后視鏡風噪外形優化設計研究

關鵬　潘雷　顧彥

摘 要：后視鏡是整車風噪的重要噪聲源之一，其外形直接影響整車NVH性能。后視鏡外形對風噪的影響按頻率特性可大致分為兩類，嘯叫與寬頻噪聲。文章通過仿真計算與試驗相結合的方法，分別對這兩類噪聲進行了分析與優化。通過試驗驗證，結果顯示，優化方案可以有效消除嘯叫，對寬頻噪聲中高頻段也有較明顯的改善。此類優化方法的原則適用于后視鏡外形早期開發設計階段。關鍵詞：后視鏡風噪;嘯叫;寬頻噪聲中圖分類號：U463.85+6 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-113-04

Abstract：?Outside rear mirror?（OSRM） is one of the important sources of vehicle wind noise， and its shape directly affects vehicle NVH performance. The influence of OSRM aero acoustic can be divided into two types according to the frequency characteristics， whistle and broadband noise. In this paper， the two kinds of noise are analyzed and optimized by means of simulation and experiment. The experiment results show that the optimization can effectively eliminate the whistle and improve the broadband noise performance.Keywords： Wind noise of outside rear mirror; Whistle; Broadband noiseCLC NO.： U463.85+6 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）11-113-04

前言

新能源車的普及以及整車密封性能的顯著提升，使得風噪性能在車輛高速行駛的過程中成為影響整車NVH水平的重要因素。 后視鏡作為整車外形的主要突出物，且其所處位置為影響風噪性能的敏感區域，所以對其外形優化是改善風噪水平的主要手段之一。

后視鏡引起的風噪問題按照頻率特性主要可以劃分為嘯叫與寬頻噪聲兩類，其產生機理不同，對計算優化方法的要求也不相同。本文將分別從流致噪聲的機理，仿真分析及優化，風洞試驗驗證等幾個方面考察后視鏡外形對于風噪性能的影響。通過對后視鏡鏡殼，基座外形及落水槽特征的優化，達到抑制寬頻噪聲，消除嘯叫窄頻噪聲的目的。

1 嘯叫

嘯叫是一種窄頻噪聲，其表現為噪聲在中高頻較窄的頻率段聲壓級明顯高于附近頻段。車輛在高速行駛的過程中，后視鏡附近會出現嘯叫的噪聲源主要可以歸結為三類：安裝基座附近或后視鏡殼體的縫隙，殼體表面氣流分離，功能特征所形成的凹槽類腔體（落水槽等）。本文所研究的對象是后兩類外形噪聲源。

1.1 嘯叫產生的機理

1.1.1 表面氣流分離

表面氣流分離是產生后視鏡嘯叫的主要原因之一，其本質是邊界層的轉捩[1]。邊界層是流體流經物體表面時，粘性力不可忽略的附面薄層。當粘性流體在物體表面出現逆壓梯度時，氣流分離隨即出現，如圖1所示。此時分離點附近會出現較為劇烈的壓力脈動，當壓力脈動出現規律性變化時，容易產生窄頻噪聲，即嘯叫。

1.1.2 凹槽腔體

凹槽腔體通常作為水管理功能（落水槽）或造型風格特征出現。其生成嘯叫的機理：邊界層氣流在凹槽前緣的幾何不連續處分離，分離的氣流繼續向下游流動。隨槽寬與槽深的比例不同，氣流會直接撞擊后緣壁面或凹槽底面，而后反作用于前緣分離的氣流。當該過程的氣流達到一定強度與相互作用的周期性反饋后，會在后緣棱邊壓力脈動劇烈區域生成聲源，繼而產生嘯叫[2]，如圖2所示。

1.2 仿真分析與優化

后視鏡表面分離與凹槽腔體所產生的嘯叫噪聲通常會發生在頻率較高的范圍（>1000HZ），受邊界層模型及計算資源所限，很難通過直接的仿真分析將高頻嘯叫噪聲復現。較為有效且能夠支持工程開發進度的方法是通過仿真計算確定聲源所在位置，對主要影響區域結合嘯叫生成機理進行優化，并最終通過試驗，驗證優化方案的有效性。

以某車型為例，該車后視鏡在高速行駛時即出現明顯的嘯叫噪聲。為了確定潛在聲源位置，計算工況為140kph，考察后視鏡上殼體壓力梯度及后視鏡附近流場湍動能分布。計算結果顯示，從后視鏡上表面的壓力梯度（如圖3）可以看出，壓力變化明顯的區域為鏡殼棱線特征與落水槽棱邊。后視鏡下游流場的湍動能分布（如圖4）也可看出，棱線特征附近表面氣流分離。

結合嘯叫產生的機理，優化方案分為兩步：首先將特征棱線光滑過渡，盡量消除此處的氣流分離，保持貼體流動。其次在保留落水槽功能特征的同時，設置落水槽前后棱邊的高差，前棱邊高于后棱邊，且后棱邊倒圓（虛線為原方案），如圖5所示。該設計可以避免氣流直接沖擊凹槽后壁面，降低氣流強度與后棱邊壓力脈動。

1.3 試驗驗證

模型更改后，經試驗驗證，4600Hz頻率附近嘯叫噪聲消除，如圖6所示。

2 寬頻噪聲

后視鏡成為整車風噪的重要影響因素，主要是因為以下幾方面原因：后視鏡作為整車外形的突出物，受到高速氣流的沖擊，本體是聲源;其尾流區位于側窗附近，對側窗流場影響較大;同時后視鏡的外形會影響A柱尾流區對側窗的影響;對于安裝于側窗的后視鏡，其密封性能對整車風噪的影響也不能忽視。

不同車型的后視鏡對整車風噪的影響也不盡相同，其原因比較復雜，不能一概而論，如圖7所示。圖中可以看出，拆除后視鏡對兩款車的影響差別明顯，其中后視鏡2的優化空間較大。

2.1 仿真分析

2.1.1 格子玻爾茲曼方法

工程實踐中廣泛使用的流場計算按照所依據的原理不同可以分為：基于連續介質力學的方法和基于分子動力學、統計力學的方法。本文做采用的為屬于后者的格子玻爾茲曼（LBM）方法。由于該計算為可壓縮流，所以外聲場信息可以直接從流場結果中提取。

2.1.2 統計能量法

風噪對乘員艙的影響主要集中在中高頻率，

而統計能量方法（SEA）適用于解決此類復雜系統寬帶中高頻動力響應問題。該方法從能量的觀點分析振動與聲，將系統劃分為儲存能量的子系統，在穩態情況下求解子系統之間能量傳遞與平衡方程。方程的基本關系式如下[4]：

2.2 模型

計算模型如圖8所示。除外造型外，該數模包含打開的前格柵，發動機艙以及底盤的零部件。詳細的數模可使來流在整車外表面的分布更加符合實測工況。A柱與后視鏡為主要細化區域。

計算工況為140kph，0偏航;計算時長為1S，0.5～1S為數據采集區間。

2.3 結果分析

2.3.1 聲場結果

聲載荷在側窗表面的分布主要可以分為兩類：湍流載荷與聲波載荷。湍流載荷的分布頻率區間主要集中在中低頻，而聲波載荷的分布區間主要集中在中高頻。

計算結果顯示，湍流載荷在側窗的分布主要集中在A柱尾流區以及后視鏡基座尾流區，如圖9a所示。聲波載荷在側窗的分布主要集中在后視鏡基座尾流區，如圖9b所示。

進一步考察空間聲源的分布，如圖10所示。可以看出在距離側窗較近的后視鏡尾流區域，聲源集中在基座與側窗交界處，鏡柄尾流區域以及后視鏡底部尾流區。

2.3.2 流場結果

結合聲場分析的結果，對流場相關區域的物理量進行考察。后視鏡下緣附近輪廓線導致氣流分離嚴重，與聲源分布所示區域一致，如圖11a所示。基座與側窗的高差引起氣流在局部分離，該區域也是側窗聲載荷與空間聲源集中的區域。如圖11b所示。

2.4 優化

2.4.1 優化方案

通過對上述聲場與流場結果的分析可以看出，后視鏡下緣輪廓線、基座與側窗之間的高差是主要的優化區域。對該區域的優化，目的是能夠通過對氣流分離的抑制，降低聲載荷對側窗的影響。

后視鏡下緣特征優化方案如圖12所示，原方案（圖12a）迎風面與地面的過渡圓角曲率較大，優化方案（圖12b）將此處的圓角曲率減小。

基座與側窗的高差受工程約束限制，高差無法完全消除（圖13a），此處的優化采取降低高差，漸進過渡的方式（圖13b）。

2.4.2 仿真優化結果

將上述兩處局部優化方案重新計算，結果如圖14、15所示。流場結果顯示，優化后的局部特征附近氣流分離明顯得到抑制。后視鏡下緣貼體的氣流可以同時削弱因分離導致的面聲源與體聲源的產生（圖10，11a，14a，14b）。基座與側窗交接處的噪聲源同時通過玻璃與密封條向乘員艙傳聲，所以此處幾何特征優化改善局部氣流的效果會比較明顯（圖9b，11b，15a，15b）。

2.5 試驗驗證

2.5.1 試驗環境

聲學風洞對于流場與背景噪聲的要求較高，流場中湍流強度低于0.2%，速度穩定性小于0.5%。測試段需滿足半自由聲場的要求。本試驗在SAWTC風洞完成（圖16），該風洞為3/4開口回流風洞[5]。

2.5.2?試驗結果

試驗結果顯示（圖17）：總聲壓級降低0.3dBA，語音清晰度提高3.5%。優化方案對風噪影響的主要區間在中高頻，所以語音清晰度的改善較為明顯，總聲壓級略有降低。仿真分析與試驗比較，整個頻率段絕對值略低，趨勢一致，能夠反應優化效果。考慮到試驗中有其它次噪聲源的影響，該仿真結果偏低在合理預期范圍。

3 結論

本文通過仿真分析與試驗相結合的方法，對后視鏡引起的兩類整車風噪進行評估與優化。試驗結果顯示，優化方案能夠有效解決嘯叫噪聲，改善寬頻噪聲。雖然優化內容針對具體車輛的具體問題，但此類優化思路和方法可以應用于車輛后視鏡早期開發階段，相關內容總結如下：

a）后視鏡鏡殼表面造型與落水凹槽等功能特征是形成后視鏡嘯叫的主要原因。改變曲面造型與凹槽截面形狀，可消除此類噪聲。

b）結合格子玻爾茲曼流場與統計能量聲場的計算方法，可以對乘員艙的聲學特性進行定量評估。后視鏡外特征輪廓線以及基座與側窗玻璃的交界處都是容易產生氣流分離的區域，抑制或減弱局部區域的分離，可以改善風噪水平。

c）后視鏡風噪是整車NVH的重要組成部分，其性能開發應兼顧計算資源與項目進度，綜合運用仿真與試驗方法，滿足設計目標。

參考文獻

[1] Todd H.Lounsberry， Mark E.Gleason and Mitchell M.Puskarz ?Lami -nar Flow Whistle on a Vehicle Side Mirror[J]. SAE，2013-01-0096.

[2] Simon Watkins， Mark Andrew Thompson and Firoz Alam. Transient Wind Noise[J]. SAE，2013-01-0096.

[3] ?Lepley D J，Graf A.A Computational Approach to Evaluate the Vehicle Interior Noise from Greenhouse Wind Noise Source.SAE International，2010.

[4] 姚德源，王其政.統計能量分析原理及其應用[M].北京：北京理工大學出版社，1995：13.

[5] 藺磊，顧彥，潘雷，關鵬.整車風噪聲性能的聲學風洞試驗分析[J].汽車工程學報，2019，5，209～213.