汽車后側窗風振問題的研究

吳海波周江彬陳蒨劉功文乾超群（.上海大眾汽車有限公司，上海0805；.上海翼銳汽車科技有限公司，上海0805）

?

汽車后側窗風振問題的研究

吳海波1周江彬1陳蒨1劉功文1乾超群2
（1.上海大眾汽車有限公司，上海201805；2.上海翼銳汽車科技有限公司，上海201805）

【摘要】通過與風洞試驗對比并考慮乘客艙內部壁面的屈服、吸收及泄漏特性，建立了一套數值計算方法，將不同速度下數值計算得到的風振噪聲最大聲壓級及其發(fā)生頻率與風洞試驗結果進行對比，驗證了其準確性。基于計算模型，分析了汽車后側窗風振現象產生的主要原因及其影響因素，并進行了優(yōu)化，優(yōu)化效果較好，能有效縮短開發(fā)周期并降低后期實車風洞試驗成本。

主題詞:后側窗振動噪聲數值計算聲壓級頻率風洞試驗

1　前言

當汽車在開啟天窗或某扇側窗情況下行駛時，會在一定速度下產生風振現象[1]。不同車型產生風振現象的車速也不完全相同，通常發(fā)生在60～70 km/h[2]。汽車風振主要包括天窗風振和側窗風振兩種。天窗風振在汽車風振中研究最早也最成熟，市場上很多汽車已經開始選擇使用擾流板或改變天窗開度等措施來改善天窗風振。而汽車側窗風振的研究卻由于其流場的復雜、造型的約束及容易增加外型噪聲等問題一直停滯不前。在側窗風振問題中，后側窗由于遠離后視鏡和A柱等造型，其風振現象較前側窗更為嚴重[3]，且至今還未出現一種公認的、有效的優(yōu)化措施。

本文基于準確的數值模型和合理的假設對某轎車后側窗風振現象進行了數值計算，并通過風洞試驗數據驗證了數值計算的準確性。在此基礎上分析了后側窗風振現象產生的主要原因及影響因素，并采用兩種不同的優(yōu)化手段進行了優(yōu)化。

2　風振理論概述

汽車風振可以被認為是一種亥姆霍茲共振，同時也可以理解成一種單自由度的質量彈簧阻尼系統[4]。打開一扇窗的汽車腔體可以看作是一個共振腔。汽車在行駛過程中，腔體內、外的氣流會在開口處形成速度差，導致腔體內、外氣流發(fā)生剪切，當腔體內、外速度差達到臨界值后，剪切層開始不穩(wěn)定，進而導致剪切渦的形成。剪切渦從開口前緣產生并隨著氣流向開口后緣流動，當撞擊到開口后緣后，剪切渦會破碎并向四周釋放一個壓力波，使得腔體內壓強降低并作用到開口前緣導致另一個剪切渦的產生[5]。這種周期性的剪切渦形成及破碎現象有一個固定的頻率，稱為脫落頻率，其估算公式如下[6]：

式中，U和h分別為來流速度和開口間距；n為開口間存在的剪切渦個數。

當剪切渦的脫落頻率與汽車腔體的固有頻率一致時，會導致汽車共振。汽車腔體固有頻率的估算可以根據赫爾姆霍茲共振腔的頻率計算公式得到[1]：

式中，c為聲速；A、V和L分別為開口面積、腔體體積及開口高度。

汽車開口高度L一般根據L=l+δL進行修正，其中，l為開口外表面和內飾之間的厚度，

3　數值計算

本次數值計算采用基于格子波爾茲曼算法的Pow?er Flow軟件，計算域入口設置在車前10個車長處，出口距離車尾約16個車長，兩側距離車身15個車寬，整車計算偏航角為0。幾何模型處理及面網格的劃分選擇CAE前處理軟件ANSA。后側窗尺寸約為780×400 mm，后側窗最大開度下玻璃高度約為150 mm，如圖1所示。

圖1　后側窗最大開度下窗戶尺寸

面網格的加密區(qū)主要集中在A柱、后視鏡及后側窗開口周圍，面網格總數為750萬（圖2a）。體網格的劃分根據流場情況采用不同尺寸，在做后側窗風振計算時要保證由后視鏡及A柱產生的尾渦區(qū)域都包含在高網格分辨率的區(qū)域（圖2b），以捕捉微小的流場信息。最小體網格尺寸為1.5 mm，而汽車腔體體積約為2.4 m3，體網格總數約為2 300萬。

為了更好的貼合轎車的自然狀態(tài)及試驗環(huán)境，在數值計算中必須要考慮以下3個方面：

a.屈服。汽車腔體不可能是剛體，在其受壓過程中，體積會有一定程度的增加，導致固有頻率變小，同時壁面屈服會吸收一部分能量，使最后得到的最大聲壓級降低。

b.吸收。由于車身內飾材料的存在，總有一部分聲波會被吸收掉，通過設置一定面積的不反射壁面增加車內能量的吸收，從而可以較精確擬合聲的衰減特性。

圖2　面網格和體網格

c.泄漏。由于汽車制造水平的局限，每輛車都會存在一些微小孔隙，這些孔隙使得腔體壓力變化過程中腔體內、外氣流存在一定的質量交換，這部分質量交換會降低共振。

4　風洞試驗

風振試驗在同濟大學上海地面交通工具整車氣動聲學風洞中完成，試驗設置與數值計算的設置保持一致。該試驗主要分成兩部分，第一部分是聲學邊界條件測試，包括整車在后側窗最大開度狀態(tài)下內部腔體的固有頻率和品質因子。固有頻率是物體的固有屬性，其大小與初始條件無關，僅與系統的固有特性有關；品質因子表示空腔內聲波脈動的總能量與由于輻射或壁面吸收等原因造成的能量損失之間的比值，與腔體內部的聲阻抗有關。第二部分是不同風速下對后側窗最大開度的汽車進行掃掠，找出各速度下的最大聲壓級及其發(fā)生頻率。

在聲學邊界條件試驗中，固有頻率測試采用共振激勵的方法，首先在車內播放一段白噪聲，待車內聲場達到穩(wěn)定，通過傳聲器和數據采集系統記錄車內聲信號，截取揚聲器發(fā)聲的時間段信號并通過快速傅立葉變換獲得頻譜，在頻譜上找到共振頻率，該共振頻率即為其固有頻率。品質因子的測試需要在車內不同位置布置3個傳聲器，其中1個位于聲源（揚聲器）附近作為參考點，另外兩個放置在汽車腔體內遠離聲源處，一般取駕駛員左、右耳處。通過采集10 s穩(wěn)定的白噪聲信號，分別求出駕駛員左、右耳與參考點之間聲音的傳遞函數，通過各自的傳遞函數分別求出品質因子并平均得到最后的品質因子。聲學邊界條件測得的固有頻率會直接作為數值計算的輸入，品質因子用來確定數值計算中不放射壁面的面積。不放射壁面一般放置在汽車腔體內不影響流場的地方，并通過給定一個速度為0的邊界條件來擬合實際狀態(tài)下由于輻射、吸收和摩擦等引起的聲能量損失。

掃掠試驗通過在汽車腔體內布置傳聲器記錄不同工況下的聲信號，通過傅立葉變換將時域的聲信號轉換成頻域信號，并記錄最大聲壓級及其發(fā)生頻率。通過比較90 km/h車速時不同位置傳聲器記錄的結果（圖3）發(fā)現，汽車腔體內各位置取得的最大聲壓級和頻率基本一致。因此本文統一采用駕駛員左耳來對結果進行分析說明。表1列出了不同車速下駕駛員左耳處測得的最大聲壓級及其發(fā)生頻率。

圖3　90 km/h時車內不同位置聲壓級曲線

表1風振掃掠試驗結果

5　計算結果及分析

不同于天窗，側窗開口外的氣流會受到后視鏡尾流和A柱繞流的影響，導致外部氣流紊亂，而且越靠近開口的上、下緣越紊亂，但在開口上、下緣之間的一段區(qū)域氣流會比較平穩(wěn)（圖4），有文獻[4]表明這部分氣流與腔體內部氣流的剪切作用是共振產生的主要原因。

圖5表示在后側窗最大開度、速度90 km/h情況下A柱中段水平切面壓力等值線。從圖5中可以看出，在側窗開口區(qū)域存在密集的壓力梯度，靠近B柱的開口區(qū)域有一個很明顯的大渦，渦的旋轉軸心平行于開口前緣，通過記錄瞬態(tài)流場變化可以清楚看到該渦的產生、發(fā)展及破碎過程，這種周期性的現象符合文獻[7]中對剪切渦產生機理及發(fā)展過程的描述。

圖4　汽車側窗附近渦流分布

圖5　A柱中段水平切面壓力等值線圖

在數值計算過程中，采集駕駛員左耳處壓力值作為后續(xù)分析和評判乘客艙內部聲壓級水平的標準，采集時間為1.5 s，記錄間隔為4.76×10-5s。圖6代表后側窗最大開度、速度90 km/h情況下計算得到的駕駛員左耳處壓力波動情況，從中可以看出，在該工況下，壓力波動幅值為100 Pa，且不會隨計算時間的增加而衰減，這種汽車腔體內持續(xù)的壓力波動現象代表風振的發(fā)生。100 Pa的波動幅值表示該工況下的壓力脈動強度，轉換成聲壓級如圖7所示。將數值計算得到的聲壓級曲線與試驗獲得的聲壓級曲線進行對比可以發(fā)現，在最大聲壓級處兩者匹配很好，雖然在50～70 Hz處存在較大誤差，但并不影響數值計算整體的準確性。

圖6　90 km/h下駕駛員左耳處壓力波動

圖8和圖9分別為后側窗最大開度、不同速度情況下駕駛員左耳處最大聲壓級及其發(fā)生頻率的計算與試驗對比結果。從圖中可以看出，車速50～110 km/h都屬于其風振速度區(qū)間內；當車速達到50 km/h時，風振現象開始出現，最大聲壓級對應的頻率也達到最低點；隨著車速增加，風振現象越來越明顯，最大聲壓級越來越高，當車速達到90 km/h時，最大聲壓級達到峰值128.67 dB，之后隨車速增加，最大聲壓級開始下降。通過對比可以發(fā)現，在風振速度區(qū)間內計算和試驗結果在最大聲壓級及其發(fā)生頻率上吻合很好，但在車速較小時會存在一定誤差，最大誤差為5 dB。經分析發(fā)現，誤差主要源于此次計算采取了固定面積的不反射壁面來計算不同車速下車內的能量損失。實際上在車速較低時，由于沒有風振產生或風振較弱，相應的由于屈服造成的能量損失也會降低，導致在低速區(qū)域計算得到的結果會小于試驗值。試驗結果中采用的頻率間隔為0.7 Hz，而在計算中最小只能使用1 Hz，因此會導致試驗和計算在頻率上存在誤差。通過兩者對比發(fā)現，最大誤差僅1.1 Hz，且發(fā)生在100 km/h處，對于其他速度，頻率誤差都在1 Hz以內。

圖7　90 km/h下試驗與仿真聲壓級曲線對比

圖8　不同速度下的最大聲壓級曲線

圖9　不同速度下最大聲壓級發(fā)生頻率

6　優(yōu)化方向探索

傳統的風振優(yōu)化手段主要分為主動控制和被動控制[8]兩種。主動控制是指通過一些主動發(fā)聲設備來減弱風振噪聲，由于其成本過高，一般只能應用于一些高檔車型。被動控制能有效控制成本，但其設計難度大且易導致額外的外型噪聲。關于汽車風振，尤其是后側窗風振的優(yōu)化，國內研究較少，國外有文獻[9]指出，通過額外開孔或在窗戶中間加設一條立柱有助于減緩側窗風振，本文結合該觀點，分析研究了風振現象產生的機理并進行了優(yōu)化。

后側窗玻璃處于最大開度狀態(tài)和去掉玻璃兩種工況的聲壓級對比計算結果如圖10所示。從圖10中可以看出，在90 km/h速度下，兩種工況得到的最大聲壓級基本相同，說明增加后側窗靠近下緣部分的開口面積對風振強度無影響，而主要原因是由于后側窗開口靠近下緣部分處于后視鏡尾流區(qū)內，該區(qū)域無法形成剪切渦的周期性脫落現象。同時也說明剪切層的形成及剪切渦的周期性脫落現象是風振現象產生的根本原因，介于A柱和后視鏡尾流之間的區(qū)域才是影響側窗風振發(fā)生的重要因素。

圖10　去掉后側窗玻璃的聲壓級曲線對比

如圖11所示，為了減小A柱和后視鏡尾流之間的區(qū)域，將后視鏡支架上方的開口封住。封住支架上方開口后聲壓級曲線對比結果如圖12所示，可知最大聲壓級由原來的128.22 dB降為123.93 dB，說明減小A柱和后視鏡尾流之間的區(qū)域能有效改善側窗風振。文獻[10]中通過試驗驗證了采取類似措施后后側窗風振減小4 dB，與本文計算結果非常接近。

圖11　封住支架上方開口的后視鏡

根據頻率計算公式（1）和公式（2）可知，在其他尺寸不變的情況下，增大開口在流動方向上的間距能減小渦的脫落頻率，同時增大汽車的固有頻率可減弱兩個頻率之間的共振強度，降低風振噪聲。如圖13和圖14所示，通過將開口后緣后移140 mm，最大聲壓級由128.22 dB降為121.15 dB，同時共振頻率由15.98 Hz降為13.98 Hz。

圖12　封住支架上方開口前、后聲壓級曲線對比

圖13　后側窗開口后緣后移

圖14　后側窗開口后緣后?移140 mm前、后聲壓級曲線對比

7　結束語

a.通過數值計算結果與風洞試驗數據對比，驗證了數值計算的準確性，并對兩者存在誤差的地方進行了分析。

b.在數值計算基礎上分析了產生汽車后側窗風振現象的原因及影響風振強度的重要因素，同時對該款轎車后側窗風振現象進行了優(yōu)化。提出通過減小A柱和后視鏡尾流之間的區(qū)域大小改變共振強度等手段減小風振強度，并通過計算分析驗證了其可行性。

本文并未對后側窗風振問題的優(yōu)化提出可行性分析且缺乏試驗論證，后續(xù)需要進一步研究分析。

參考文獻

1W.K.Bodger and C.M.Jones.Aerodynamic wind throb in pas?senger car.SAE International,1964.

2黃磊.汽車天窗風振問題的研究.噪聲與振動控制，2009, 2:38～41.

3Richard Walker and Wei wei.Optimization of Mirror Angle for Front Window Buffeting and Wind Noise Using Experi?mental Method.SAE,2007.

4Larry Deaton,Mohan Rao and Wei-zen Shih.Root Cause Identification and Methods of Reducing Rear Window Buf?feting Noise.SAE International,2007.

5Bernd Crouse,Sivapalan Senthooran,Gana Balasubramani?an and David Freed.Computational Aeroacoustics Investiga?tion of Automobile Sunroof Buffeting.SAE International, 2007.

6D.K.Ota,S.R.Chakravarthy and T.Becker.Computational Study of Resonance Suppression of Open Sunroof.ASME, 1994.

7Chang-Fa An,Seyed Mehdi Alaie and Sandeep D.Sovani. Side Window Buffeting Characteristics of an SUV.SAE In?ternational,2004.

8Chang-Fa An and Kanwerdip Singh.Optimization Study for Sunroof Buffeting Reduction.SAE international,2006.

9Chang-Fa An,Mitchell Puskarz,Kanwerdip Singh and Mark E.Gleason.Attempts for Reduction of Rear Window Buffeting Using CFD.SAE International,2005.

10Dena Hendriana,Sandeep D.Sovani and Mitra K.Schie?mann.On Simulating Passenger Car Side Window Buffet?ing.SAE International,2003.

（責任編輯簾青）

修改稿收到日期為2016年2月1日。

A Study on Rear Window Wind Vibration of a Sedan

Wu Haibo1,Zhou Jiangbin1,Chen Qian1,Liu Gongwen1,Qian Chaoqun2
（1.Shanghai Volkswagen Automotive Co.,Ltd,Shanghai 201805;2.Yirui Automobile Technology Co.,Ltd, Shanghai 201805,China）

【Abstract】In this paper,a numerical computation method is established against wind tunnel test and with fully consideration of absorption,compliance,and leakage of the passenger compartment interior wall.And then,by comparing the calculated maximum sound pressure level and its frequency at different velocity with the wind tunnel test results,the simulation methodology is validated.After that,the main cause and its influence factor of the rear side window vibration are analyzed based on the computation model,and the optimization is conducted,which can shorten development cycle and reduce vehicle wind tunnel cost effectively.

Key words:Rear side window,Vibration noise,Numerical calculation,Sound pressure level, Frequency,Wind tunnel test

中圖分類號:U461.1

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）03-0009-05