后視鏡造型對內場風噪聲的影響

許志寶，汪東斌，李忠禹，徐寅生

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

后視鏡造型對內場風噪聲的影響

許志寶，汪東斌，李忠禹，徐寅生

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為有效降低車內風噪聲，根據氣動噪聲產生機理，采用聲振耦合的分析方法對某SUV車型后視鏡原狀態及優化方案的內場氣動噪聲進行數值仿真，得到駕駛員左耳側的聲學響應。結果表明，對后視鏡進行合理的造型優化能夠改善了側窗外流場湍流脈動壓力，降低了側窗的聲壓響應；能夠降低后視鏡表面聲源強度，減少了后視鏡通過側窗傳播到車內的噪聲，提升車輛駕駛感受。

氣動噪聲；后視鏡優化；流場；壓力脈動；聲壓響應

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-127-05

前言

隨著汽車工業的發展，越來越多的家庭擁有汽車，因而對汽車技術的發展也提出了更多新的要求，除了要考慮傳統的燃油經濟性和動力性外，對汽車乘坐舒適性有了更高的要求，車內噪聲的大小成為評價汽車舒適性的一個重要標準[1]。汽車行駛時的噪聲源有很多種，常見的有發動機的動力傳動噪聲、輪胎的路面噪聲和風噪聲（空氣動力噪聲）。前面兩種噪聲源已經得到了很好的控制，氣動噪聲的研究是近年來才興起研究的，當車速大于100km/h時，汽車的氣動噪聲會隨著車速的增大而不斷增大，成為整車主要的噪聲源[2]。研究表明，氣動噪聲與車速的六次方成正比，伴隨著我國高速公路的不斷建設，汽車的行駛車速也在不斷提升，氣動噪聲對汽車的性能影響越來越大。然而，對氣動噪聲的研究在理論上還不夠成熟，由于涉及到的學科比較多，對它的研究還有很多難度。本文以研究車內氣動噪聲的產生機理和車外氣動噪聲向車內傳播的路徑為基礎，探討了后視鏡造型對車內氣動噪聲的影響，為車輛優化設計及后視鏡開發提供仿真依據，并且取得了較好的效果。

1 氣動噪聲理論

目前采用耦合計算[3-4]的方式來計算聲場，應用STARCCM+流體分析軟件和Virtual lab聲場模擬軟件，主要分兩個階段，首先用數值仿真[5]的方法對外流場進行仿真計算，得到外流場的數據，然后導入聲學軟件中進行聲壓級的計算，經過優化計算，得到理想的結果。

1.1 分離渦模擬（DES）理論

目前常用的一種數值仿真方法為分離渦模擬（DES），即Detached Eddy Simulation,它比雷諾平均模擬（RANS）計算的結果更精確，又沒有大渦模擬（LES）的計算量大，是介于兩者之間的一種方法[6-7]，具有很多優點。DES仿真方法采用一個相同的渦黏輸運方程，根據模型生成網格的尺寸區分LES區和RANS區，在網格較密的區域采用了LES的方法去求解，剩余的區域采用RANS的方法去求解。根據所選方程的不同，DES模型又可以分為不同的形式，本文采用的DES方法基于SST 模型，其k方程和方程如下所示[8]：

渦黏系數方程如下：

其中，和是渦流生成項，可以參考經驗對方程中的系數進行取值[8]。k方程中的是湍流尺度參數，表達式如下：

表示DES方法中RANS和LES的分辨尺度，表達式如下：

其中，=0.78，△為網格的尺度，當網格為非均勻網格時，

SST 模型的優點在于它能夠適宜于低雷諾數時的近壁處理，更加適合于具有分離特性汽車外流場的模擬[9]。

1.2 氣動聲學方程

氣動聲學仿真采用的是著名的福茨威廉姆斯。霍金斯（FW-H）方程，它是Ffowcs Williams和Haw kings[10]從Ligh-thill方程推導出來的，方程如下：

其中p'表示聲壓，T 表示Lighthill張量，ni表示表面法向量，vn表示法向速度，方程右邊的第一項表示的是流體運動時引起的四極子聲源，第二項表示的是表面作用在流體上的力所引起的偶極子聲源，第三項表示的容積移動效應的單極子聲源。

忽略單子極聲源，本文主要從偶極子聲源和四極子聲源這兩個方面對噪聲進行研究[11]。

1.3 聲振耦合有限元理論

在聲振耦合的系統中，空腔內部的三維聲場離散形式波動方程如下：

方程中[Mf]表示聲學的等效質量矩陣；[Cf]表示流體的等效阻尼矩陣；[Kf] 表示聲學的等效剛度矩陣；[p]表示節點的聲壓矩陣；R表示流體與結構的耦合矩陣；表示單元節點的位移對時間的二階導數矩陣。

當考慮流體和結構之間的耦合時，聲壓會在流體和結構的交接面處對結構產生一個作用力，可以將它轉換到結構的節點上，此時結構振動的控制方程可以轉變為：

方程中[Ff]表示作用于耦合界面處的流體壓力載荷。

由方程（8）和（9）可以得到耦合狀態下的結構一流體運動方程，采用矩陣的形式可以表示如下：

求解方程(10）的結果可以得到結構表面節點處的位移與聲壓，本文利用STAR-CCM+ 計算模型的結構模態，利用LMS Virtual Lab計算模型的聲學模態，最后將求得的結構模態結果導進LMS Virtual Lab 軟件中去求解聲固耦合模型。通過對聲固耦合計算得到的聲場模擬結果進行分析比較，可以為后視鏡的造型設計提供依據。

2 數值仿真參數設置

2.1 計算模型的建立

本文以某SUV車型為模板，采用數值仿真的方法對后視鏡進行優化分析，為了節約研發成本和節省時間，先進行氣動聲源優化分析，盡量保留它的特征，這些部件有A柱、前風擋玻璃密封條、后視鏡、駕駛員側的側窗玻璃及玻璃水切和密封膠條等，對底盤和發動機艙進行封閉處理，如圖1所示。

圖1 整車模型

根據車型的尺寸，我們采用矩形的數字風洞作為計算域，尺寸為65×16×10m3，車前端距來流入口20m，這樣可以保證仿真的結果受阻塞比[12]的影響盡可能小，仿真車模在風洞中的示意圖如圖2所示。

仿真所用的網格為Trimmer網格，最小面網格尺寸為2mm，最大面網格尺寸為500mm，考慮到近壁區的問題，根據經驗，我們采用2層邊界層網格，邊界層網格厚度為2mm，首層邊界層網格厚度為0.8mm。并對主要關注區域進行局部加密處理。

2.2 數值仿真參數的設置

本文的優化部分應用STAR-CCM+流體分析軟件進行仿真計算，在這里我們假定氣流為不可壓縮流，計算域的前端設置為速度入口（inlet），計算域的后端設置為壓力出口（pres-sure-outlet），壓力出口距離車身后部有較長的距離，當空氣流經壓力出口時可以視為自由流體，因此將壓力出口的壓力值設置為標準大氣壓的值[13]。計算模型邊界條件的設置如表1所示。空間離散格式選用二階的迎風格式，采用SIMPLE算法，計算直到殘差曲線收斂，通過這樣的設置，可以精確真實地模擬出流場的變化。

表1 邊界條件的設置

3 后視鏡造型優化結果及分析

圖5 后視鏡原始模型與優化模型示意圖

在氣動噪聲的試驗中，由于背景噪聲比較復雜，很難測出后視鏡產生的噪聲對總聲壓級的影響，但通過數值仿真的方法，能夠很好地模擬出后視鏡噪聲對總聲壓級的影響，通常后視鏡周圍的流場是比較復雜的湍流流場，伴隨氣體的流動有著劇烈的壓力脈動[14]，這正是氣動噪聲產生的主要誘因，通過改變后視鏡結構能夠很好的改善高速行駛車輛周圍的外流場分布，從而改善車內噪聲的水平[15]。本文所用基礎后視鏡如下圖中Case0所示，氣動聲學理論及相關工程經驗，通過改變后視鏡殼體及后視鏡連接桿，得到四種后視鏡優化方案，即Case1、Case2、Case3、Case4，優化后的后視鏡結構圖5所示。

3.1 后視鏡區域表面聲源云圖分析

圖6為各方案后視鏡區域的面聲源云圖，從中可以看出優化后的后視鏡區域表面聲源強度明顯低于原狀態后視鏡區域的表面聲源強度，且Case3方案略好于Case2方案與Case1方案，Case4方案的優化效果最好。

圖6 后視鏡區域表面聲源云圖

3.2 后視鏡區域體聲源云圖分析

圖7 后視鏡區域體聲源云圖

針對模型后視鏡區域的體聲源結果分析，我們在車體后視鏡區域不同高度的位置做4個水平界面，重點對比這四個截面上的結果。從圖7中可以看出截面上的體聲源分布，Case4優化模型的體聲源明顯小于Case0原始模型和Case1、Case2、Case3優化模型，說明Case4優化方案的優化效果最佳。

通過對基礎模型與優化方案外場聲源強度的定性分析，可以看出，對后視鏡造型進行合理優化，能有效降低汽車外場的聲源強度。為驗證后視鏡造型對內場風噪聲的影響，接下來以后視鏡原始狀態Case0和最佳優化方案Case4為模板進行內場風噪聲響應的對比分析。

4 噪聲優化結果及分析

用STAR-CCM+流體分析軟件計算基礎車型（Case0后視鏡）與優化車型（Case4后視鏡）進行瞬態流場仿真，得到外流場的數據，然后導入聲學軟件Virtual lab中進行聲壓級的計算。為保證計算結果的一致性，基礎車型計算模型與優化車型計算模型采用除后視鏡外完全相同的網格模型，且保證數據采集點的位置完全相同，具體方案如下圖。

圖8 聲場計算模型

圖9 基礎車型后視鏡（Case0）與優化車型后視鏡（Case4）對比圖

圖10 場點網格設置示意圖

4.1 駕駛員左耳聲壓總級優化對比

由圖11可以看出優化車型駕駛員左耳處總聲壓級為63.9dB (A)，明顯低于基礎車型駕駛員左耳處總聲壓級64.9 dB(A)，說明對后視鏡造型進行優化可有效降低內場噪聲。

圖11 總聲壓駕駛員左耳處的聲壓響應

4.2 后視鏡噪聲優化對比

圖12 后視鏡噪聲在側窗玻璃上的壓力響應

由圖12可知優化后的后視鏡噪聲在側窗上的聲壓響應[16]明顯好于基礎車型，由圖13可知優化車型聲致聲壓級明顯低于基礎車型，說明優化后的后視鏡表面噪聲在人耳處的響應明顯降低。

圖13 后視鏡噪聲在駕駛員左耳處的聲壓響應

4.3 側窗湍流壓力優化對比

由圖14可知優化后車型湍流在側窗后部的壓力響應好于基礎車型；由圖15可知優化車型流致聲壓級好與基礎車型流致聲壓級。

圖14 湍流壓力在側窗玻璃上的壓力響應

圖15 湍流壓力在駕駛員左耳處的聲壓響應

5 結論

（1）對后視鏡造型進行優化可有效降低后視鏡區域的氣動聲源強度。

（2）優化車型駕駛員左耳處計算的總聲壓級為63.9Db(A)，基礎車型駕駛員左耳處計算的總聲壓級為64.9dB(A)，后視鏡優化方案可有效降低內場風噪聲。

（3）優秀的后視鏡造型，可有效降低內場風噪聲。

（4）可以在汽車開發前期通過數值仿真對后視鏡造型進行優化，從而控制車內噪聲。

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The influence of rearview mirror modelling to internal aeroacoustic noise

Xu Zhibao, Wang Dongbin, Li Zhongyu, Xu Yinsheng
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

To effectively reduce the internal wind noise. By using the method of acoustic coupling analysis for a SUV car rearview mirror the original and optimization state of numerical simulation on internal aerodynamic noise, acoustic response of the driver's left ear side. The results show that the modelling of the rearview mirror in a reasonable manner optimization can improve the lateral flow field in turbulent fluctuating pressure of side window, reduce the acoustic pressure response of side window. The results show that the modelling of the rearview mirror in a reasonable manner optimization also can reduce the strength of rearview mirror surface source and the noise of the rearview mirror through the side window to the car,improve vehicle driving experience.

aeroacoustics noise; rearview mirror optimization; flow field; pressure fluctuation; sound pressure response

U467.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-127-05

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.043

許志寶，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。