后视镜风噪外形优化设计研究

关鹏　潘雷　顾彦

摘 要：后视镜是整车风噪的重要噪声源之一，其外形直接影响整车NVH性能。后视镜外形对风噪的影响按频率特性可大致分为两类，啸叫与宽频噪声。文章通过仿真计算与试验相结合的方法，分别对这两类噪声进行了分析与优化。通过试验验证，结果显示，优化方案可以有效消除啸叫，对宽频噪声中高频段也有较明显的改善。此类优化方法的原则适用于后视镜外形早期开发设计阶段。关键词：后视镜风噪;啸叫;宽频噪声中图分类号：U463.85+6  文献标识码：A  文章编号：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车密封性能的显著提升，使得风噪性能在车辆高速行驶的过程中成为影响整车NVH水平的重要因素。 后视镜作为整车外形的主要突出物，且其所处位置为影响风噪性能的敏感区域，所以对其外形优化是改善风噪水平的主要手段之一。

后视镜引起的风噪问题按照频率特性主要可以划分为啸叫与宽频噪声两类，其产生机理不同，对计算优化方法的要求也不相同。本文将分别从流致噪声的机理，仿真分析及优化，风洞试验验证等几个方面考察后视镜外形对于风噪性能的影响。通过对后视镜镜壳，基座外形及落水槽特征的优化，达到抑制宽频噪声，消除啸叫窄频噪声的目的。

1 啸叫

啸叫是一种窄频噪声，其表现为噪声在中高频较窄的频率段声压级明显高于附近频段。车辆在高速行驶的过程中，后视镜附近会出现啸叫的噪声源主要可以归结为三类：安装基座附近或后视镜壳体的缝隙，壳体表面气流分离，功能特征所形成的凹槽类腔体（落水槽等）。本文所研究的对象是后两类外形噪声源。

1.1 啸叫产生的机理

1.1.1 表面气流分离

表面气流分离是产生后视镜啸叫的主要原因之一，其本质是边界层的转捩[1]。边界层是流体流经物体表面时，粘性力不可忽略的附面薄层。当粘性流体在物体表面出现逆压梯度时，气流分离随即出现，如图1所示。此时分离点附近会出现较为剧烈的压力脉动，当压力脉动出现规律性变化时，容易产生窄频噪声，即啸叫。

1.1.2 凹槽腔体

凹槽腔体通常作为水管理功能（落水槽）或造型风格特征出现。其生成啸叫的机理：边界层气流在凹槽前缘的几何不连续处分离，分离的气流继续向下游流动。随槽宽与槽深的比例不同，气流会直接撞击后缘壁面或凹槽底面，而后反作用于前缘分离的气流。当该过程的气流达到一定强度与相互作用的周期性反馈后，会在后缘棱边压力脉动剧烈区域生成声源，继而产生啸叫[2]，如图2所示。

1.2 仿真分析与优化

后视镜表面分离与凹槽腔体所产生的啸叫噪声通常会发生在频率较高的范围（>1000HZ），受边界层模型及计算资源所限，很难通过直接的仿真分析将高频啸叫噪声复现。较为有效且能够支持工程开发进度的方法是通过仿真计算确定声源所在位置，对主要影响区域结合啸叫生成机理进行优化，并最终通过试验，验证优化方案的有效性。

以某车型为例，该车后视镜在高速行驶时即出现明显的啸叫噪声。为了确定潜在声源位置，计算工况为140kph，考察后视镜上壳体压力梯度及后视镜附近流场湍动能分布。计算结果显示，从后视镜上表面的压力梯度（如图3）可以看出，压力变化明显的区域为镜壳棱线特征与落水槽棱边。后视镜下游流场的湍动能分布（如图4）也可看出，棱线特征附近表面气流分离。

结合啸叫产生的机理，优化方案分为两步：首先将特征棱线光滑过渡，尽量消除此处的气流分离，保持贴体流动。其次在保留落水槽功能特征的同时，设置落水槽前后棱边的高差，前棱边高于后棱边，且后棱边倒圆（虚线为原方案），如图5所示。该设计可以避免气流直接冲击凹槽后壁面，降低气流强度与后棱边压力脉动。

1.3 试验验证

模型更改后，经试验验证，4600Hz频率附近啸叫噪声消除，如图6所示。

2 宽频噪声

后视镜成为整车风噪的重要影响因素，主要是因为以下几方面原因：后视镜作为整车外形的突出物，受到高速气流的冲击，本体是声源;其尾流区位于侧窗附近，对侧窗流场影响较大;同时后视镜的外形会影响A柱尾流区对侧窗的影响;对于安装于侧窗的后视镜，其密封性能对整车风噪的影响也不能忽视。

不同车型的后视镜对整车风噪的影响也不尽相同，其原因比较复杂，不能一概而论，如图7所示。图中可以看出，拆除后视镜对两款车的影响差别明显，其中后视镜2的优化空间较大。

2.1 仿真分析

2.1.1 格子玻尔兹曼方法

工程实践中广泛使用的流场计算按照所依据的原理不同可以分为：基于连续介质力学的方法和基于分子动力学、统计力学的方法。本文做采用的为属于后者的格子玻尔兹曼（LBM）方法。由于该计算为可压缩流，所以外声场信息可以直接从流场结果中提取。

2.1.2 统计能量法

风噪对乘员舱的影响主要集中在中高频率，

而统计能量方法（SEA）适用于解决此类复杂系统宽带中高频动力响应问题。该方法从能量的观点分析振动与声，将系统划分为储存能量的子系统，在稳态情况下求解子系统之间能量传递与平衡方程。方程的基本关系式如下[4]：

2.2 模型

计算模型如图8所示。除外造型外，该数模包含打开的前格栅，发动机舱以及底盘的零部件。详细的数模可使来流在整车外表面的分布更加符合实测工况。A柱与后视镜为主要细化区域。

计算工况为140kph，0偏航;计算时长为1S，0.5～1S为数据采集区间。

2.3 结果分析

2.3.1 声场结果

声载荷在侧窗表面的分布主要可以分为两类：湍流载荷与声波载荷。湍流载荷的分布频率区间主要集中在中低频，而声波载荷的分布区间主要集中在中高频。

计算结果显示，湍流载荷在侧窗的分布主要集中在A柱尾流区以及后视镜基座尾流区，如图9a所示。声波载荷在侧窗的分布主要集中在后视镜基座尾流区，如图9b所示。

进一步考察空间声源的分布，如图10所示。可以看出在距离侧窗较近的后视镜尾流区域，声源集中在基座与侧窗交界处，镜柄尾流区域以及后视镜底部尾流区。

2.3.2 流场结果

结合声场分析的结果，对流场相关区域的物理量进行考察。后视镜下缘附近轮廓线导致气流分离严重，与声源分布所示区域一致，如图11a所示。基座与侧窗的高差引起气流在局部分离，该区域也是侧窗声载荷与空间声源集中的区域。如图11b所示。

2.4 优化

2.4.1 优化方案

通过对上述声场与流场结果的分析可以看出，后视镜下缘轮廓线、基座与侧窗之间的高差是主要的优化区域。对该区域的优化，目的是能够通过对气流分离的抑制，降低声载荷对侧窗的影响。

后视镜下缘特征优化方案如图12所示，原方案（图12a）迎风面与地面的过渡圆角曲率较大，优化方案（图12b）将此处的圆角曲率减小。

基座与侧窗的高差受工程约束限制，高差无法完全消除（图13a），此处的优化采取降低高差，渐进过渡的方式（图13b）。

2.4.2 仿真优化结果

将上述两处局部优化方案重新计算，结果如图14、15所示。流场结果显示，优化后的局部特征附近气流分离明显得到抑制。后视镜下缘贴体的气流可以同时削弱因分离导致的面声源与体声源的产生（图10，11a，14a，14b）。基座与侧窗交接处的噪声源同时通过玻璃与密封条向乘员舱传声，所以此处几何特征优化改善局部气流的效果会比较明显（图9b，11b，15a，15b）。

2.5 试验验证

2.5.1 试验环境

声学风洞对于流场与背景噪声的要求较高，流场中湍流强度低于0.2%，速度稳定性小于0.5%。测试段需满足半自由声场的要求。本试验在SAWTC风洞完成（图16），该风洞为3/4开口回流风洞[5]。

2.5.2 试验结果

试验结果显示（图17）：总声压级降低0.3dBA，语音清晰度提高3.5%。优化方案对风噪影响的主要区间在中高频，所以语音清晰度的改善较为明显，总声压级略有降低。仿真分析与试验比较，整个频率段绝对值略低，趋势一致，能够反应优化效果。考虑到试验中有其它次噪声源的影响，该仿真结果偏低在合理预期范围。

3 结论

本文通过仿真分析与试验相结合的方法，对后视镜引起的两类整车风噪进行评估与优化。试验结果显示，优化方案能够有效解决啸叫噪声，改善宽频噪声。虽然优化内容针对具体车辆的具体问题，但此类优化思路和方法可以应用于车辆后视镜早期开发阶段，相关内容总结如下：

a）后视镜镜壳表面造型与落水凹槽等功能特征是形成后视镜啸叫的主要原因。改变曲面造型与凹槽截面形状，可消除此类噪声。

b）结合格子玻尔兹曼流场与统计能量声场的计算方法，可以对乘员舱的声学特性进行定量评估。后视镜外特征轮廓线以及基座与侧窗玻璃的交界处都是容易产生气流分离的区域，抑制或减弱局部区域的分离，可以改善风噪水平。

c）后视镜风噪是整车NVH的重要组成部分，其性能开发应兼顾计算资源与项目进度，综合运用仿真与试验方法，满足设计目标。

参考文献

[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.統计能量分析原理及其应用[M].北京：北京理工大学出版社，1995：13.

[5] 蔺磊，顾彦，潘雷，关鹏.整车风噪声性能的声学风洞试验分析[J].汽车工程学报，2019，5，209～213.