現(xiàn)象消失，車內(nèi)氣動噪聲明顯改善。后視鏡優(yōu)化前后的車內(nèi)噪聲采用道路試驗進(jìn)行了測試驗證，傳聲器布置于駕駛員左耳處，該處靠近側(cè)窗，測試結(jié)果能更好反映車外氣動噪聲源的改善頻段，試驗結(jié)果如圖11所示。從測試數(shù)據(jù)可看出，各頻率段車內(nèi)噪聲明顯改善。

圖11 后視鏡優(yōu)化前后車內(nèi)噪聲道路測試數(shù)據(jù)

道路測試結(jié)果如表4所示，經(jīng)優(yōu)化后視鏡的車內(nèi)噪聲聲壓級降低0.6 dB（A），語言清晰度改善2.8%，改善效果明顯。

表4 車內(nèi)噪聲道路測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文中采用車身外流場數(shù)值模擬方法，基于流場結(jié)構(gòu)與側(cè)窗表面聲壓的對比分析，對后視鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低了側(cè)窗表面氣動噪聲源強(qiáng)度。道路測試表明，車內(nèi)噪聲明顯降低，氣動噪聲問題消失，驗證了基于外流場計算的氣動噪聲快速優(yōu)化方法的可行性，主要結(jié)論如下。

（1）定常數(shù)值模擬的流場結(jié)構(gòu)表明，側(cè)窗表面區(qū)域渦系結(jié)構(gòu)為車外氣動噪聲源，主要由A柱與外后視鏡產(chǎn)生；后視鏡后方為低速區(qū)域，優(yōu)化后，后視鏡的渦系結(jié)構(gòu)尺寸減小，渦系結(jié)構(gòu)離側(cè)窗表面距離增大，氣動噪聲源強(qiáng)度明顯降低。

（2）非定常數(shù)值模擬的聲壓計算結(jié)果表明，側(cè)窗表面區(qū)域監(jiān)測點模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，證明了數(shù)值模擬技術(shù)的可靠性。后視鏡進(jìn)行優(yōu)化后，側(cè)窗表面聲壓明顯降低，與道路測試結(jié)果一致。

（3）該研究結(jié)果表明，基于車外流場計算的氣動噪聲快速優(yōu)化方法可用于造型初期后視鏡氣動噪聲優(yōu)化與后期氣動噪聲的改善。該方法能顯著節(jié)約車型開發(fā)時間與成本，對外后視鏡造型優(yōu)化和氣動噪聲控制具有一定的指導(dǎo)意義。