某SUV車型A柱風噪性能優化研究

覃炳恒 覃慶鸞

【摘 要】A柱作為汽車的重要組成部分，其造型不僅對視野障礙角有重大影響，對汽車風噪性能也非常敏感。文章以某款SUV為例，應用PowerFlow軟件對A柱的造型特征進行風噪仿真計算，通過對A柱進行造型優化以達到降低風噪的目的，同時研究影響A柱的重要參數，為A柱的前期風噪控制提供參考。

【關鍵詞】A柱;風噪;SUV優化

【中圖分類號】U463 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）05-0035-03

0 引言

在汽車發展日新月異的今天，人們對乘車舒適度有了更高的要求，而汽車在高速行駛時，由高速不定性氣流激勵產生的無動力學規律的風噪聲會令乘客極為不適，因此如何降低風噪已成為NVH的重要研究課題。當車速達到80 km/h時，風噪聲逐漸掩蓋其他噪聲成為主要噪聲源，隨著車速的提高，更是以車速6次方的關系增加[1]，因此高速行駛的汽車噪聲控制的有效途徑是控制風噪。影響風噪的因素很多，風噪的大小取決于車速、偏航角、車輛外造型及密封性能等因素，車輛外造型是引起風噪的源頭，直接決定了噪聲源的大小和位置。因此，通過CAE仿真的手段做好外造型的前期控制，不但可以有效抑制風噪，也可減少風洞試驗次數，對控制成本與開發周期有利。

車身外造型對風噪影響較大的區域主要是A柱、后視鏡、發動機罩及外造型的搭接方式，其中，A柱對風噪的影響極為敏感，不但受到機蓋尾部流場的影響，經過前風窗的部分氣流也會流向A柱，少部分渦流從前風擋下部流向A柱與后視鏡耦合區域，流動狀態急劇變差，故A柱與后視鏡區域產生的聲源是整車風噪的最大風噪聲源[2]。因此，控制A柱造型，減少A柱氣流分離成為控制風噪的關鍵，通過增加A柱裝飾件和修改A柱型面，均能明顯減小氣流分離區[3]。

A柱造型對風噪很敏感，流向前風擋玻璃的氣流從側面流出，在A柱上端分開后形成向上移動的圓錐形漩渦，從A柱分離的流體在側窗附近產生一個高強度的錐形渦，這里形成的聲源離駕駛員耳朵的位置非常靠近，加上窗玻璃是一種很差的絕緣體，因此A柱聲源的重要性顯而易見。A柱分離后的流體會對外后視鏡流場起到增強的作用，所以合適的A柱對抑制聲音目標、降低氣流的渦流強度很關鍵。本文使用PowerFlow軟件，以某款車型為基礎，從正向開發的角度對A柱斷面結構進行仿真分析及優化。

1 研究方法

本文對某車型的A柱造型進行優化，其造型特征主要包括前風窗玻璃與A柱頂點的距離h、A柱撓度、A柱過渡圓角R、A柱飾板等（如圖1所示）。

PowerFlow是集流場、聲場分析于一體的分析軟件，計算得到流場數據后，需要通過PowerACOUSTICS軟件進行傅立葉時頻轉換得到噪聲激勵信息之后，進行聲傳播計算。同時，時頻轉換計算完成后，采用PowerVIZ軟件對計算結果進行處理，得到流場分布及聲壓級分布云圖。PowerACOUSTICS計算的目的有兩個：一是通過時頻轉換，將流場信息轉化為聲學信息，以用于PowerVIZ后處理;二是在PowerACOUSTICS中生存SPL曲線，該曲線為SPL聲壓級隨頻率變化的曲線，可導入玻璃對聲波的衰減曲線等聲學包信息，計算得到乘員艙內駕駛員頭部噪聲。PowerVIZ后處理主要產生流場信息圖及聲產信息，如總壓等值面CPT=0、渦流核心、貼面流線、聲壓級分布、壓力脈動、切面速度云圖等。

2 仿真及優化

2.1 前風窗玻璃與A柱頂點的距離h的影響

在原狀態的基礎上，將前風窗與A柱的段差h減小5 mm，其他結構及參數均保持不變，得出的SPL曲線圖如圖2所示。

圖2是優化前后的SPL曲線圖對比，反映的是不同頻段的聲壓級大小。從SPL曲線圖可以看出，優化后的總聲壓級在高頻段明顯降低，主要原因是優化后側窗的貢獻量減少了，h值的減小使得車內噪聲聲壓級降低0.75 dBA，語音清晰度提升了1.4%。

優化前后的渦量圖如圖3所示，優化前A柱上的渦流量較強，渦流在撕裂的過程中產生聲源，通過側窗玻璃傳到駕駛員耳朵，優化后A柱區域的渦流強度明顯降低，主要原因是從機蓋、前風窗玻璃上的氣流在經過A柱時，由于h段差小，氣流分離少，故經過A柱時產生的渦流量較少。

優化前后的聲壓級云圖如圖4所示。從兩圖對比發現，優化后A柱區域產生的聲波輻射傳遞到側窗玻璃減弱，B柱底部側窗玻璃的聲波載荷也有所減弱，這是因為優化后經過A柱的氣流分離相對減少，A柱與后視鏡耦合區域聲壓脈動減弱，后視鏡尾部聲壓脈動也得到一定改善，聲波輻射也有所減弱。

2.2 A柱撓度的影響

在原狀態的基礎上，修改A柱斷面撓度值，分析撓度值對風噪的影響。撓度方案如圖5所示，a方案A柱斷面內收1.0 mm，b方案A柱斷面外拱1.5 mm，其他外造型、聲學包參數一致。

各方案的車內噪聲貢獻頻譜對比如圖6所示。從圖6可以看出，a方案在各個頻率下均較原方案好，b方案在高頻段比較好，低頻段較a方案較差。2 800～5 600 Hz的聲壓級分布云圖如圖7所示。圖6對比圖7可以看出，修改A柱撓度主要是對側窗高頻噪聲產生影響，配合側窗無夾層玻璃較強的高頻穿透屬性，側窗噪聲的整車風噪性能的影響較大。相較于原方案，a方案車內噪聲聲壓級降低1.14 dBA，語音清晰度提升了2.58%，b方案車內噪聲聲壓級降低了0.29 dBA，語音清晰度提升了1.73%。

2.3 A柱過渡圓角R的影響

以某車A柱為例分析A柱過渡R角對整車風噪的影響，原狀態A柱斷面倒角為R1.5，c方案A柱斷面倒角為R9，d方案斷面倒角為R18。A柱斷面過渡倒角示意圖如圖8所示。

各狀態下的車內噪聲頻譜如圖9所示，由SPL曲線可知，c、d方案的高頻段得到了很大的改善，說明大倒角利于流體的運動，減少氣流的分離，A柱產生渦流量降低，A柱側窗附近產生的噪聲源得到抑制。c方案聲壓級降低了0.5 dBA，語音清晰度提高了1.8%，d方案聲壓級降低了0.7 dBA，語音清晰度提高了2.1%。對比c、d方案，可以看出倒角越大對風噪越有利，倒角半徑達到一定程度會使整個流場發生質變，再增大倒角效果不明顯。

外造型渦流圖如圖10所示，從A柱區域的渦流情況看，原狀態的A柱渦流較為嚴重，c、d方案的A柱區域渦流得到了較大的改善，主要是因為做大倒角后經過A柱的氣流分離減少了，渦流量也隨之減弱。

2 800～5 600 Hz的聲壓云圖如圖11所示，c、d方案較原方案聲波輻射均有所減弱，主要原因是A柱氣動分離減少，氣流經過A柱產生的渦流量較少，A柱聲源也隨之變弱。此外，A柱優化后A柱與后視鏡的耦合區域的聲源也得到一定的改善。

2.4 A柱飾板的影響

e方案為增加A柱飾板，在原狀態的基礎上，增加30 mm寬的A柱飾板（如圖12所示）。

e方案與原狀態車內噪聲噪聲頻譜如圖13所示。從圖13的SPL曲線可知，增加A柱飾板在所有頻率下聲壓級都有所降低。從數據結果上看，增加A柱飾板后車內噪聲總聲壓級降低1.74 dBA，語音清晰度提升3.3%，可見，A柱飾板對風噪影響很大，但我們仔細分析可知，A柱飾板對車內噪聲降低比較明顯的頻段在1 200 Hz以下的低頻段，高頻段也有所降低，但并不明顯。

3 結語

本文基于PowerFlow軟件對A柱的風噪性能進行仿真及優化，從得出的結果分析可知：A柱各參數對風噪的影響都是極為敏感的，前風窗玻璃與A柱頂點的距離，A柱外側倒角的大小，A柱外表面撓度及A柱飾板都是A柱造型比較重要的參數，對A柱風噪影響較大，各優化方案對風噪的效果已比較明顯。通過這次分析，可快速找到優化A柱風噪的方法與思路，為正向開發的A柱造型設計提供參考依據。

參 考 文 獻

[1]龐劍.汽車車身噪聲與振動控制[M].北京：北京機械工業出版社，2015.

[2]李明亞.某SUV車型機艙蓋風噪性能優化研究[A].中國汽車工程學會汽車空氣動力學分會，2018中國汽車工程學會汽車空氣動力學分會學術年會論文集[C].2018.

[3]王俊，龔旭，張濤，等.某車型A柱風噪優化研究[J].汽車技術，2015（9）：41-44.