后視鏡風(fēng)噪外形優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

關(guān)鵬　潘雷　顧彥

摘 要：后視鏡是整車(chē)風(fēng)噪的重要噪聲源之一，其外形直接影響整車(chē)NVH性能。后視鏡外形對(duì)風(fēng)噪的影響按頻率特性可大致分為兩類(lèi)，嘯叫與寬頻噪聲。文章通過(guò)仿真計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分別對(duì)這兩類(lèi)噪聲進(jìn)行了分析與優(yōu)化。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示，優(yōu)化方案可以有效消除嘯叫，對(duì)寬頻噪聲中高頻段也有較明顯的改善。此類(lèi)優(yōu)化方法的原則適用于后視鏡外形早期開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段。關(guān)鍵詞：后視鏡風(fēng)噪;嘯叫;寬頻噪聲中圖分類(lèi)號(hào)：U463.85+6 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）11-113-04

Abstract：?Outside rear mirror?（OSRM） is one of the important sources of vehicle wind noise， and its shape directly affects vehicle NVH performance. The influence of OSRM aero acoustic can be divided into two types according to the frequency characteristics， whistle and broadband noise. In this paper， the two kinds of noise are analyzed and optimized by means of simulation and experiment. The experiment results show that the optimization can effectively eliminate the whistle and improve the broadband noise performance.Keywords： Wind noise of outside rear mirror; Whistle; Broadband noiseCLC NO.： U463.85+6 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）11-113-04

前言

新能源車(chē)的普及以及整車(chē)密封性能的顯著提升，使得風(fēng)噪性能在車(chē)輛高速行駛的過(guò)程中成為影響整車(chē)NVH水平的重要因素。 后視鏡作為整車(chē)外形的主要突出物，且其所處位置為影響風(fēng)噪性能的敏感區(qū)域，所以對(duì)其外形優(yōu)化是改善風(fēng)噪水平的主要手段之一。

后視鏡引起的風(fēng)噪問(wèn)題按照頻率特性主要可以劃分為嘯叫與寬頻噪聲兩類(lèi)，其產(chǎn)生機(jī)理不同，對(duì)計(jì)算優(yōu)化方法的要求也不相同。本文將分別從流致噪聲的機(jī)理，仿真分析及優(yōu)化，風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證等幾個(gè)方面考察后視鏡外形對(duì)于風(fēng)噪性能的影響。通過(guò)對(duì)后視鏡鏡殼，基座外形及落水槽特征的優(yōu)化，達(dá)到抑制寬頻噪聲，消除嘯叫窄頻噪聲的目的。

1 嘯叫

嘯叫是一種窄頻噪聲，其表現(xiàn)為噪聲在中高頻較窄的頻率段聲壓級(jí)明顯高于附近頻段。車(chē)輛在高速行駛的過(guò)程中，后視鏡附近會(huì)出現(xiàn)嘯叫的噪聲源主要可以歸結(jié)為三類(lèi)：安裝基座附近或后視鏡殼體的縫隙，殼體表面氣流分離，功能特征所形成的凹槽類(lèi)腔體（落水槽等）。本文所研究的對(duì)象是后兩類(lèi)外形噪聲源。

1.1 嘯叫產(chǎn)生的機(jī)理

1.1.1 表面氣流分離

表面氣流分離是產(chǎn)生后視鏡嘯叫的主要原因之一，其本質(zhì)是邊界層的轉(zhuǎn)捩[1]。邊界層是流體流經(jīng)物體表面時(shí)，粘性力不可忽略的附面薄層。當(dāng)粘性流體在物體表面出現(xiàn)逆壓梯度時(shí)，氣流分離隨即出現(xiàn)，如圖1所示。此時(shí)分離點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)較為劇烈的壓力脈動(dòng)，當(dāng)壓力脈動(dòng)出現(xiàn)規(guī)律性變化時(shí)，容易產(chǎn)生窄頻噪聲，即嘯叫。

1.1.2 凹槽腔體

凹槽腔體通常作為水管理功能（落水槽）或造型風(fēng)格特征出現(xiàn)。其生成嘯叫的機(jī)理：邊界層氣流在凹槽前緣的幾何不連續(xù)處分離，分離的氣流繼續(xù)向下游流動(dòng)。隨槽寬與槽深的比例不同，氣流會(huì)直接撞擊后緣壁面或凹槽底面，而后反作用于前緣分離的氣流。當(dāng)該過(guò)程的氣流達(dá)到一定強(qiáng)度與相互作用的周期性反饋后，會(huì)在后緣棱邊壓力脈動(dòng)劇烈區(qū)域生成聲源，繼而產(chǎn)生嘯叫[2]，如圖2所示。

1.2 仿真分析與優(yōu)化

后視鏡表面分離與凹槽腔體所產(chǎn)生的嘯叫噪聲通常會(huì)發(fā)生在頻率較高的范圍（>1000HZ），受邊界層模型及計(jì)算資源所限，很難通過(guò)直接的仿真分析將高頻嘯叫噪聲復(fù)現(xiàn)。較為有效且能夠支持工程開(kāi)發(fā)進(jìn)度的方法是通過(guò)仿真計(jì)算確定聲源所在位置，對(duì)主要影響區(qū)域結(jié)合嘯叫生成機(jī)理進(jìn)行優(yōu)化，并最終通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性。

以某車(chē)型為例，該車(chē)后視鏡在高速行駛時(shí)即出現(xiàn)明顯的嘯叫噪聲。為了確定潛在聲源位置，計(jì)算工況為140kph，考察后視鏡上殼體壓力梯度及后視鏡附近流場(chǎng)湍動(dòng)能分布。計(jì)算結(jié)果顯示，從后視鏡上表面的壓力梯度（如圖3）可以看出，壓力變化明顯的區(qū)域?yàn)殓R殼棱線(xiàn)特征與落水槽棱邊。后視鏡下游流場(chǎng)的湍動(dòng)能分布（如圖4）也可看出，棱線(xiàn)特征附近表面氣流分離。

結(jié)合嘯叫產(chǎn)生的機(jī)理，優(yōu)化方案分為兩步：首先將特征棱線(xiàn)光滑過(guò)渡，盡量消除此處的氣流分離，保持貼體流動(dòng)。其次在保留落水槽功能特征的同時(shí)，設(shè)置落水槽前后棱邊的高差，前棱邊高于后棱邊，且后棱邊倒圓（虛線(xiàn)為原方案），如圖5所示。該設(shè)計(jì)可以避免氣流直接沖擊凹槽后壁面，降低氣流強(qiáng)度與后棱邊壓力脈動(dòng)。

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

模型更改后，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，4600Hz頻率附近嘯叫噪聲消除，如圖6所示。

2 寬頻噪聲

后視鏡成為整車(chē)風(fēng)噪的重要影響因素，主要是因?yàn)橐韵聨追矫嬖颍汉笠曠R作為整車(chē)外形的突出物，受到高速氣流的沖擊，本體是聲源;其尾流區(qū)位于側(cè)窗附近，對(duì)側(cè)窗流場(chǎng)影響較大;同時(shí)后視鏡的外形會(huì)影響A柱尾流區(qū)對(duì)側(cè)窗的影響;對(duì)于安裝于側(cè)窗的后視鏡，其密封性能對(duì)整車(chē)風(fēng)噪的影響也不能忽視。

不同車(chē)型的后視鏡對(duì)整車(chē)風(fēng)噪的影響也不盡相同，其原因比較復(fù)雜，不能一概而論，如圖7所示。圖中可以看出，拆除后視鏡對(duì)兩款車(chē)的影響差別明顯，其中后視鏡2的優(yōu)化空間較大。

2.1 仿真分析

2.1.1 格子玻爾茲曼方法

工程實(shí)踐中廣泛使用的流場(chǎng)計(jì)算按照所依據(jù)的原理不同可以分為：基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法和基于分子動(dòng)力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法。本文做采用的為屬于后者的格子玻爾茲曼（LBM）方法。由于該計(jì)算為可壓縮流，所以外聲場(chǎng)信息可以直接從流場(chǎng)結(jié)果中提取。

2.1.2 統(tǒng)計(jì)能量法

風(fēng)噪對(duì)乘員艙的影響主要集中在中高頻率，

而統(tǒng)計(jì)能量方法（SEA）適用于解決此類(lèi)復(fù)雜系統(tǒng)寬帶中高頻動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。該方法從能量的觀點(diǎn)分析振動(dòng)與聲，將系統(tǒng)劃分為儲(chǔ)存能量的子系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)情況下求解子系統(tǒng)之間能量傳遞與平衡方程。方程的基本關(guān)系式如下[4]：

2.2 模型

計(jì)算模型如圖8所示。除外造型外，該數(shù)模包含打開(kāi)的前格柵，發(fā)動(dòng)機(jī)艙以及底盤(pán)的零部件。詳細(xì)的數(shù)?？墒箒?lái)流在整車(chē)外表面的分布更加符合實(shí)測(cè)工況。A柱與后視鏡為主要細(xì)化區(qū)域。

計(jì)算工況為140kph，0偏航;計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為1S，0.5～1S為數(shù)據(jù)采集區(qū)間。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 聲場(chǎng)結(jié)果

聲載荷在側(cè)窗表面的分布主要可以分為兩類(lèi)：湍流載荷與聲波載荷。湍流載荷的分布頻率區(qū)間主要集中在中低頻，而聲波載荷的分布區(qū)間主要集中在中高頻。

計(jì)算結(jié)果顯示，湍流載荷在側(cè)窗的分布主要集中在A柱尾流區(qū)以及后視鏡基座尾流區(qū)，如圖9a所示。聲波載荷在側(cè)窗的分布主要集中在后視鏡基座尾流區(qū)，如圖9b所示。

進(jìn)一步考察空間聲源的分布，如圖10所示?？梢钥闯鲈诰嚯x側(cè)窗較近的后視鏡尾流區(qū)域，聲源集中在基座與側(cè)窗交界處，鏡柄尾流區(qū)域以及后視鏡底部尾流區(qū)。

2.3.2 流場(chǎng)結(jié)果

結(jié)合聲場(chǎng)分析的結(jié)果，對(duì)流場(chǎng)相關(guān)區(qū)域的物理量進(jìn)行考察。后視鏡下緣附近輪廓線(xiàn)導(dǎo)致氣流分離嚴(yán)重，與聲源分布所示區(qū)域一致，如圖11a所示?；c側(cè)窗的高差引起氣流在局部分離，該區(qū)域也是側(cè)窗聲載荷與空間聲源集中的區(qū)域。如圖11b所示。

2.4 優(yōu)化

2.4.1 優(yōu)化方案

通過(guò)對(duì)上述聲場(chǎng)與流場(chǎng)結(jié)果的分析可以看出，后視鏡下緣輪廓線(xiàn)、基座與側(cè)窗之間的高差是主要的優(yōu)化區(qū)域。對(duì)該區(qū)域的優(yōu)化，目的是能夠通過(guò)對(duì)氣流分離的抑制，降低聲載荷對(duì)側(cè)窗的影響。

后視鏡下緣特征優(yōu)化方案如圖12所示，原方案（圖12a）迎風(fēng)面與地面的過(guò)渡圓角曲率較大，優(yōu)化方案（圖12b）將此處的圓角曲率減小。

基座與側(cè)窗的高差受工程約束限制，高差無(wú)法完全消除（圖13a），此處的優(yōu)化采取降低高差，漸進(jìn)過(guò)渡的方式（圖13b）。

2.4.2 仿真優(yōu)化結(jié)果

將上述兩處局部?jī)?yōu)化方案重新計(jì)算，結(jié)果如圖14、15所示。流場(chǎng)結(jié)果顯示，優(yōu)化后的局部特征附近氣流分離明顯得到抑制。后視鏡下緣貼體的氣流可以同時(shí)削弱因分離導(dǎo)致的面聲源與體聲源的產(chǎn)生（圖10，11a，14a，14b）?；c側(cè)窗交接處的噪聲源同時(shí)通過(guò)玻璃與密封條向乘員艙傳聲，所以此處幾何特征優(yōu)化改善局部氣流的效果會(huì)比較明顯（圖9b，11b，15a，15b）。

2.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.5.1 試驗(yàn)環(huán)境

聲學(xué)風(fēng)洞對(duì)于流場(chǎng)與背景噪聲的要求較高，流場(chǎng)中湍流強(qiáng)度低于0.2%，速度穩(wěn)定性小于0.5%。測(cè)試段需滿(mǎn)足半自由聲場(chǎng)的要求。本試驗(yàn)在SAWTC風(fēng)洞完成（圖16），該風(fēng)洞為3/4開(kāi)口回流風(fēng)洞[5]。

2.5.2?試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示（圖17）：總聲壓級(jí)降低0.3dBA，語(yǔ)音清晰度提高3.5%。優(yōu)化方案對(duì)風(fēng)噪影響的主要區(qū)間在中高頻，所以語(yǔ)音清晰度的改善較為明顯，總聲壓級(jí)略有降低。仿真分析與試驗(yàn)比較，整個(gè)頻率段絕對(duì)值略低，趨勢(shì)一致，能夠反應(yīng)優(yōu)化效果?？紤]到試驗(yàn)中有其它次噪聲源的影響，該仿真結(jié)果偏低在合理預(yù)期范圍。

3 結(jié)論

本文通過(guò)仿真分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)后視鏡引起的兩類(lèi)整車(chē)風(fēng)噪進(jìn)行評(píng)估與優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化方案能夠有效解決嘯叫噪聲，改善寬頻噪聲。雖然優(yōu)化內(nèi)容針對(duì)具體車(chē)輛的具體問(wèn)題，但此類(lèi)優(yōu)化思路和方法可以應(yīng)用于車(chē)輛后視鏡早期開(kāi)發(fā)階段，相關(guān)內(nèi)容總結(jié)如下：

a）后視鏡鏡殼表面造型與落水凹槽等功能特征是形成后視鏡嘯叫的主要原因。改變曲面造型與凹槽截面形狀，可消除此類(lèi)噪聲。

b）結(jié)合格子玻爾茲曼流場(chǎng)與統(tǒng)計(jì)能量聲場(chǎng)的計(jì)算方法，可以對(duì)乘員艙的聲學(xué)特性進(jìn)行定量評(píng)估。后視鏡外特征輪廓線(xiàn)以及基座與側(cè)窗玻璃的交界處都是容易產(chǎn)生氣流分離的區(qū)域，抑制或減弱局部區(qū)域的分離，可以改善風(fēng)噪水平。

c）后視鏡風(fēng)噪是整車(chē)NVH的重要組成部分，其性能開(kāi)發(fā)應(yīng)兼顧計(jì)算資源與項(xiàng)目進(jìn)度，綜合運(yùn)用仿真與試驗(yàn)方法，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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