轿车侧窗风振特性的风洞试验研究∗

贺银芝，龙良活，杨志刚

轿车侧窗风振特性的风洞试验研究∗

贺银芝，龙良活，杨志刚

(1.同济大学汽车学院，上海 201804； 2.上海市地面交通工具空气动力与热环境模拟重点实验室，上海 201804)

在分析了轿车风振产生机理的基础上，对目前工程上尚未解决的轿车侧窗风振问题进行了整车气动声学风洞试验。分析了侧窗风振噪声峰值声压级和频率随空间位置、风速大小、开口面积、偏航角和组合开窗的变化规律，对比了前窗和后窗的风振特性。结果表明:车内不同测试点的风振特征相似，即风振特性与车内空间位置无关。风振在某个特定风速下开始出现，并随着风速的升高逐渐增强，直到某个风速后又逐渐减弱，最后在另一个特定风速下消失。随着风速的增大，峰值声压级先增后减，而风振频率则一直升高。开口面积或偏航角增大时，峰值声压级和风振频率均上升。后侧窗风振问题较为严重，而前侧窗的风振则由于后视镜和A柱的存在，减弱很多。与只开一个窗相比，组合开窗可有效降低风振噪声。

轿车；风振；风洞试验；风速；开口面积；偏航角；组合开窗

Keywords:cars； wind buffeting； wind tunnel test； wind speed； opening area； yaw angle； window opening combination

前言

汽车行驶时产生的车内气动噪声主要有3方面:一种是由于车身密封不良引起的泄漏噪声，另一种是由于车身表面的突出物和凹凸不平引起气流分离而产生的噪声，还有一种就是开窗风振噪声。所谓风振噪声是指在某个特定车速范围内，当气流流过打开的侧窗或天窗时出现的风振现象而产生的噪声。风振现象是由于流体与车身结构相互作用引起的一种低频共振，一般频率低于20Hz，峰值声压级大于100dB。调查显示在车主对气动噪声问题的抱怨中，风振噪声问题占50%[1]。

国外对风振噪声的研究起步较早，早在1965年，福特公司的W.K.Bodger及C.M.Jones就已经注意到风振问题[2]。需要特别指出的是C.F.An等人在汽车风振噪声研究方面做了很多工作[3-5]。进入20世纪90年代后，随着计算机技术的发展，研究主要以数值仿真与风洞实验相结合为主。

国内对风振的研究起步较晚，与国外相比存在着不小的差距。江苏大学自1992年开始对汽车气动噪声进行研究，但都只针对车窗关闭的情形，未涉及开窗时的风振噪声。2007年后湖南大学的谷正气团队首次通过仿真及路试对汽车风振做了较系统的研究[6-8]。同济大学2009年建成风洞后也对汽车的风振问题进行了初步的风洞试验研究[9-10]。但国内外前期风振问题的研究主要集中在天窗。目前天窗风振控制措施，比如加装扰流板或调节天窗开度至舒适位置等措施已广为应用，并被消费者所接受。但由于流动的复杂性等原因使侧窗风振问题近年才开始重点研究[11-13]。

鉴于目前侧窗风振问题的研究时间较短、侧窗气流流动的复杂性和相关的基础理论尚不完善，使整车气动声学风洞试验仍是研究该问题的重要手段之一。本文中在分析风振产生机理的基础上，以某品牌四门三厢轿车为研究对象，进行多工况下整车气动声学风洞试验，通过数据分析得到侧窗风振噪声峰值声压级和频率随空间位置、风速大小、开口面积、偏航角和组合开窗的变化规律和特性。

1 轿车风振现象产生机理

打开天窗或侧窗的乘客舱可视为一个赫姆霍兹(Helmholtz)空腔，在天窗或侧窗开口的前部边缘，车外高速气流和车内相对静止的气体之间存在一个剪切层。当车内外气流的速度差超过一个临界值后，剪切层就会处于不稳定的状态。最终形成漩涡，并周期性地散发而随着气流一起向后流动。当它们撞击到开口的后缘时，涡旋破碎，产生一个向四面传播的压力波。部分压力波到达开口前缘，将再次引发涡旋的脱落，形成反馈回路。当漩涡的发散频率恰巧与车厢的空腔固有频率一致时，就会发生所谓的赫姆霍兹共振，这就是开窗的风振现象。漩涡的发散频率由来流速度即车辆行驶速度和车辆外部造型等因素决定。车厢内部空腔结构固有频率则取决于车顶开口的后缘位置和车辆内部几何造型等因素。车厢内部空腔的固有频率可由式(1)[4]计算:

图1 赫姆霍兹共振腔示意图

式中:c为声速；V为赫姆霍兹谐振器的体积；L和A分别为颈部的长度和截面面积。图1为赫姆霍兹空腔的形状和参量示意图。由于真实的车内几何结构很复杂，通常情况很难准确计算出空腔的固有频率，但该公式可用于预测风振的趋势。

2 试验方法与测试系统

2.1 试验车状态

在进行声学试验时试验车除声学测量仪器外不加载任何配重。试验车定位在驻室试验段天平转盘的中心稍靠前位置，调整车身纵对称面与风洞中心对称面的夹角，保证在0°±0.1°范围内。

试验车用车辆本身的驻车制动进行固定，并利用车辆的变速器提供额外的制动力。试验过程中试验车空调均关闭，并设定到内循环模式，空调出风口完全关闭并用胶带密封，以免车外气流直接进入舱内。试验车如图2所示。

图2 试验车辆

2.2 试验平台

试验在同济大学上海地面交通工具风洞中心整车气动声学风洞中进行。该风洞是3/4开口回流式风洞，其喷口面积为 27m2，试验最大风速可达250km/h。160km/h风速时的背景噪声低于61dB(A)，是国际同类风洞中最安静的风洞之一。测试时将试验车放在风洞驻室试验段天平转盘的中心位置固定。试验过程中风洞边界层抽吸和移动带系统关闭。

2.3 测试系统

采用的测试系统如下。

(1)声传感器:4个1/2英寸压力场传声器，40PO型，丹麦G.R.A.S.公司生产；其灵敏度分别为11.46，10.68，12.55 和 13.3mV/Pa。

(2)数采系统:德国 HEAD acoustics公司SQLAB III多通道数据采集系统。

试验中4个压力型传声器按照汽车车内噪声测量方法标准GB 18697—2002分别放在试验车主驾驶位、副驾驶位和后排左、右客座位置中央，距离座椅椅面高度70cm，测试信号线经过后排座椅由行李箱引入风洞天平转盘内的接口盒，再经由天平基座接入测控室的数据采集分析系统，如图3所示。

图3 测试系统及测试位置

2.4 试验工况

本次试验分为4种不同工况，如表1所示。

表1 试验工况

其中偏航角的方向定义如下:偏航角为正值时，表示俯视时试验车在风洞天平转盘内顺时针转动，此时主驾驶位迎风，副驾驶位背风；偏航角为负值时则相反，表示试验车在风洞天平转盘内逆时针转动，此时主驾驶位背风，副驾驶位迎风。

3 风振噪声测试结果与分析

风速恒定条件下，数据采集时每路信号采样时间为10s，风速扫描时信号采样时间为160s，采样频率为48kHz，分析频率范围选取0-100Hz，FFT块大小为131 072(频率分辨率约为0.4Hz)，所有的频谱分析加汉宁窗。

3.1 风振特性空间分布规律的分析

图4为左后窗全开时70km/h风速下的频谱图。由图可见，风振频率和峰值声压级在空间4个座椅位置几乎一样，因此车内不同测试点有相似的风振特征。这是由于风振问题属于低频问题，一般频率低于20Hz，波长跨度已远远超过乘客舱的空间，所以风振特征在空间分布上具有一致性。后面统一采用左后座频谱进行分析。

图4 70km/h风速下左后窗全开时车内不同位置频谱图

3.2 风振特性随风速变化规律的分析

图5和图6分别为风速从40到120km/h、偏航角0°、左后窗全开时的峰值声压级和风振频率变化曲线图。

图5 左后窗全开时风振峰值声压级随风速变化曲线

从图5中可以看出:随着风速增加，峰值声压级不断增加，直到风速为110km/h时，峰值声压级达到最大值133dB(对应的风振频率为17.6Hz)。此后风速继续增加，峰值声压级稍有下降。

图6 左后窗全开时风振频率随风速变化曲线

从图6中可以看出，风振频率随风速增大而升高，在8-20Hz范围内变化，显然属于低频高强度噪声。但在式(1)中，与风振频率相关的变量为颈部长度L、截面面积A和空腔体积V，并未涉及风速v，这正是目前的赫姆霍兹共振理论解释风振现象不完善之处。

风振现象会在某个特定风速下开始出现，超过某个风速后就开始减弱甚至消失。当风速从40到120km/h、偏航角0°时，左后窗开1/3的峰值声压级变化曲线如图7所示。可以看出40km/h时风振并没有出现，而是从50km/h开始出现，60km/h时达到最大，随后减弱，到90km/h以上时几乎消失。如图8所示，当风速超过80km/h后峰值不再突出而且声压级明显降低到100dB以内。

图7 左后窗1/3开度时风振峰值声压级随风速变化曲线

3.3 风振特性随开口面积变化规律的分析

通过升高后窗的玻璃来改变开口面积，用开度来表示不同的开口面积。分别取后窗1/3，2/3和1(全开)3种开度进行试验。图9和图10分别为风速为80km/h、偏航角为0°工况下峰值声压级和风振频率随开度的变化曲线。

图8 左后窗1/3开度时90-120km/h下的频谱图

图9 80km/h下风振峰值声压级随开度变化曲线

图10 80km/h下风振频率随开度变化曲线

由图9可见:不管是左前窗还是左后窗，开度由1/3变为2/3时，峰值声压级增长较快，特别是左后窗从1/3开度时的101dB急剧增到2/3开度时的119dB，增加了18dB；开度由2/3变为1时，峰值声压级增长较慢，特别是左前窗仅从108dB增大到109dB，只增加1dB。总的来说，峰值声压级随开口面积的增大而增大，且左后窗变化幅度比左前窗大。值得注意的是开度为1/3时的峰值声压级只有100dB左右，因此控制开窗大小可作为降噪的一种简易方法，对于该试验车，开1/3窗户是一种较舒适开窗模式。

从图10中可以看出，不管是左前窗还是左后窗，开度逐渐增大时，风振频率都略有提高。

3.4 风振特性随偏航角变化规律的分析

为了模拟侧风的影响，在120km/h、左后窗全开时进行了-10°，0°和10°3种不同偏航角试验。峰值声压级和风振频率变化曲线如图11和图12所示。

图11 120km/h风速下峰值声压级随偏航角变化曲线

图12 120km/h风速下风振频率随偏航角变化曲线

从图11和图12可以看出，峰值声压级和风振频率均随着偏航角的增大而增大。可能的原因如下:偏航角为-10°时，左后窗位置处于背风面，此时左侧窗表面的气流分离和压力脉动要比0°和10°时强烈，相当于前部后视镜及A柱区域的扰流作用延伸到后侧窗从而降低了后侧窗的风振现象。

3.5 左前窗和左后窗的风振特性对比分析

为考察前窗与后窗风振特性的差别，选取了开度全开、0°偏航角、风速范围为40到120km/h的左前窗和左后窗分别进行试验，由于在70km/h风速以下时左前窗并没有出现风振现象，故只取风速高于等于70km/h的数据进行分析。峰值声压级和频率对比分别如图13和图14所示。

由图13和图14可见，左前窗与左后窗峰值声压级和风振频率总体变化趋势相似，但数值不同。左后窗峰值声压级和风振频率均比左前窗大，且随着风速的增大两者的差距越大，风速120km/h时差距最大，峰值声压级差距为20dB，风振频率差距为2.5Hz。

图13 左前窗与左后窗峰值声压级对比

图14 左前窗与左后窗风振频率对比

从图13中可以得到:左后窗峰值声压级在风速为110km/h时达到了最大值133dB，而左前窗在风速为100km/h时达到最大值114dB，两者差距为19dB；两者峰值声压级最小值均出现在最低风速70km/h时，差距为16dB。这些都说明，左后窗风振问题比左前窗要严重得多。风洞实验和CFD仿真表明，汽车侧窗附近的气流按照流态不同可分为3个区域:顶部螺旋气流、中部再附着气流和底部冯卡门涡流。顶部螺旋气流是由于A柱的存在使部分从风窗玻璃偏流过来的气流在A柱和前窗玻璃上边沿处形成旋流的气流并沿着车顶向后移动而形成。而后视镜作为气流中的突出物，在车窗底部形成冯卡门涡流，而中部的再附着流区域才是引起风振的主要原因[12]。由于A柱和后视镜处于左前窗的开口前沿，相当于扰流器，使前侧窗前沿的气流附着区比后侧窗要小得多，因此起到一定的抑制风振现象的作用。这与已经成功运用到量产车上的控制天窗风振噪声的凹槽导流片的作用机理类似。

3.6 不同开窗组合时风振特性规律分析

为考察不同开窗组合对风振特性的影响，以左后窗全开、0°偏航角为基准，选取了另外3种不同组合开窗(皆为全开)模式进行对比分析，峰值声压级和风振频率特性分别如图15和图16所示。

从图15和图16可以看出，不同开窗组合下，峰值声压级和风振频率都随着风速的增长而增大。

图15 峰值声压级在不同开窗组合下的变化曲线

图16 风振频率在不同开窗组合时的变化曲线

由图15可见，3种不同的开窗组合在任何风速下(除120km/h下左后窗和右后窗组合开之外)的峰值声压级都比只开一个窗时要小，其中左后窗和左前窗同时全开时效果最好，在试验风速下均未出现风振现象。但进一步的试验在新添的110km/h风速下出现风振现象，峰值声压级比只全开左后窗时降低18dB；左后窗和右前窗同时全开效果次之，只在100和120km/h这两个风速下出现风振现象，对应的峰值声压级分别降低了20和15dB；降噪效果最差的是左后窗和右后窗同时全开，只在40km/h风速下抑制了风振现象，最大仅在60km/h时使声压级降低了9dB。由此可见，组合开窗可作为降低风振噪声的一种有效控制方法，且这种被动控制方法不增加额外成本，也不会在造型上带来不便，实施简单且会使车内气流循环充足。此现象在文献[13]中也得到部分验证。如上所述，风振产生是由于车外气流与车内相对静止的气流存在压差而引发的漩涡周期性脱落。当只开一个窗时，这种压力差一直存在，得不到改善，而同时开两个窗时则会使得车内相对静止的气流在两个开口处一进一出，减小了车内外的压力差，从而在一定程度上抑制了风振现象。

图17和图18分别为180km/h风速扫描时只开左后窗以及左后和左前窗同时开时风振特性随风速变化的云图。对比两图可以看出，图17只开左后窗时在一定风速范围内存在明显的风振频率和较大的峰值声压级，而图18则看不出明显的风振现象。可见组合开窗能有效降低峰值声压级，且在某些风速下有效地抑制了风振现象的产生。

图17 只开左后窗时风振特性随风速变化云图

图18 左后与左前窗同时开时风振特性随风速变化云图

4 侧窗风振噪声控制策略

由上述对侧窗风振特性试验的分析可知，只开后侧窗是风振问题最严重的工况；通过控制侧窗的开度，如只开1/3，或者进行组合开窗，不但可在某些速度范围内抑制风振现象的产生，还能很大程度上降低峰值声压级。

后侧窗风振一直是汽车风振问题里最严重的，到目前为止并没有在工程上得到较好解决，而天窗和前窗的风振已经找到一些工程上可行的解决手段。针对后侧窗风振问题，文献[4]中尝试从主动控制和被动控制上提出了几种控制手段，如在后窗加立柱、在C柱后加通气孔、B柱上加喷流装置和B柱开槽等。但由于可行性、经济性和主观审美等因素，一直没有得到应用。

从产生机理分析，风振的控制原则上应首先从打破周期性涡脱落入手；从可行性考虑倾向于被动控制，如在B柱即后侧窗开口前缘安装扰流块，通过优化扰流块的几何结构来达到控制效果，可作为后续研究工作的方向。

5 结论

通过对某轿车进行整车气动声学风洞试验，分析了4种不同工况下侧窗风振现象的特性，得出以下主要结论。

(1)车内不同测试点有着相似的风振特性，即峰值声压级和风振频率与车内空间位置无关。

(2)风振现象会在某个特定风速下开始出现，超过某个风速后又开始逐渐减弱甚至消失。随着风速的增大，峰值声压级先增后减，而风振频率则一直增大。

(3)峰值声压级和风振频率都随侧窗开口面积的增大而增大。控制开窗大小可作为降噪的一种简易方法，对于该试验车，开1/3窗户是一种较舒适的开窗模式。

(4)峰值声压级和风振频率均随着偏航角的增大而增大，即背风面时风振问题减弱。

(5)后侧窗风振问题比前侧窗要严重得多。相对而言，前侧窗的风振声压级和风振频率由于后视镜和A柱的扰流作用，均比后侧窗要小得多。

(6)任何开窗组合都比只开一个窗时峰值声压级要小，其中左后窗和左前窗组合开时效果最好，最大可以降低25dB，左后窗和右前窗组合开时效果次之，最大可以降低20dB，降噪效果最差的是左后窗和右后窗同时全开，最大可以降低10dB；组合开窗可作为降低风振噪声的一种简易有效的方法，且不增加额外成本，也不会在造型上带来审美问题。

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A Study on Wind Tunnel Test on Side Window Buffeting Characteristics of a Sedan

He Yinzhi，Long Lianghuo＆ Yang Zhigang
1.School of Automotive Studies， Tongji University， Shanghai 201804；2.Shanghai Key Lab of Vehicle Aerodynamics and Vehicle Thermal Management Systems，Shanghai 201804

On the basis of analysis on the generation mechanism of car wind buffeting，an aero-acoustic wind-tunnel test is conducted for car side-window buffeting so far unsettled in engineering.The changing law of the peak sound pressure level(SPL)and frequency of side-window buffeting with spatial location， wind speed，opening area，yaw angle and window-opening combination is analyzed and the wind buffeting characteristics of front and rear windows are compared.The results show that the characteristics of buffeting are almost the same in different locations in a car.Buffeting starts to appear at a certain wind speed and becomes stronger and stronger as wind speed goes up till a critical one， then it gradually weakens and finally disappears at another wind speed.As wind speed goes up，the peak SPL rises first and then falls，while the buffeting frequency keeps increasing.As window opening or yaw angle becomes larger，both buffeting frequency and peak SPL increase.The buffeting in rear window is much more serious than that of front window，which is weakened due to the effects of rearview mirror and A-pillar.In addition，compared with only one side window opening，the combination of different window openings can effectively reduce buffeting noise.

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.09.006

∗国家自然科学基金(51575394)资助。

原稿收到日期为2016年12月19日，修改稿收到日期为2017年5月10日。

贺银芝，副教授，博士，E-mail:heyinzhi＠tongji.edu.cn。