汽車空調出風口嘯叫的辨識及機理探究

沈沉+王洋+劉斌+陶澤平

摘 要：通過近場測量法獲得實車空調出風口嘯叫的聲壓數據，并分析其頻譜，又通過耦合氣動-聲學數值計算研究流場結構并探究嘯叫機理。試驗結果表明，嘯叫的發生與空調出風口的風門位置和內外壓差聯系密切。當幅值-頻域信號中2 kHz以上部分存在明顯的頻譜峰值時，嘯叫明顯。嘯叫產生的機理在于擬序渦結構脫落引發的有規律的壓力脈動，輻射后形成較為規則的聲壓脈動。為預測嘯叫、改進設計、預防嘯叫提供理論依據。

關鍵詞：NVH；噪聲辨識；數值模擬；氣動噪聲；嘯叫

中圖分類號：U463.85+1文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.03.11

乘用車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness，NVH）性能直接影響到乘坐舒適性，空調出風口嘯叫是一種常見的NVH問題，會引起乘客不適與疲勞[1]，越來越多的主機廠和供應商開始關心并設法解決該問題。汽車空調出風口嘯叫是一種主觀感受，定義并辨識嘯叫在出風口研發和認證過程中十分重要。相關研究已經表明：車內舒適性與響度、尖銳度、粗糙度、波動度等因素相關[2]，而出風口嘯叫對車內噪聲的響度、尖銳度、粗糙度都有明顯的影響，所以研究并改善出風口嘯叫具有重要的工程意義。目前對于出風口嘯叫的評估主要采取臺架試驗和整車試驗兩種方式，而對嘯叫產生的機理缺少有效的分析方法。嘯叫的成因較為復雜，其影響因素包括風機、風門、風道、葉片等。運用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析嘯叫形成機理對識別影響因素、改進設計、預防嘯叫具有指導意義。

1 試驗的主客觀評價

以某中型SUV車型的出風口為研究對象，圖1為該車型中控臺出風口數模。風道內部包含有葉片、風門等結構，當風門調節到接近關閉的最小出風狀態（即撥輪開啟一格）時會產生嘯叫現象。如果同時關閉其它出風口，則單個出風口壓降增加，嘯叫更為明顯。實車出風口的內外壓差由風機產生，當風門關閉時，風機的設計壓升為250 Pa。

采用近場測量法測量噪聲，利用麥克風實車采集出風口噪聲并記錄聲壓變化，測點位置距離出風口100 mm。麥克風避開氣流并布置在射流剪切層外，以避免測得的數據被假聲信號干擾。記錄了9組聲壓數據進行分析，涵蓋了儀表板出風口、中控臺出風口、副儀表板出風口3種出風口類型，其中包含1組無嘯叫聲、5組有較弱嘯叫聲以及3組有非常明顯嘯叫聲的數據。9組數據的快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，FFT）得到的頻域信號，截取長度為10 s，加窗方式為漢寧（Hanning）窗[3]。

圖2為無嘯叫一段時域信號和FFT后的頻域幅值信號。從頻域信號來看，這種能量隨頻率增加而衰減的趨勢比較接近棕色噪聲[4]。

圖3為嘯叫較弱的一段時域信號和幅值頻域信號。從頻域信號來看，能量隨頻率增加而衰減，但在3.4 kHz和7.5 kHz附近存在較明顯的峰值。主觀上能夠識別出這種嘯叫，但并不十分明顯。

圖4為有非常明顯嘯叫的一段時域信號和幅值頻域信號。從時域信號來看，可以發現明顯的主信號趨勢，附近存在“毛刺”狀的脈動特性，從頻域信號來看，在5.7 kHz和11.3 kHz兩個特征頻率附近存在明顯的峰值，說明能量在這兩個頻率十分集中，主觀上能夠聽到十分明顯而尖銳的嘯叫聲。

圖5選取了6組典型出風口噪聲信號所得到的幅值頻域結果。通過對頻譜的分析并總結規律，發現有嘯叫聲的頻譜中存在共同點：在2 kHz以上區域存在較明顯的峰值。因此可以以“2 kHz以上部分存在明顯的頻譜峰值”作為量化的定義嘯叫的方式，并以此準則來辨識嘯叫。

2 數值計算

以該車出風口作為數值模擬對象。由前文所述的實車測試發現：風門調節對嘯叫具有決定性影響，而葉片調節對嘯叫幾乎沒有影響，無論葉片處于何種角度都幾乎不會改變嘯叫性質和峰值頻率，由此可以判斷：嘯叫的成因與風門附近的流場有著密切聯系，風門設計和風門位置對嘯叫具有決定性作用。試驗表明：當風門調節到接近關閉的最小出風狀態時會產生嘯叫聲，而風門撥輪繼續調大一格則沒有嘯叫發生，因此以這兩種狀態為計算對象作對比分析。

采用有限體積法對出風口附近的流場進行數值計算，以重整化群（RNG）k-ε湍流模型[5]結合（Scalable）壁面函數[6]得到初始流場后，采用代數壁面建模的大渦模擬（Algebraic Wall-Modeled LES Model）方法[7]，最大的局部邊界層Y+控制在10以內。邊界條件采用壓力入口設定為設計壓降250 Pa（與試驗時的邊界條件吻合），出口設置為壓力出口，計算域截面網格如圖6所示。采用雙精度的數值精度，二階格式SIMPLE算法計算[8]。

求解穩定后的某一時刻時的非定常風門附近的速度云圖如圖7所示，兩種風門狀態下局部最大流速分別為21.5 m/s和34.1 m/s。從其速度分布可以發現，最小出風狀態下氣流主要從風門頂端流出，而繼續調大風門后，風門下方逐漸成為主要的氣流出口。

3 機理分析

出風口嘯叫屬于典型的氣動噪聲，因此需要從流場結構角度加以分析。由圖7（a）可以看出兩股射流在A區域交匯，由于存在相對速度差，兩股射流之間存在剪切層，隨著流場的發展，剪切層附近不斷產生擬序渦結構并脫落[9]，渦量云圖如圖8所示。對比圖8（a）和（b），雖然只是風門開啟的角度不同，但整個流場結構差異巨大，流場呈現出兩種完全不同的狀態。

圖8（a）表明脫落的擬序渦結構隨流場向后移動并且不斷擴散、破裂、融合，這個過程會產生較為規則的壓力脈動，如圖9（a）所示，輻射到遠場后形成較為規則的聲壓變化，因此會在頻域上的某些固定頻率產生峰值，這就是嘯叫產生的機理。而風門開大狀態下的流場結構更不規則，整個流場不存在明顯起主導作用的擬序結構，如圖8（b）所示，無法在某些特定的特征頻率下形成有效的噪聲輻射，所以整個氣動噪聲接近于棕色噪聲。需要指出：圖9（b）中的標尺比圖9（a）大一個數量級，且壓力分布不規則，說明了風門調大后無法在某一特定頻率輻射噪聲，輻射的噪聲必然占據寬廣且較低的頻率范圍，故無法產生明顯嘯叫。

使用FW-H聲類比模型[10]可以模擬遠場聲壓脈動信號，并得到氣動噪聲的頻譜，但由于現今氣動噪聲的數值模擬通常與試驗結果在低頻區域存在一定的誤差，用此方法預測出風口嘯叫頻率并不是十分理想的方法。基于上述原因，這里僅對流場中20個固定測點記錄壓力脈動信號，并針對壓力脈動信號進行頻譜分析。以圖6中的點1為例，獲得了如圖10所示的頻譜。從中發現超過2 kHz的位置上也存在明顯的峰值，這與試驗結果是統一的，印證了數值模擬的有效性。需要注意的是由于圖10是壓力脈動的頻域信號，而非輻射后的聲壓信號，故圖10與圖4并非直接相關，因此不能將它們直接對比，但頻譜分析仍然具有參考意義。

由于這種嘯叫并非由單純的繞流或狹縫射流引發，而是帶壁面效應和剪切層效應的相對復雜的流動，因此無法使用狹縫或繞流的半經驗公式（1）計算峰值頻率[11]，工程中使用數值模擬的方式預測嘯叫可行實用。

。

基于上述嘯叫機理，通過改變風門框邊緣的設計（圖11），有效改善了風門附近的流場結構，使出風口的聲品質得到了提升，消除了嘯叫現象。圖11所示增加的鋸齒結構相當于渦流發生器，起到擾流的作用，從而破壞了擬序的渦結構，從根源上解決了嘯叫問題。

4 結論與展望

通過試驗研究以及數值計算，獲得以下結論：

（1）嘯叫與風門位置、內外壓差聯系密切，與葉片位置等因素關系不大。

（2）幅值頻域信號中2 kHz以上部分存在明顯的頻譜峰值時，嘯叫明顯。

（3）嘯叫產生的機理在于剪切層附近不斷產生擬序渦結構并脫落，脫落的擬序渦結構隨流場向后移動并且不斷擴散、破裂、融合，這個過程會產生較規則的壓力脈動，輻射到遠場后形成較為規則的聲壓變化，因此會在頻域上的某些固定的頻率產生峰值，從而產生嘯叫現象。

（4）這種嘯叫的成因是帶壁面效應和剪切層效應的相對復雜的流動，數值模擬的方式可以用于工程中預測嘯叫。

（5）數值模擬中，可以通過觀察流場中測點壓力的脈動及其頻譜來預測嘯叫頻率。

（6）通過優化設計來改變流場結構可以有效消除嘯叫現象。

綜上所述，解決嘯叫問題主要在于優化風門較小時的流場結構，今后可以研究從優化風道和風門設計入手，從根源上解決嘯叫問題。也可以研究更多的空調出風口結構和噪聲，總結出降低噪聲的規律，以指導工程設計。今后還可以對風門轉角、鋸齒形狀、鋸齒密度做參數化的研究分析，以達到優化的目的。

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