某SUV車型后視鏡氣動噪聲性能控制

徐鵬 李春花 趙偉豐 劉二寶 李曉鵬 蔡禮剛

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

隨著現(xiàn)代汽車速度和功率的不斷提高，顧客對汽車NVH 性能要求越來越高，且氣動噪聲性能的優(yōu)劣對整車品質(zhì)的影響愈發(fā)明顯。氣動噪聲混合計算方法主要是利用計算流體動力學(xué)（CFD）軟件和聲學(xué)軟件對工程中的氣動噪聲進(jìn)行聯(lián)合仿真計算，能夠?qū)こ讨袣鈩釉肼曌龀龈娴念A(yù)測[1]。文章以一款在研SUV 的后視鏡氣動噪聲問題為例，根據(jù)初期后視鏡造型制作的手工樣件，安裝至實車進(jìn)行風(fēng)噪路試試驗發(fā)現(xiàn)，該后視鏡對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量較大，且主觀評價難以接受。由于該后視鏡造型在設(shè)計階段未能及時進(jìn)行相關(guān)氣動噪聲風(fēng)險識別，導(dǎo)致該問題的出現(xiàn)，因此文章對該后視鏡進(jìn)行了造型優(yōu)化及氣動噪聲性能仿真控制。

1 流場建模與分析

1.1 模型搭建

優(yōu)化前后后視鏡造型，如圖1所示。從圖1可以看出，優(yōu)化后的后視鏡造型比原后視鏡有3 處改動:1）鏡背棱線前移（黃色線條所示）；2）靠近側(cè)窗一側(cè)的鏡壁面向前延伸（紅圈區(qū)域所示）；3）鏡臂前端變窄（棕圈區(qū)域所示）。

針對以上2 種后視鏡造型分別建立該車型油泥狀態(tài)網(wǎng)格模型，設(shè)定風(fēng)速為120 km/h，在汽車模型外創(chuàng)建一個足夠大的風(fēng)洞，生成Trimmer 流體網(wǎng)格。

流場計算包括:1）進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算，確認(rèn)計算結(jié)果收斂即可停止計算；2）穩(wěn)態(tài)計算完畢，設(shè)定0.2 s 瞬態(tài)計算，設(shè)定時間步為10-4s，每時間步內(nèi)部迭代5 步；3）計算按時間步自動輸出后視鏡附近側(cè)窗玻璃壓力脈動數(shù)據(jù)。

1.2 前門側(cè)窗壓力分布

圖2示出優(yōu)化前后后視鏡附近前門側(cè)窗表面壓力分布圖。從圖2可以看出，原狀態(tài)后視鏡附近前門側(cè)窗紅圈區(qū)域壓力明顯大于優(yōu)化后，且壓力梯度較大，會導(dǎo)致側(cè)窗局部區(qū)域變形增大，增加側(cè)窗玻璃與密封條和玻璃泥槽之間的配合難度，同時有造成泄漏噪聲的潛在隱患。

1.3 前門側(cè)窗聲壓分布

圖3示出優(yōu)化前后后視鏡附近側(cè)窗100～5 000 Hz頻率段A 記權(quán)聲壓級分布對比圖。從圖3可知，原狀態(tài)后視鏡附近側(cè)窗區(qū)域存在明顯的2 處風(fēng)噪風(fēng)險，分別為（圖3中紅圈位置）:1）側(cè)窗靠近B 柱一側(cè)密封條附近存在大面積的高聲壓分布；2）后視鏡安裝基座附近（側(cè)窗玻璃下端和密封條前部）存在大的聲壓分布。以上2 處位置均有引起噪聲通過密封條滲透進(jìn)入車內(nèi)的風(fēng)險，而優(yōu)化后的后視鏡能夠避免上述風(fēng)險。

2 車內(nèi)聲場耦合求解[2]

車外聲場的優(yōu)劣并不能完全決定駕駛艙內(nèi)的噪聲水平，因此后視鏡造型對駕駛艙內(nèi)噪聲的影響，需要進(jìn)一步進(jìn)行內(nèi)聲場求解。

2.1 側(cè)窗風(fēng)噪聲分析

由于2 個模型中，變化的只有后視鏡造型，因此認(rèn)為側(cè)窗表面湍流壓力脈動的差異均來自后視鏡造型，從而通過計算側(cè)窗湍流壓力來激勵側(cè)窗振動產(chǎn)生的聲振耦合噪聲，結(jié)果可在一定程度上評判2 種后視鏡造型在氣動噪聲性能方面的優(yōu)劣。

2.1.1 模型準(zhǔn)備

1）將側(cè)窗壓力脈動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成LMS Virtual.Lab 可識別的.cgns 格式；2）進(jìn)行側(cè)窗10 kHz 以內(nèi)約束模態(tài)計算，得到結(jié)果.op2 文件；3）在前處理軟件中搭建車輛內(nèi)CAS，并生成駕駛艙聲腔網(wǎng)格。

2.1.2 側(cè)窗風(fēng)噪模型搭建與分析

在LMS Virtual.Lab Acoustic 模塊下導(dǎo)入流場數(shù)據(jù)、側(cè)窗結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)及汽車駕駛艙聲腔網(wǎng)格。首先，進(jìn)行流場數(shù)據(jù)向側(cè)窗結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，期間進(jìn)行傅里葉變換，將時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻域數(shù)據(jù)；然后，在駕駛艙聲腔內(nèi)建一個駕駛員耳旁場點；最后，基于模態(tài)進(jìn)行聲振耦合響應(yīng)計算。計算模型搭建完畢的顯示界面，如圖4所示。

完成聲振耦合響應(yīng)計算，可以查看整個車內(nèi)聲學(xué)空間的聲壓級云圖，圖5示出裝有原狀態(tài)后視鏡的汽車駕駛艙在400 Hz 頻率下的聲壓級云圖。

對分別裝有2 種后視鏡狀態(tài)下的模型駕駛艙內(nèi)同一場點進(jìn)行聲壓頻率響應(yīng)函數(shù)的計算，得到的對比結(jié)果曲線，如圖6所示。

從圖6可以看出，在3 kHz 以下頻率段，2 個后視鏡引起的側(cè)窗壓力脈動對車內(nèi)的噪聲影響可認(rèn)為處于同一水平；3 kHz 以上，優(yōu)化模型的測點較原狀態(tài)模型測點聲壓曲線下降更為明顯，且人耳對2～5 kHz 噪聲最為敏感，因此可判定，優(yōu)化的后視鏡造型在側(cè)窗上引起的壓力變化產(chǎn)生的振動能量在高頻段貢獻(xiàn)更少，能夠很好的改善車內(nèi)噪聲品質(zhì)。

2.2 后視鏡噪聲分析

后視鏡產(chǎn)生的氣動噪聲聲壓激勵車窗，同樣能夠在車內(nèi)產(chǎn)生噪聲，該噪聲對車內(nèi)的貢獻(xiàn)量是另一個后視鏡造型優(yōu)劣的評判依據(jù)。

2.2.1 模型準(zhǔn)備

后視鏡噪聲分析所需的模型，在側(cè)窗風(fēng)噪聲分析所需的模型基礎(chǔ)上，還需增加后視鏡、車門及車窗附近空間的聲學(xué)有限元網(wǎng)格。

2.2.2 后視鏡風(fēng)噪模型搭建與分析

后視鏡風(fēng)噪計算，需要先進(jìn)行流場數(shù)據(jù)向后視鏡的映射，再進(jìn)行外部車門附近空間聲學(xué)響應(yīng)計算，之后與側(cè)窗風(fēng)噪計算方法相似，進(jìn)行計算模型搭建，其顯示界面，如圖7所示，車門區(qū)域聲學(xué)響應(yīng)計算結(jié)果壓力云圖，如圖8所示。

對分別裝有2 種后視鏡狀態(tài)下的模型駕駛艙內(nèi)同一場點進(jìn)行聲壓頻率響應(yīng)函數(shù)的計算，得到的對比結(jié)果曲線，如圖9所示。

從圖9可以看出，2 個后視鏡作為聲源對車內(nèi)噪聲的影響處于同一水平，因此，可以認(rèn)為2 種后視鏡造型在流場中產(chǎn)生的氣動噪聲聲壓對車內(nèi)噪聲的影響基本一致。

2.3 后視鏡噪聲與側(cè)窗噪聲量級對比

圖10示出后視鏡噪聲與側(cè)窗噪聲的量級對比，從圖10中能夠直觀的看到，由側(cè)窗壓力脈動激起側(cè)窗振動引起的車內(nèi)噪聲要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后視鏡自身作為聲源引起的車內(nèi)噪聲。

3 風(fēng)噪路試試驗

根據(jù)模型制作2 種造型的后視鏡樣件進(jìn)行實車風(fēng)噪路試試驗，乘員艙麥克風(fēng)布置位置為駕駛員左耳，測得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖11所示。

從圖11中不難發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化造型的后視鏡在1 500 Hz以上高頻段氣動噪聲性能均優(yōu)于原狀態(tài)后視鏡，且在3 500 Hz 以上高頻部分最為明顯。受試驗條件所限，目前風(fēng)噪測試主要采取路試試驗的方法，發(fā)動機噪聲、路噪及胎噪等的影響無法排除，致使測量值偏大，同時，計算時忽略了滲漏噪聲，而且加載邊界條件時只考慮了側(cè)窗和后視鏡處的壓力，這又使計算值偏小。但從目前試驗與仿真的數(shù)據(jù)對比可以判斷，使用LMS Virtual.Lab Acoustic 聲學(xué)有限元計算車內(nèi)測點聲壓頻譜的方法在設(shè)計方案的對比上具有十分重要的參考意義。

4 結(jié)論

1）根據(jù)工程經(jīng)驗，以引導(dǎo)后視鏡區(qū)域氣流準(zhǔn)確分離為原則，將后視鏡造型做修改進(jìn)行對比分析。由流場結(jié)果得出該車型分別安裝2 種造型后視鏡前側(cè)窗表面壓力分布以及A 計權(quán)聲壓級分布，從車外聲壓分布情況可知優(yōu)化的后視鏡造型對側(cè)窗外噪聲有改善作用。

2）借助聲學(xué)軟件LMS Virtual.Lab Acoustic 下的聲學(xué)有限元模塊進(jìn)行流固耦合的內(nèi)場噪聲分析，通過對2 種模型駕駛員耳部設(shè)置測點進(jìn)行計算，可以從測點頻譜曲線更為直觀的考察2 種后視鏡造型在氣動噪聲性能方面的優(yōu)劣，能夠為后視鏡造型修改提供更為有力的數(shù)據(jù)支持。同時從分析結(jié)果可知，由側(cè)窗壓力脈動激起側(cè)窗振動引起的車內(nèi)噪聲要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后視鏡自身作為聲源引起的車內(nèi)噪聲。