某SUV A柱棱线位置对车内风噪性能的影响*

2020-03-17徐鹏刘海军宋佰高徐旭李明亚杨超

汽车工程师 2020年1期

徐鹏刘海军，2 宋佰高徐旭李明亚杨超

（1.长城汽车股份有限公司，河北省汽车工程技术研究中心；2.河北大学建筑工程学院）

汽车在高速行驶的过程中，气流流过车身表面突出物、车身不同部件之间的缝隙、凹凸不平处均会引起气流分离，并产生湍流压力脉动作用于车身表面，成为外部主要气动噪声源。车速超过100 km/h 后，气动噪声便成为影响驾乘人员舒适性的主要因素。因此，汽车的气动噪声逐渐成为世界各汽车强国共同关注的热点问题，也是制约中国汽车发展的瓶颈问题之一。国内外对气动噪声的研究多数关注后视镜和A 柱的气动噪声外流场的分布规律，少数人研究了后视镜的气动噪声对车内噪声的贡献，至今未见A 柱参数变化对车内噪声影响的文献。文章采用PowerFLOW 和PowerACOUSTICS 相结合的方法，研究了A 柱参数设计对车外流场的分布和车内乘客头部空间的风噪贡献量之间的变化规律。

1 国内外对气动噪声的研究

国外对气动噪声的研究方面，英国科学家Lighthill将流体的连续性方程和运动方程联立导出了声音的基本方程，将复杂的声学问题分为声场和流场问题，这就是著名的声类比的思想[1-2]。Lighthill 声学方程不能求解静止物体边界对声音的影响，Curle 对Lighthill 声学方程进行修正，给出了Curle 声学方程[3]。Ffowcs Williams和Hawkings 将Curle 方程又进一步推广到流体中运动物体的工况，得出更符合实际的气动声学方程（FW-H方程）[3-4]。汽车外部流体在车身表面产生湍流和湍流壁面压力脉动，结合计算流体动力学和振动声学仿真策略，可以预测其传递到车内的噪声，并且对湍流噪声及湍流壁面压力脉动产生噪声的重要性进行评估[5]。

国内学者对气动噪声的研究要晚于西方国家，从试验和仿真两方面进行研究，汽车外部造型决定整车的流体动力和气动噪声，在研发阶段汽车的A 柱、前挡风玻璃、进气栅、车顶篷、侧窗、天窗、车轮、底盘、门把手和后视镜均是汽车气动噪声的重点关注部位[6-10]。文献[11]对外后视镜气动噪声的影响进行了研究。文献[12-13]利用全尺寸声学风洞和螺旋形声阵列对汽车的气动噪声进行研究，得到后视镜对车内驾乘人员的影响较大。后视镜是汽车高速行驶中对车内噪声贡献较大的外凸物，通过合理控制后视镜的结构可以改善车外流场分布，进而改善车内的噪声水平[14]。文献[15]采用仿真的方法针对某SUV 外后视镜对车内声场的响应进行了研究，得出外后视镜的导流筋和雨水槽在一定程度上起到抑制声源的作用，进而改善了车内驾乘人员的舒适性。试验研究是气动噪声研究的一种方法，而随着计算流体力学的发展，数值仿真方法在气动噪声研究中也逐渐起到一定作用，文献[15]采用涡声理的方法对A 柱气动噪声的外流场进行数值仿真研究，通过优化车外流场减小噪声对车内驾乘人员的影响。

2 数值计算方法

2.1 模型及计算域

图1 示出数值计算使用的风洞。风洞入口为速度入口，风速为140 km/h；风洞出口为大气压力出口；车身表面为壁面边界条件；地板设置速度矢量来模拟地面相对车辆的运动，大小与风速一致；汽车车轮设置表面旋转；流体介质为空气，体积质量为1.18 kg/m3。

图1 整车与计算域模型

某SUV 的A 柱几何模型，如图2 所示。整车A 柱棱线以A 柱与前风挡相交面为原点。将棱线位置为12，18，24，30 mm 分别定为方案Ⅰ～方案Ⅳ。

图2 某SUV A 柱棱线位置几何模型

2.2 数值方法

CFD 计算流场数据的结果精确度决定着声学软件计算声场数据的精确度，为得到准确的流场数据，采用的网格数超过9 000 万个，计算流场物理量时，玻尔兹曼质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程均采用二阶迎风格式离散，运用PESIO 算法。

运用PowerFLOW 软件对流场进行计算，流场计算结束后使用声学仿真软件PowerACOUSTICS 对车内驾驶员左耳的声场进行计算。图3 示出试验数据与数值仿真结果的对比曲线，数值仿真与试验结果吻合较好，说明本数值计算方法在研究气动声学问题中的可行、正确与可靠。该方法保证了计算结果的准确性，可在汽车研发前期为造型设计部提供技术支持。

图3 车内驾驶员左耳处声场数值仿真与试验对比

3 计算结果及分析

运用PowerACOUSTICS，将PowerFLOW 计算得到的流场数据通过前风挡和左前侧窗，计算车内驾驶员外耳声场。4 种方案均采用相同的计算条件（边界条件和初始条件），对以速度140 km/h 行驶的汽车进行计算，并分析结果。

3.1 流场分析

汽车在高速行驶过程中，气体与汽车产生剧烈的相互作用，A 柱、A 柱与前风挡以及A 柱与后视镜区域是气流变化剧烈的区域，形成较强的湍流区，同时也是产生车外部声源较强的区域。

A 柱的流线图，如图4 所示，方案II 的A 柱上气流分离较少。方案II 的棱线位置让气流更顺畅流过A 柱而减弱分离，进而改善了经前风挡流过A 柱的气流。

图4 某SUV A 柱流线图

图5 示出A 柱湍动能云图，方案II 的湍动能最小，棱线的位置减小了气流经过A 柱后产生的压力脉动程度，改善了A 柱产生声源的强度，降低了车外部声源的强度。

图5 某SUV A 柱湍动能云图

侧窗上压力脉动，如图6 所示，4 种方案的湍流强度随着频率的增大逐渐减小，由湍流产生的噪声源能量主要集中在2 000 Hz 以下，这是宽频气动噪声的特点。方案II 的压力脉动强度要弱于其它方案，棱线的位置减小了经A 柱分离产生的分离气流聚集而成的A柱的拖拽涡对侧窗产生的压力脉动的影响。

图6 某SUV 侧窗湍流压力云图

前风挡上湍流，如图7 所示，产生的脉动声源随着频率的变化规律与侧窗一致。整个频段内，4 种方案的湍流强度差别不大，方案II 是中间水平。A 柱棱线对流经前风挡的气流的流态影响较小。

图7 某SUV 前风挡上湍流压力云图

3.2 外声场分析

汽车高速行驶过程中，经A 柱的气流分离，产生了分离涡，涡破碎生成了气动噪声源，由声源产生的声波经空气介质传播至侧窗和前风挡上，进而经过侧窗和前风挡传播至车内，影响驾乘人员的舒适性。

气流经A 柱分离产生脱落涡，涡的破碎产生的声源在侧窗上分布，如图8 所示，声音的能量随着频率的增大逐渐降低，声音能量也主要集中在2 000 Hz 以下。在500～5 000 Hz 范围内，方案II 在侧窗上靠近后视镜和A 柱区域的声音能量均小于其它方案。A 柱棱线位置改善了经A 柱产生的气动噪声源声场分布，降低了经侧窗传递至车内的声源强度。

图8 某SUV 侧窗上声压云图

图9 示出前风挡上声压云图，4 种方案的声源强度差别不大。方案II 的声源强度是中间水平。A 柱棱线位置对气流经前风挡产生的气动声场的分布影响较小。

图9 某SUV 前风挡上声压云图

3.3 内声场分析

汽车高速行驶的过程中，车外部由A 柱产生的气动声源经侧窗和前风挡传至车内，影响车内驾乘人员区域声场的分布。通过优化棱线的位置可以对车内驾乘人员区域声场分布进行控制，进而提高驾乘人员的舒适性。

图10 示出车外噪声源经左前侧窗传至车内驾驶员外耳的频谱曲线，250 Hz 以上车内声场能量随着频率的增大逐渐减小。4 种方案的频谱曲线在250 Hz 左右有一个“鼓包”，该处“鼓包”是由于采用A 计权所致，随着频率的增大，曲线逐渐下降，但在3 200 Hz 左右又出现一个“鼓包”，该处“鼓包”是由于玻璃自身属性（吻合效应）所致。在100～500 Hz，方案I 和II 的能量差别不大，但小于其它2 种方案，在500 Hz 以上方案II 的能量均小于其它方案。方案II 的声压级比方案IV 降低了2.5 dB，响度减小了3.4 sone，语言清晰度（AI）提高11.8%，方案II 优化了车内声场分布，提高了车内的声品质，改善了驾乘人员的舒适性。

图10 车外噪声经侧窗对驾驶员外耳响应频谱曲线

图11 示出车外噪声源经前风挡传至车内驾驶员外耳的频谱曲线，车内声场能量随着频率变化的规律同侧窗一致。方案II 比方案III 的车内声场能量增加了约0.6 dB，响度增大了0.5 sone，语言清晰度（AI）降低了0.8%，A 柱棱线位置对噪声经前风挡传递至车内驾乘人员的响应影响较小。

图11 车外噪声经前风挡对驾驶员外耳响应频谱曲线

图12 示出驾驶员外耳频谱曲线图，该曲线是由噪声经前风挡和侧窗对车内驾驶员外耳响应共同作用的结果，500 Hz 以下方案I 和II 的车内声场能量差别不大，但均小于其它2 种方案，500 Hz 以上方案I 声场能量小于其它3 种方案。方案II 在整个频段内总声压级降低了约1.8 dB，响度减小了2.9 sone，语言清晰度（AI）提高9.5%。通过对A 柱棱线位置的优化控制，优化了车内声场的分布，提高了整车的声品质，改善了驾乘人员的舒适性，对车内驾乘人员区域的声场起到良好的降噪作用。