某SUV A柱棱線(xiàn)位置對(duì)車(chē)內(nèi)風(fēng)噪性能的影響*

徐鵬 劉海軍，2 宋佰高 徐旭 李明亞 楊超

（1.長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司，河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心；2.河北大學(xué)建筑工程學(xué)院）

汽車(chē)在高速行駛的過(guò)程中，氣流流過(guò)車(chē)身表面突出物、車(chē)身不同部件之間的縫隙、凹凸不平處均會(huì)引起氣流分離，并產(chǎn)生湍流壓力脈動(dòng)作用于車(chē)身表面，成為外部主要?dú)鈩?dòng)噪聲源。車(chē)速超過(guò)100 km/h 后，氣動(dòng)噪聲便成為影響駕乘人員舒適性的主要因素。因此，汽車(chē)的氣動(dòng)噪聲逐漸成為世界各汽車(chē)強(qiáng)國(guó)共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，也是制約中國(guó)汽車(chē)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)氣動(dòng)噪聲的研究多數(shù)關(guān)注后視鏡和A 柱的氣動(dòng)噪聲外流場(chǎng)的分布規(guī)律，少數(shù)人研究了后視鏡的氣動(dòng)噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)，至今未見(jiàn)A 柱參數(shù)變化對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲影響的文獻(xiàn)。文章采用PowerFLOW 和PowerACOUSTICS 相結(jié)合的方法，研究了A 柱參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)車(chē)外流場(chǎng)的分布和車(chē)內(nèi)乘客頭部空間的風(fēng)噪貢獻(xiàn)量之間的變化規(guī)律。

1 國(guó)內(nèi)外對(duì)氣動(dòng)噪聲的研究

國(guó)外對(duì)氣動(dòng)噪聲的研究方面，英國(guó)科學(xué)家Lighthill將流體的連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程聯(lián)立導(dǎo)出了聲音的基本方程，將復(fù)雜的聲學(xué)問(wèn)題分為聲場(chǎng)和流場(chǎng)問(wèn)題，這就是著名的聲類(lèi)比的思想[1-2]。Lighthill 聲學(xué)方程不能求解靜止物體邊界對(duì)聲音的影響，Curle 對(duì)Lighthill 聲學(xué)方程進(jìn)行修正，給出了Curle 聲學(xué)方程[3]。Ffowcs Williams和Hawkings 將Curle 方程又進(jìn)一步推廣到流體中運(yùn)動(dòng)物體的工況，得出更符合實(shí)際的氣動(dòng)聲學(xué)方程（FW-H方程）[3-4]。汽車(chē)外部流體在車(chē)身表面產(chǎn)生湍流和湍流壁面壓力脈動(dòng)，結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和振動(dòng)聲學(xué)仿真策略，可以預(yù)測(cè)其傳遞到車(chē)內(nèi)的噪聲，并且對(duì)湍流噪聲及湍流壁面壓力脈動(dòng)產(chǎn)生噪聲的重要性進(jìn)行評(píng)估[5]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)氣動(dòng)噪聲的研究要晚于西方國(guó)家，從試驗(yàn)和仿真兩方面進(jìn)行研究，汽車(chē)外部造型決定整車(chē)的流體動(dòng)力和氣動(dòng)噪聲，在研發(fā)階段汽車(chē)的A 柱、前擋風(fēng)玻璃、進(jìn)氣柵、車(chē)頂篷、側(cè)窗、天窗、車(chē)輪、底盤(pán)、門(mén)把手和后視鏡均是汽車(chē)氣動(dòng)噪聲的重點(diǎn)關(guān)注部位[6-10]。文獻(xiàn)[11]對(duì)外后視鏡氣動(dòng)噪聲的影響進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[12-13]利用全尺寸聲學(xué)風(fēng)洞和螺旋形聲陣列對(duì)汽車(chē)的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行研究，得到后視鏡對(duì)車(chē)內(nèi)駕乘人員的影響較大。后視鏡是汽車(chē)高速行駛中對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)較大的外凸物，通過(guò)合理控制后視鏡的結(jié)構(gòu)可以改善車(chē)外流場(chǎng)分布，進(jìn)而改善車(chē)內(nèi)的噪聲水平[14]。文獻(xiàn)[15]采用仿真的方法針對(duì)某SUV 外后視鏡對(duì)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)的響應(yīng)進(jìn)行了研究，得出外后視鏡的導(dǎo)流筋和雨水槽在一定程度上起到抑制聲源的作用，進(jìn)而改善了車(chē)內(nèi)駕乘人員的舒適性。試驗(yàn)研究是氣動(dòng)噪聲研究的一種方法，而隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，數(shù)值仿真方法在氣動(dòng)噪聲研究中也逐漸起到一定作用，文獻(xiàn)[15]采用渦聲理的方法對(duì)A 柱氣動(dòng)噪聲的外流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真研究，通過(guò)優(yōu)化車(chē)外流場(chǎng)減小噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)駕乘人員的影響。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 模型及計(jì)算域

圖1 示出數(shù)值計(jì)算使用的風(fēng)洞。風(fēng)洞入口為速度入口，風(fēng)速為140 km/h；風(fēng)洞出口為大氣壓力出口；車(chē)身表面為壁面邊界條件；地板設(shè)置速度矢量來(lái)模擬地面相對(duì)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)，大小與風(fēng)速一致；汽車(chē)車(chē)輪設(shè)置表面旋轉(zhuǎn)；流體介質(zhì)為空氣，體積質(zhì)量為1.18 kg/m3。

圖1 整車(chē)與計(jì)算域模型

某SUV 的A 柱幾何模型，如圖2 所示。整車(chē)A 柱棱線(xiàn)以A 柱與前風(fēng)擋相交面為原點(diǎn)。將棱線(xiàn)位置為12，18，24，30 mm 分別定為方案Ⅰ～方案Ⅳ。

圖2 某SUV A 柱棱線(xiàn)位置幾何模型

2.2 數(shù)值方法

CFD 計(jì)算流場(chǎng)數(shù)據(jù)的結(jié)果精確度決定著聲學(xué)軟件計(jì)算聲場(chǎng)數(shù)據(jù)的精確度，為得到準(zhǔn)確的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用的網(wǎng)格數(shù)超過(guò)9 000 萬(wàn)個(gè)，計(jì)算流場(chǎng)物理量時(shí)，玻爾茲曼質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程和動(dòng)量守恒方程均采用二階迎風(fēng)格式離散，運(yùn)用PESIO 算法。

運(yùn)用PowerFLOW 軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，流場(chǎng)計(jì)算結(jié)束后使用聲學(xué)仿真軟件PowerACOUSTICS 對(duì)車(chē)內(nèi)駕駛員左耳的聲場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。圖3 示出試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真結(jié)果的對(duì)比曲線(xiàn)，數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明本數(shù)值計(jì)算方法在研究氣動(dòng)聲學(xué)問(wèn)題中的可行、正確與可靠。該方法保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，可在汽車(chē)研發(fā)前期為造型設(shè)計(jì)部提供技術(shù)支持。

圖3 車(chē)內(nèi)駕駛員左耳處聲場(chǎng)數(shù)值仿真與試驗(yàn)對(duì)比

3 計(jì)算結(jié)果及分析

運(yùn)用PowerACOUSTICS，將PowerFLOW 計(jì)算得到的流場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)前風(fēng)擋和左前側(cè)窗，計(jì)算車(chē)內(nèi)駕駛員外耳聲場(chǎng)。4 種方案均采用相同的計(jì)算條件（邊界條件和初始條件），對(duì)以速度140 km/h 行駛的汽車(chē)進(jìn)行計(jì)算，并分析結(jié)果。

3.1 流場(chǎng)分析

汽車(chē)在高速行駛過(guò)程中，氣體與汽車(chē)產(chǎn)生劇烈的相互作用，A 柱、A 柱與前風(fēng)擋以及A 柱與后視鏡區(qū)域是氣流變化劇烈的區(qū)域，形成較強(qiáng)的湍流區(qū)，同時(shí)也是產(chǎn)生車(chē)外部聲源較強(qiáng)的區(qū)域。

A 柱的流線(xiàn)圖，如圖4 所示，方案II 的A 柱上氣流分離較少。方案II 的棱線(xiàn)位置讓氣流更順暢流過(guò)A 柱而減弱分離，進(jìn)而改善了經(jīng)前風(fēng)擋流過(guò)A 柱的氣流。

圖4 某SUV A 柱流線(xiàn)圖

圖5 示出A 柱湍動(dòng)能云圖，方案II 的湍動(dòng)能最小，棱線(xiàn)的位置減小了氣流經(jīng)過(guò)A 柱后產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)程度，改善了A 柱產(chǎn)生聲源的強(qiáng)度，降低了車(chē)外部聲源的強(qiáng)度。

圖5 某SUV A 柱湍動(dòng)能云圖

側(cè)窗上壓力脈動(dòng)，如圖6 所示，4 種方案的湍流強(qiáng)度隨著頻率的增大逐漸減小，由湍流產(chǎn)生的噪聲源能量主要集中在2 000 Hz 以下，這是寬頻氣動(dòng)噪聲的特點(diǎn)。方案II 的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度要弱于其它方案，棱線(xiàn)的位置減小了經(jīng)A 柱分離產(chǎn)生的分離氣流聚集而成的A柱的拖拽渦對(duì)側(cè)窗產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)的影響。

圖6 某SUV 側(cè)窗湍流壓力云圖

前風(fēng)擋上湍流，如圖7 所示，產(chǎn)生的脈動(dòng)聲源隨著頻率的變化規(guī)律與側(cè)窗一致。整個(gè)頻段內(nèi)，4 種方案的湍流強(qiáng)度差別不大，方案II 是中間水平。A 柱棱線(xiàn)對(duì)流經(jīng)前風(fēng)擋的氣流的流態(tài)影響較小。

圖7 某SUV 前風(fēng)擋上湍流壓力云圖

3.2 外聲場(chǎng)分析

汽車(chē)高速行駛過(guò)程中，經(jīng)A 柱的氣流分離，產(chǎn)生了分離渦，渦破碎生成了氣動(dòng)噪聲源，由聲源產(chǎn)生的聲波經(jīng)空氣介質(zhì)傳播至側(cè)窗和前風(fēng)擋上，進(jìn)而經(jīng)過(guò)側(cè)窗和前風(fēng)擋傳播至車(chē)內(nèi)，影響駕乘人員的舒適性。

氣流經(jīng)A 柱分離產(chǎn)生脫落渦，渦的破碎產(chǎn)生的聲源在側(cè)窗上分布，如圖8 所示，聲音的能量隨著頻率的增大逐漸降低，聲音能量也主要集中在2 000 Hz 以下。在500～5 000 Hz 范圍內(nèi)，方案II 在側(cè)窗上靠近后視鏡和A 柱區(qū)域的聲音能量均小于其它方案。A 柱棱線(xiàn)位置改善了經(jīng)A 柱產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲源聲場(chǎng)分布，降低了經(jīng)側(cè)窗傳遞至車(chē)內(nèi)的聲源強(qiáng)度。

圖8 某SUV 側(cè)窗上聲壓云圖

圖9 示出前風(fēng)擋上聲壓云圖，4 種方案的聲源強(qiáng)度差別不大。方案II 的聲源強(qiáng)度是中間水平。A 柱棱線(xiàn)位置對(duì)氣流經(jīng)前風(fēng)擋產(chǎn)生的氣動(dòng)聲場(chǎng)的分布影響較小。

圖9 某SUV 前風(fēng)擋上聲壓云圖

3.3 內(nèi)聲場(chǎng)分析

汽車(chē)高速行駛的過(guò)程中，車(chē)外部由A 柱產(chǎn)生的氣動(dòng)聲源經(jīng)側(cè)窗和前風(fēng)擋傳至車(chē)內(nèi)，影響車(chē)內(nèi)駕乘人員區(qū)域聲場(chǎng)的分布。通過(guò)優(yōu)化棱線(xiàn)的位置可以對(duì)車(chē)內(nèi)駕乘人員區(qū)域聲場(chǎng)分布進(jìn)行控制，進(jìn)而提高駕乘人員的舒適性。

圖10 示出車(chē)外噪聲源經(jīng)左前側(cè)窗傳至車(chē)內(nèi)駕駛員外耳的頻譜曲線(xiàn)，250 Hz 以上車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)能量隨著頻率的增大逐漸減小。4 種方案的頻譜曲線(xiàn)在250 Hz 左右有一個(gè)“鼓包”，該處“鼓包”是由于采用A 計(jì)權(quán)所致，隨著頻率的增大，曲線(xiàn)逐漸下降，但在3 200 Hz 左右又出現(xiàn)一個(gè)“鼓包”，該處“鼓包”是由于玻璃自身屬性（吻合效應(yīng)）所致。在100～500 Hz，方案I 和II 的能量差別不大，但小于其它2 種方案，在500 Hz 以上方案II 的能量均小于其它方案。方案II 的聲壓級(jí)比方案IV 降低了2.5 dB，響度減小了3.4 sone，語(yǔ)言清晰度（AI）提高11.8%，方案II 優(yōu)化了車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)分布，提高了車(chē)內(nèi)的聲品質(zhì)，改善了駕乘人員的舒適性。

圖10 車(chē)外噪聲經(jīng)側(cè)窗對(duì)駕駛員外耳響應(yīng)頻譜曲線(xiàn)

圖11 示出車(chē)外噪聲源經(jīng)前風(fēng)擋傳至車(chē)內(nèi)駕駛員外耳的頻譜曲線(xiàn)，車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)能量隨著頻率變化的規(guī)律同側(cè)窗一致。方案II 比方案III 的車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)能量增加了約0.6 dB，響度增大了0.5 sone，語(yǔ)言清晰度（AI）降低了0.8%，A 柱棱線(xiàn)位置對(duì)噪聲經(jīng)前風(fēng)擋傳遞至車(chē)內(nèi)駕乘人員的響應(yīng)影響較小。

圖11 車(chē)外噪聲經(jīng)前風(fēng)擋對(duì)駕駛員外耳響應(yīng)頻譜曲線(xiàn)

圖12 示出駕駛員外耳頻譜曲線(xiàn)圖，該曲線(xiàn)是由噪聲經(jīng)前風(fēng)擋和側(cè)窗對(duì)車(chē)內(nèi)駕駛員外耳響應(yīng)共同作用的結(jié)果，500 Hz 以下方案I 和II 的車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)能量差別不大，但均小于其它2 種方案，500 Hz 以上方案I 聲場(chǎng)能量小于其它3 種方案。方案II 在整個(gè)頻段內(nèi)總聲壓級(jí)降低了約1.8 dB，響度減小了2.9 sone，語(yǔ)言清晰度（AI）提高9.5%。通過(guò)對(duì)A 柱棱線(xiàn)位置的優(yōu)化控制，優(yōu)化了車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)的分布，提高了整車(chē)的聲品質(zhì)，改善了駕乘人員的舒適性，對(duì)車(chē)內(nèi)駕乘人員區(qū)域的聲場(chǎng)起到良好的降噪作用。

圖12 駕駛員外耳總聲壓頻譜曲線(xiàn)

4 結(jié)論

采用聲場(chǎng)和流場(chǎng)相互結(jié)合的方法對(duì)A 柱的壓條和原狀態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算，得出：

1）運(yùn)用基于統(tǒng)計(jì)能量法的聲學(xué)仿真軟件Power ACOUSTIC 對(duì)PowerFLOW 計(jì)算的流場(chǎng)進(jìn)行車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)計(jì)算，將試驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，變化趨勢(shì)吻合較好，驗(yàn)證了該仿真方法的可靠性，可以為車(chē)型研發(fā)前期提供技術(shù)支持；

2）A 柱壓條增大了經(jīng)A 柱分離后產(chǎn)生A 柱拖拽渦的壓力脈動(dòng)對(duì)側(cè)窗的影響，湍流壓力脈動(dòng)主要集中在2 000 Hz 以下，湍流壓力脈動(dòng)隨頻率的增大衰減較快；

3）A 柱壓條對(duì)前風(fēng)擋的氣流進(jìn)行合理梳理，降低A 柱與前風(fēng)擋區(qū)域的氣動(dòng)聲源，改善經(jīng)前風(fēng)擋傳遞至車(chē)內(nèi)的聲場(chǎng)分布，提高了車(chē)內(nèi)的聲品質(zhì)。

4）在2 000 Hz 以下時(shí)壓條對(duì)車(chē)內(nèi)駕駛員外耳區(qū)域的聲場(chǎng)影響較小，在2 000 Hz 以上時(shí)影響較大，該頻段是影響聲品質(zhì)的主要頻段，故壓條可以提高車(chē)內(nèi)總的聲品質(zhì)。