汽車天窗噪聲的數值分析和控制

周 益

（合肥工業大學 噪聲振動工程研究所，合肥230009）

隨著汽車技術的快速發展和用戶對舒適性的追求，很多汽車都配備了天窗，它能夠使車內空氣有效流通，增加新鮮空氣進入，為乘員帶來健康、舒適的享受。但是，當汽車以一定速度行駛時，車頂上的氣流在天窗開口處變得不穩定，產生了流動分離。在天窗開口前沿處產生的渦團迅速破碎或者撞在開口的后緣處破碎。同時破碎的渦團導致空氣產生了壓力波動，從而形成了噪聲聲源。由于天窗噪聲的聲源離駕駛員的頭部很近，產生的脈動壓力會使駕駛員感到煩躁不安。研究結果表明，與轎車勻速車內噪聲品質相關的主要心理聲學參量根據車速的不同而不盡相同［1］。例如，一輛汽車以40 km/h的速度行駛，其天窗所產生的噪聲往往會超過100 dB［2］。所以在為乘員提供天窗帶來好處的同時，如何減小天窗氣動噪聲也成為一個重要的問題。

對于天窗噪聲的控制，國內外做了很多研究。在20世紀90年代，計算仿真分析剛剛應用到汽車風振噪聲中，Ota等［3］即采用結構化網格和基于有限體積法的CFD代碼（GOLDE）對二維汽車天窗噪聲進行了仿真分析，得到了與實車道路實驗相吻合的結果；Karbon［4-6］等采用非結構化網格和基于有限元法的商用CFD軟件PAM-FLOW對汽車模型進行了仿真分析，得到的結果與風洞實驗結果較為吻合。近年來，很多學者提出通過在天窗前沿進行改進可以有效降低噪聲。如An等提出在天窗前部增加腔體［7］和導流板［8］來降低噪聲，并取得了很好的效果。 黃磊［9］提出在天窗前部增加網狀擋風條可以有效的降低噪聲，并且極大的減少了工程開發的復雜度。汪怡平［10］等提出在天窗處安裝帶有凹槽的導流板以及優化其安裝角度，發現監測點處聲壓級降低了23 dB。康寧［11］等提出將天窗后移及加寬，可以降低監測點處的聲壓級。

本文在An等提出的在天窗前部增加腔體的方法的基礎上，對腔體結構進行改進，并進一步優化車內壓力場分布，降低監測點處的聲壓級。論文首先建立計算和幾何模型，隨后通過計算汽車天窗改進前后以及與An設計的天窗結構的比較說明本文方法的有效性。

1 理論與模型

1.1 基本控制方程和湍流模型

通常情況下，汽車的車速低于200 km/h，車身周圍外部流動空氣按不可壓流體來處理，汽車外部流場可視為等溫、非定常不可壓流動。所以在這里采用雷諾時均三維非定常不可壓Navier-Stokes（N-S）方程，其一般形式為：

式中：t為時間；ui為速度分量；p為壓強；ρ為流體密度；由于此方程引入關聯項ρuiuj，需要引入相應的湍流模型來封閉方程，在本文中，采用WALE亞格子模型來進行封閉。

1.2 計算模型的建立和網格的劃分

1.2.1 計算模型的建立

本文研究的對象是一款小型帶天窗的汽車，在建模的時候忽略后視鏡、雨水槽、排氣管和門把手等復雜曲面，同時由于汽車底盤對本計算影響不大，因此將汽車底部簡化為光滑壁面。模型長L=4 188 mm，寬W=1 505 mm，高H=1 075 mm，天窗厚度為60 mm，天窗大小為 770×380 mm。

1.2.2 計算域的建立

計算域為包圍汽車的一個長方體區域，如圖1所示。具體尺寸為：車前區域為1 L，車側圍2 W，車上方為3 H，車后方為3 L，車底距地面為170 mm。

1.2.3 網格的劃分

網格的劃分是整個分析過程中最為重要的一步，因為它的好壞直接關系到仿真分析時所花費的時間以及仿真結果的精確性。由于汽車本身幾何模型的特點，在網格劃分時選擇了四面體網格，它一方面可以很容易捕捉流場幾何特征，同時還具有非常好的自適應性。至于網格數量，理論上來說，數量越多，計算出來的結果越精確，但仿真分析時所花費的時間也就越長。所以在控制網格數量時，要保證在可以獲得精確結果的前提下，盡量減少網格的數量。因為從某種程度上來說，當網格單元小到一定程度時，再次細化網格對計算結果并不會有太大影響。

本文研究的重點是天窗氣動噪聲問題，所以天窗附近的網格需要盡量的精細，而遠離天窗的地方則不需要過度的細化。因此將整個計算域內的網格分為三個層次，靠近天窗的地方，網格最為精細；整個車身則選擇較為精細的網格；最后是計算域網格，單元尺寸可以比前兩者略大。最終生成的網格數量在550萬左右。

1.3 邊界條件

數值仿真是在有限區域內進行的，因此在區域的邊界上需要給定邊界條件，邊界條件的確定需要在數學上滿足適定性，在物理上具有明確的意義。汽車在實際行駛時，地面是不存在附面層的，在此采用移動壁面邊界條件消除由于數值仿真產生的地面邊界層，具體設置見表1。

表1 邊界條件

1.4 計算方法

在保證計算準確性和盡量縮短時間的前提下，采用兩階段求解方案。首先進行穩態求解，采用分離解法、SIMPLE方法、二階迎風格式及標準湍流模型，迭代次數大約500次，然后把穩態求解的結果作為瞬態求解的初始值。瞬態求解使用大渦數值模擬，采用WALE亞格子模型，同時在時間上采用不迭代2階時間遞進加快計算過程，在空間上采用具有很好的收斂性和網格適應性的中心差分方法，以保證足夠的精度。由于風振噪聲的共振頻率在13 Hz左右，即產生的渦流脫落周期是0.08 s。本文中進行瞬態求解的時間步為0.005 s，也就是在一個時間周期內有16個采樣點，這可以充分的捕捉風振的諧振頻率。

1.5 計算結果仿真分析

本節計算的模型是天窗完全打開且沒有安裝任何降噪措施做分析的原始模型。接下來所采取的降噪措施是在此車的基礎上。

圖2是無任何降噪措施下的人耳處聲壓級頻域圖，從圖中可以明顯的看出，汽車的風振發生在13 Hz左右，噪聲聲壓峰值達到了110 dB，長時間的處于這樣的一個噪聲環境中，容易使駕駛員感到煩躁不安，所以要進行降噪處理。

2 風振噪聲的控制

2.1 增加腔體的影響

控制風振噪聲的方法主要有兩種，一種為主動控制，另外一種為被動控制。主動控制是指利用聲波的干涉原理，通過在聲場中設置一系列的同頻反相振動裝置。但是風振噪聲的主動控制不僅會增加開發成本，而且在安裝過程中也會非常的麻煩，所以目前市場上應用最廣泛的是被動控制。被動控制的方法主要有：在天窗前沿安裝導流板導走渦流來控制風振噪聲、通過調整天窗的開啟位置改變車內空腔的固有頻率來控制噪聲等。本文是在汽車天窗前沿安裝一個腔體用來控制天窗噪聲。

本文給出的腔體設計示意圖與An所設計的腔體對比如圖3所示，其中a為本文中的腔體，b為An設計的腔體。該設計的目的是通過腔體擋住一部分氣流進入車內來降低噪聲。腔體設計尺寸為長80 mm，深度為40 mm，略低于天窗厚度60 mm，曲面與天窗頂部相切且連續。

圖4是改進前和改進后監測點處聲壓級頻域圖對比圖。從圖中可以看出改進后的車型風振頻率發生在10 Hz，噪聲聲壓峰值達到了104 dB，比原始車型聲壓峰值降低了6 dB。并且在人耳可聽區域內，改進后的車型噪聲明顯要低于改進前。

進一步對比兩者的壓力云圖，如圖5所示。（a）是改進前車型的壓力云圖，（b）是改進后車型的壓力云圖。從圖5可以看出，改進后的車內壓強更接近于車外標準大氣壓。

2.2 對比分析

本文所設計的腔體參照An等提出的方法，但做出了一定的變化。圖6為兩種不同腔體以及原始模型的聲壓級頻域對比圖。從圖6可以看出，在風振噪聲方面，本文所采取的腔體產生的風振聲壓級在104 dB，而An等采用的腔體的風振聲壓級在105 dB；在人耳可聽頻域內，本文所使用腔體的監測點處聲壓級大部分比An等采用的腔體聲壓級低1～3 dB。由此可以看出，本文所采用的腔體比An等采用的腔體有了一定的改進。

3 結論

本文用大渦數值模擬算法對某汽車模型進行了氣動噪聲的計算，得出了原始車型風振發生在13 Hz，噪聲聲壓峰值達到了110 dB。然后對汽車天窗進行改進，改進后的天窗風振噪聲的聲壓級峰值降低了6 dB。并且比較兩者的壓力云圖也可以看出，改進后的車內外壓強差要小于原始車型。并且通過與An等采用的腔體的對比，本文使用的腔體有進一步的改進。

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