汽车后侧窗风振问题的研究

吴海波周江彬陈蒨刘功文乾超群（.上海大众汽车有限公司，上海0805；.上海翼锐汽车科技有限公司，上海0805）



汽车后侧窗风振问题的研究

吴海波1周江彬1陈蒨1刘功文1乾超群2
（1.上海大众汽车有限公司，上海201805；2.上海翼锐汽车科技有限公司，上海201805）

【摘要】通过与风洞试验对比并考虑乘客舱内部壁面的屈服、吸收及泄漏特性，建立了一套数值计算方法，将不同速度下数值计算得到的风振噪声最大声压级及其发生频率与风洞试验结果进行对比，验证了其准确性。基于计算模型，分析了汽车后侧窗风振现象产生的主要原因及其影响因素，并进行了优化，优化效果较好，能有效缩短开发周期并降低后期实车风洞试验成本。

主题词:后侧窗振动噪声数值计算声压级频率风洞试验

1　前言

当汽车在开启天窗或某扇侧窗情况下行驶时，会在一定速度下产生风振现象[1]。不同车型产生风振现象的车速也不完全相同，通常发生在60～70 km/h[2]。汽车风振主要包括天窗风振和侧窗风振两种。天窗风振在汽车风振中研究最早也最成熟，市场上很多汽车已经开始选择使用扰流板或改变天窗开度等措施来改善天窗风振。而汽车侧窗风振的研究却由于其流场的复杂、造型的约束及容易增加外型噪声等问题一直停滞不前。在侧窗风振问题中，后侧窗由于远离后视镜和A柱等造型，其风振现象较前侧窗更为严重[3]，且至今还未出现一种公认的、有效的优化措施。

本文基于准确的数值模型和合理的假设对某轿车后侧窗风振现象进行了数值计算，并通过风洞试验数据验证了数值计算的准确性。在此基础上分析了后侧窗风振现象产生的主要原因及影响因素，并采用两种不同的优化手段进行了优化。

2　风振理论概述

汽车风振可以被认为是一种亥姆霍兹共振，同时也可以理解成一种单自由度的质量弹簧阻尼系统[4]。打开一扇窗的汽车腔体可以看作是一个共振腔。汽车在行驶过程中，腔体内、外的气流会在开口处形成速度差，导致腔体内、外气流发生剪切，当腔体内、外速度差达到临界值后，剪切层开始不稳定，进而导致剪切涡的形成。剪切涡从开口前缘产生并随着气流向开口后缘流动，当撞击到开口后缘后，剪切涡会破碎并向四周释放一个压力波，使得腔体内压强降低并作用到开口前缘导致另一个剪切涡的产生[5]。这种周期性的剪切涡形成及破碎现象有一个固定的频率，称为脱落频率，其估算公式如下[6]：

式中，U和h分别为来流速度和开口间距；n为开口间存在的剪切涡个数。

当剪切涡的脱落频率与汽车腔体的固有频率一致时，会导致汽车共振。汽车腔体固有频率的估算可以根据赫尔姆霍兹共振腔的频率计算公式得到[1]：

式中，c为声速；A、V和L分别为开口面积、腔体体积及开口高度。

汽车开口高度L一般根据L=l+δL进行修正，其中，l为开口外表面和内饰之间的厚度，

3　数值计算

本次数值计算采用基于格子波尔兹曼算法的Pow⁃er Flow软件，计算域入口设置在车前10个车长处，出口距离车尾约16个车长，两侧距离车身15个车宽，整车计算偏航角为0。几何模型处理及面网格的划分选择CAE前处理软件ANSA。后侧窗尺寸约为780×400 mm，后侧窗最大开度下玻璃高度约为150 mm，如图1所示。

图1　后侧窗最大开度下窗户尺寸

面网格的加密区主要集中在A柱、后视镜及后侧窗开口周围，面网格总数为750万（图2a）。体网格的划分根据流场情况采用不同尺寸，在做后侧窗风振计算时要保证由后视镜及A柱产生的尾涡区域都包含在高网格分辨率的区域（图2b），以捕捉微小的流场信息。最小体网格尺寸为1.5 mm，而汽车腔体体积约为2.4 m3，体网格总数约为2 300万。

为了更好的贴合轿车的自然状态及试验环境，在数值计算中必须要考虑以下3个方面：

a.屈服。汽车腔体不可能是刚体，在其受压过程中，体积会有一定程度的增加，导致固有频率变小，同时壁面屈服会吸收一部分能量，使最后得到的最大声压级降低。

b.吸收。由于车身内饰材料的存在，总有一部分声波会被吸收掉，通过设置一定面积的不反射壁面增加车内能量的吸收，从而可以较精确拟合声的衰减特性。

图2　面网格和体网格

c.泄漏。由于汽车制造水平的局限，每辆车都会存在一些微小孔隙，这些孔隙使得腔体压力变化过程中腔体内、外气流存在一定的质量交换，这部分质量交换会降低共振。

4　风洞试验

风振试验在同济大学上海地面交通工具整车气动声学风洞中完成，试验设置与数值计算的设置保持一致。该试验主要分成两部分，第一部分是声学边界条件测试，包括整车在后侧窗最大开度状态下内部腔体的固有频率和品质因子。固有频率是物体的固有属性，其大小与初始条件无关，仅与系统的固有特性有关；品质因子表示空腔内声波脉动的总能量与由于辐射或壁面吸收等原因造成的能量损失之间的比值，与腔体内部的声阻抗有关。第二部分是不同风速下对后侧窗最大开度的汽车进行扫掠，找出各速度下的最大声压级及其发生频率。

在声学边界条件试验中，固有频率测试采用共振激励的方法，首先在车内播放一段白噪声，待车内声场达到稳定，通过传声器和数据采集系统记录车内声信号，截取扬声器发声的时间段信号并通过快速傅立叶变换获得频谱，在频谱上找到共振频率，该共振频率即为其固有频率。品质因子的测试需要在车内不同位置布置3个传声器，其中1个位于声源（扬声器）附近作为参考点，另外两个放置在汽车腔体内远离声源处，一般取驾驶员左、右耳处。通过采集10 s稳定的白噪声信号，分别求出驾驶员左、右耳与参考点之间声音的传递函数，通过各自的传递函数分别求出品质因子并平均得到最后的品质因子。声学边界条件测得的固有频率会直接作为数值计算的输入，品质因子用来确定数值计算中不放射壁面的面积。不放射壁面一般放置在汽车腔体内不影响流场的地方，并通过给定一个速度为0的边界条件来拟合实际状态下由于辐射、吸收和摩擦等引起的声能量损失。

扫掠试验通过在汽车腔体内布置传声器记录不同工况下的声信号，通过傅立叶变换将时域的声信号转换成频域信号，并记录最大声压级及其发生频率。通过比较90 km/h车速时不同位置传声器记录的结果（图3）发现，汽车腔体内各位置取得的最大声压级和频率基本一致。因此本文统一采用驾驶员左耳来对结果进行分析说明。表1列出了不同车速下驾驶员左耳处测得的最大声压级及其发生频率。

图3　90 km/h时车内不同位置声压级曲线

表1风振扫掠试验结果

5　计算结果及分析

不同于天窗，侧窗开口外的气流会受到后视镜尾流和A柱绕流的影响，导致外部气流紊乱，而且越靠近开口的上、下缘越紊乱，但在开口上、下缘之间的一段区域气流会比较平稳（图4），有文献[4]表明这部分气流与腔体内部气流的剪切作用是共振产生的主要原因。

图5表示在后侧窗最大开度、速度90 km/h情况下A柱中段水平切面压力等值线。从图5中可以看出，在侧窗开口区域存在密集的压力梯度，靠近B柱的开口区域有一个很明显的大涡，涡的旋转轴心平行于开口前缘，通过记录瞬态流场变化可以清楚看到该涡的产生、发展及破碎过程，这种周期性的现象符合文献[7]中对剪切涡产生机理及发展过程的描述。

图4　汽车侧窗附近涡流分布

图5　A柱中段水平切面压力等值线图

在数值计算过程中，采集驾驶员左耳处压力值作为后续分析和评判乘客舱内部声压级水平的标准，采集时间为1.5 s，记录间隔为4.76×10-5s。图6代表后侧窗最大开度、速度90 km/h情况下计算得到的驾驶员左耳处压力波动情况，从中可以看出，在该工况下，压力波动幅值为100 Pa，且不会随计算时间的增加而衰减，这种汽车腔体内持续的压力波动现象代表风振的发生。100 Pa的波动幅值表示该工况下的压力脉动强度，转换成声压级如图7所示。将数值计算得到的声压级曲线与试验获得的声压级曲线进行对比可以发现，在最大声压级处两者匹配很好，虽然在50～70 Hz处存在较大误差，但并不影响数值计算整体的准确性。

图6　90 km/h下驾驶员左耳处压力波动

图8和图9分别为后侧窗最大开度、不同速度情况下驾驶员左耳处最大声压级及其发生频率的计算与试验对比结果。从图中可以看出，车速50～110 km/h都属于其风振速度区间内；当车速达到50 km/h时，风振现象开始出现，最大声压级对应的频率也达到最低点；随着车速增加，风振现象越来越明显，最大声压级越来越高，当车速达到90 km/h时，最大声压级达到峰值128.67 dB，之后随车速增加，最大声压级开始下降。通过对比可以发现，在风振速度区间内计算和试验结果在最大声压级及其发生频率上吻合很好，但在车速较小时会存在一定误差，最大误差为5 dB。经分析发现，误差主要源于此次计算采取了固定面积的不反射壁面来计算不同车速下车内的能量损失。实际上在车速较低时，由于没有风振产生或风振较弱，相应的由于屈服造成的能量损失也会降低，导致在低速区域计算得到的结果会小于试验值。试验结果中采用的频率间隔为0.7 Hz，而在计算中最小只能使用1 Hz，因此会导致试验和计算在频率上存在误差。通过两者对比发现，最大误差仅1.1 Hz，且发生在100 km/h处，对于其他速度，频率误差都在1 Hz以内。

图7　90 km/h下试验与仿真声压级曲线对比

图8　不同速度下的最大声压级曲线

图9　不同速度下最大声压级发生频率

6　优化方向探索

传统的风振优化手段主要分为主动控制和被动控制[8]两种。主动控制是指通过一些主动发声设备来减弱风振噪声，由于其成本过高，一般只能应用于一些高档车型。被动控制能有效控制成本，但其设计难度大且易导致额外的外型噪声。关于汽车风振，尤其是后侧窗风振的优化，国内研究较少，国外有文献[9]指出，通过额外开孔或在窗户中间加设一条立柱有助于减缓侧窗风振，本文结合该观点，分析研究了风振现象产生的机理并进行了优化。

后侧窗玻璃处于最大开度状态和去掉玻璃两种工况的声压级对比计算结果如图10所示。从图10中可以看出，在90 km/h速度下，两种工况得到的最大声压级基本相同，说明增加后侧窗靠近下缘部分的开口面积对风振强度无影响，而主要原因是由于后侧窗开口靠近下缘部分处于后视镜尾流区内，该区域无法形成剪切涡的周期性脱落现象。同时也说明剪切层的形成及剪切涡的周期性脱落现象是风振现象产生的根本原因，介于A柱和后视镜尾流之间的区域才是影响侧窗风振发生的重要因素。

图10　去掉后侧窗玻璃的声压级曲线对比

如图11所示，为了减小A柱和后视镜尾流之间的区域，将后视镜支架上方的开口封住。封住支架上方开口后声压级曲线对比结果如图12所示，可知最大声压级由原来的128.22 dB降为123.93 dB，说明减小A柱和后视镜尾流之间的区域能有效改善侧窗风振。文献[10]中通过试验验证了采取类似措施后后侧窗风振减小4 dB，与本文计算结果非常接近。

图11　封住支架上方开口的后视镜

根据频率计算公式（1）和公式（2）可知，在其他尺寸不变的情况下，增大开口在流动方向上的间距能减小涡的脱落频率，同时增大汽车的固有频率可减弱两个频率之间的共振强度，降低风振噪声。如图13和图14所示，通过将开口后缘后移140 mm，最大声压级由128.22 dB降为121.15 dB，同时共振频率由15.98 Hz降为13.98 Hz。

图12　封住支架上方开口前、后声压级曲线对比

图13　后侧窗开口后缘后移

图14　后侧窗开口后缘后?移140 mm前、后声压级曲线对比

7　结束语

a.通过数值计算结果与风洞试验数据对比，验证了数值计算的准确性，并对两者存在误差的地方进行了分析。

b.在数值计算基础上分析了产生汽车后侧窗风振现象的原因及影响风振强度的重要因素，同时对该款轿车后侧窗风振现象进行了优化。提出通过减小A柱和后视镜尾流之间的区域大小改变共振强度等手段减小风振强度，并通过计算分析验证了其可行性。

本文并未对后侧窗风振问题的优化提出可行性分析且缺乏试验论证，后续需要进一步研究分析。

参考文献

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

2黄磊.汽车天窗风振问题的研究.噪声与振动控制，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.

（责任编辑帘青）

修改稿收到日期为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

中图分类号:U461.1

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）03-0009-05