某SUV后视镜降噪设计与风洞试验验证

2023-05-04宋妙妍周国成陈宏清

汽车工程 2023年4期

宋妙妍，周国成，陈宏清，陈宝

（1.中国航空工业空气动力研究院，哈尔滨 150001；2.黑龙江省空气动力噪声及其控制重点实验室，哈尔滨 150001；3.低速高雷诺数气动力航空科技重点实验室，哈尔滨 150001）

前言

汽车后视镜作为驾驶员的“第二双眼睛”，在驾驶安全性和使用性上起到了重要的作用。然而由于其安装突出于车体表面，排除A 柱影响外，位于迎风面，其气动噪声问题也较为突出，气流流经后视镜会产生各种尺度的涡结构，脱落的旋涡与车窗撞击，引起车窗表面产生强烈的脉动，影响车内驾驶员的感受，影响乘客乘坐的舒适性和安全性［1-2］。

后视镜引起的噪声属于风激噪声［3］，其产生的原因包括阻碍气流产生紊乱流场、流动分离引起较强的压力脉动、不规则的棱角引起细小的微团等［4］，其对于乘坐舒适性的影响主要是通过3 种方式：漩涡噪声透过车窗向内辐射、尾流激励引起车窗振动产生噪声和缝隙之间泄漏噪声。

针对后视镜的降噪设计，目前主要的研究手段有如下几种。

其一，采用仿生学思想，在后视镜镜体和三角基座的表面设计一些非光滑结构，产生反向对涡，从而减小涡强度来降低噪声。如刘力［5］在后视镜和基座表面设计了0.5 mm 的粗糙颗粒，达到了总体降噪0.6 dB 的效果；陈鑫等［6］以某国产汽车后视镜为研究对象，通过在边缘开槽的形式设计了两款降噪模型，发现凹槽能够改变镜罩后的流动方向，降低尾流区域气动噪声；高长凤［7］利用鸽翼后缘仿生原理设计了后视镜外轮廓，并通过数值模拟研究了其对于单独后视镜和整车气动噪声的影响，发现这种形式能够减小涡流流量降低气动噪声；范伟军等［8］在后视镜镜体上表面布置了若干凹坑，使得流动分离延迟，降低了噪声；Chu 等［9］提出了一种带有内凹槽的OSRVM 降噪模型，发现这种内凹槽能够改善速度和涡量分布，并且不需要改变尺寸和安置角度。

其二，优化安装角度，降低噪声。Richard 和Wei［10］在AAWT 声学风洞进行了后视镜噪声试验，研究了不同安装位置的影响，发现当安装角度为0°偏角时噪声较小；苏辰［11］采用CFD-FEM 方法分析了后视镜的厚度、高度和距离车身的距离对于气动噪声的影响，发现后视镜距离车身越远、后视镜厚度越小越有利于降低气动噪声。

其三，优化后视镜型线，使得流动更加均匀，减小流动分离与漩涡的再附着，从而减小噪声。Dlek等［12］在ANKA 风洞进行了后视镜测试试验，研究了全尺寸后视镜上方和尾流区域的流动结构和噪声特性，发现后视镜表面曲率变化会引起尾流区域展向波动，支架的存在引起了镜壳处形成盘状涡流，引起剪切层不稳定，同时影响流场和声场；徐明等［13］通过优化后视镜内侧夹角，减小涡尺度降低了1 000-5 000 Hz 范围内的噪声。

其四，采用主动控制的方式降低脉动压力，减小噪声。李启良等［14］采用主动射流的方式研究了射流位置和射流量对于总声功率级的影响，发现通过合理布置射流位置能够改变涡核位置，降低脉动，减小噪声。

本文中主要针对某SUV 后视镜，采用改变外形的方法，研究了镜臂外形改变对于流场近场和远场气动噪声的影响，并通过风洞试验分析了两个不同镜臂形状的降噪效果。

1 数值模拟概况

1.1 模型与网格

采用3D 扫描和逆向建模的方式从实际汽车后视镜获取数模，由于实际模型存在摄像头等部件，基座存在线路等安装结构，在初期数值模拟降噪设计时做了简化处理，获得用于降噪设计的初始模型（以下称A0）。采用三角形网格进行后视镜表面网格的划分，在后视镜壳体凹槽部分做了局部网格细化，流域采用切割体网格形式，边界层增长率设为1.2，第1 层边界层厚度满足Y+值小于5，在后视镜尾流区域做了过渡加密，模型及网格如图1所示。

采用SSTk-ω模型进行定常流场计算，基于SST-IDDES 方法［15-16］进行非定常流场求解，时间步长设为5×10-5s，迭代步数为10步，计算时长为0.2 s，风速设为120 km/h。

1.2 原始后视镜流场分析

选取了平行于Y轴的两个截面，y轴坐标分别为0和0.06 m。如图2所示，给出了两个截面上后视镜尾流区域Lamb 张量散度云图。从图中可以看到该款后视镜产生噪声的主要部分为后视镜镜臂（黑色框）、后视镜镜头上方（黄色框）以及三角基座（红色框）。一方面，外形曲率的变化导致漩涡从后视镜表面脱落。在镜头上方与镜头下侧，由于安装镜面存在凸起的结构，凸起结构周围散度变化剧烈，在不同截面，流动存在差异；三角基座的坡度导致其附近涡系结构较为复杂。另一方面，模型表面、后视镜各部件之间存在凹槽，受到凹槽影响流场紊乱，如图中黑色框展示的。在两个Y截面，镜臂侧边角度影响漩涡的分离与再附着，镜臂与镜头之间存在凹腔，涡系分布紊乱。因此针对后视镜产生噪声的主要部位，结合后视镜安装方式以及后续试验设计，本文主要针对镜臂外形进行降噪方案制定。

图2 Lamb张量散度云图

1.3 降噪设计

根据上述分析，设计了两种降噪模型。

降噪模型1（以下简称A1）减小了镜臂侧面曲率。镜臂侧面角度会导致压力梯度较大，从图2 可以看到，在不同截面，镜臂附近气流都有较强的波动，通过减小侧面曲率，使得气流过渡均匀，来减小压力梯度，降低噪声。

降噪模型2（以下简称A2）增大背风面的过渡角度并减小镜头下方角度。从图2 中看到，在镜头下方存在较复杂的现象，改变背风面以及镜头下方角度，使背风面附近涡后移，远离平板，从而减小噪声。

图3和图4分别给出了在50和200 Hz时，3个后视镜表面脉动压力功率谱密度分布，这里功率谱密度经过对数处理，单位为dB/Hz。从3个频率对应的云图上看，所采取的降噪方案在不同频率时对于后视镜表面声源的降噪效果有所不同。在50 Hz 时改变镜臂附近外形具有较好的降噪效果。从表面声源分布上看，A1 模型通过改变曲率，使得在镜臂附近原有的较高声压级的区域消失（红色框），结合图5截面流场云图，气流贴合镜臂侧面流动，流动分离减缓，同时由于气流流动方向改变，在镜面附近凹槽处的声压级也有所减小。A2 模型改变的是镜臂背风面的外形，对于镜面附近凹槽表面声源强度没有很大影响，但是在镜臂侧边（红色框）声压级也有所降低，这主要是由于镜臂侧面过渡更平滑，气流流动均匀，后视镜表面偶极子声源相对小。而在200 Hz时，A1 模型和A2 模型表面声功率谱密度分布没有特别明显的变化，说明这种镜臂修改对于后视镜表面产生噪声的影响主要集中在较低的频率。结合图5截面流场图，在尾流区域，降噪设计后，脱落的漩涡尺度有所减小，A0 模型原有的较大漩涡变成了相对小的漩涡，A2模型尾流区域的漩涡后移。

图3 50 Hz时后视镜表面脉动压力功率谱密度分布

图6 给出了后视镜的总压等值面云图。由图可见，在后视镜镜面四周和镜臂附近存在尺度较小的等值面，在尾流区域总压等值面变长，尺度增大，这是由于后视镜产生的涡核发生了破裂。此外，可以看到在尾流区域镜臂卷起的分离涡与镜面卷起的分离涡发生掺混，在距离后视镜较近的区域内总压等值面较复杂，涡强度较大。对比3个后视镜，A0在车窗附近分离涡相对尺度较长，改型后的两个设计模型分离涡尺度有所减小，且远离平板，这进一步说明了改型后有利于降低噪声。

图6 总压等值面云图

2 试验概况

为了验证降噪模型的降噪效果，在航空工业气动院FL-53 风洞进行了3 个后视镜的噪声测试，FL-53 风洞有开、闭口可切换试验段，试验段外设有消声室，尺寸4 m×2.6 m×3.9 m，消声室内的6 个壁面铺设了由多孔材料制成的吸声尖劈。本次试验是在开口状态下进行的，开口试验风速上限为85 m/s，背景噪声在40 m/s时低于50 dB（A）。

采用3D 打印获取A0、A1 和A2 模型，如图7 所示，采用侧壁支撑的方式固定后视镜模型，平板与风洞喷口齐平安装，后视镜布置在试验段中心，后视镜与平板连接处用锡纸做了光滑处理，图8 为近场和远场监测点的位置示意图，其中监测点P1 和P2 采用脉动压力传感器，监测点M1、M2、M3、M4 采用表面传声器，传感器和表面传声器与平板齐平安装，以保证数据的准确。远场采用线阵进行噪声测量，共布置7 个传声器，其中5 号传声器正对后视镜，距离平板2.2 m。表面传声器采样率为40 960 Hz、采样块数为100、每块采样点数为4 096。脉动压力传感器采样率为4 000 Hz，采样块数为400。

图7 试验模型

图8 监测点位置

测试风速为60、80、100、120 和140 km/h。采用基于PXIe 总线的数据采集系统进行数据收集，利用NI Labview Signal Express 模块进行数据处理。由于试验在开口风洞进行，在远场测试时，考虑测试距离的修正，即在远场区域，声压沿传播路径的衰减满足自由场衰减规律，修正量可表示为

式中：R2、R1为两个测量点到声源距离；Lp2、Lp1为对应测量点的声压级。

3 试验结果分析

3.1 数据对比

在120 km/h 风速下，通过试验获取A0 上平板P1和P2测点的脉动压力数据，通过数据处理得到监测点的PSD 频谱，图9 给出了与数值模拟结果的对比。可以看到数值模拟结果与试验结果曲线过渡趋势基本一致，数据结果吻合较好。

图9 PSD谱对比

3.2 近场表面声载荷分析

图10～图12 给出了3 种不同风速下4 个监测点的声压级频谱（1/3倍频程）。从图中可以看到，在监测点M1 和M2 处，频谱没有明显的峰值，在100 Hz以下声压级相对较高，在风速增大后，100 Hz 以下，随着频率增大，声压级有所增加，但增大的幅度相对小，在100 Hz 以上声压级逐渐减小。在监测点M3和M4，声压级频谱存在相对明显的峰值，3个模型声压级峰值对应频率基本一致，但是随着风速的增加，峰值对应的频率增大。表1 给出了不同风速下的峰值对应频率。根据试验监测点的布置，M3 和M4 位于后视镜镜臂的正后方，除了基座影响外，镜臂和镜壳的影响较大，此峰值与镜臂的截面尺度有关，而M1 和M2 监测点距离后视镜镜臂垂直距离稍远，因此在低速情况下没有明显的峰值，而速度增大后，后视镜尾流区域湍流结构更加混乱，镜臂的影响增大，此时M1 和M2 监测点频谱在100 Hz 附近存在一个较高的声压级。

表1 声压级峰值对应频率

图10 速度60 km/h时不同监测点的声压级频谱（1/3倍频程）

图11 速度120 km/h时不同监测点的声压级频谱（1/3倍频程）

图12 速度140 km/h时不同监测点的声压级频谱（1/3倍频程）

以120 km/h 为例，图13 对比了不同监测点的声压级频谱（1/3 倍频程）。可以看到4 个监测点，在频率较低时，声压级较为接近，在中间频段，M3 和M4监测点的声压级要比M1 和M2 的大很多，在频率较高时，M1 和M2 监测点的声压级反而要大于M3 和M4点。

图13 速度120 km/h时不同监测点的声压级对比（1/3倍频程）

对比M1 和M2 监测点，在100 Hz 以下，两个监测点声压级较为接近，而在100 Hz 以上，M1 的声压级要大于M2，这主要是由于M1 距离后视镜基座较近，受到尾流涡撞击影响较大。对比M3 和M4 监测点，二者在各个频率下的差值相对较小。

从图10～图12 分析同一个监测点3 个模型的声压级频谱，可以看到A1模型在低频范围内各个监测点均具有较好的降噪效果，最大可以降低3 dB，并且随着速度的增加，在各频段的降噪量有所增大，且在速度较大时高频段存在一定降噪效果，但是在中间频段，没有十分明显的降噪效果。此外，在3 种速度下M1 和M2 监测点均存在较为明显的降噪效果，而在M3 和M4 监测点速度较低降噪量不明显，只有当速度增大后，降噪效果才增大。A2 模型在M3 和M4处降噪效果较好，最高可以达到2.5 dB，而在M1 和M2 处降噪效果不明显。这主要是由于A1 模型改变了镜臂侧面的曲率，从图5 流线图上可以看到气流流经镜臂后的流动方向会发生改变，脱落的涡尺度减小，因此对于4 个监测点都有影响，而A2 模型改变的是背流区域，使得在基座与镜臂之间的涡被后移，因此对于镜臂正后方的M3 和M4 点影响更大。结合图3和图4的分析，可以发现降噪设计方案对低频噪声（后视镜表面偶极子声源）作用十分明显，总体上讲在100 Hz 附近降噪效果最好。此外，从试验结果分析降噪模型在低频和高频均有降噪效果，而模拟显示在频率增大后，后视镜镜臂表面声功率谱密度分布没有明显变化，说明镜臂主要影响了低频处的噪声，而当频率较高时，流场涡脱落方向对于声的影响更大一些。

为了进一步分析设计的镜臂对于总声压级的影响，图14 给出了不同监测点的总声压级对比。这里可以看到风速的增加并没有对总声压级降噪量产生很大的影响。在M1 和M2 监测点，A1模型的降噪效果较好，在各个风速下降噪量2-3 dB，而A2 模型降噪量相对较小，为1 dB。而在M3 和M4 监测点，A2模型降噪效果较好，可以达到2 dB，而A1 模型降噪效果相对较差，在100 km/h 以上才有一定的降噪效果。这与前面的分析一致。

图14 不同监测点总声压级对比

3.3 远场噪声分析

采用线性阵列监测了远场7个点的噪声，以流速的反方向为x轴，计算了总声压级，其中F1-F7对应角度从大到小，表2给出了不同监测点的测量距离修正量，这里将所有监测点统一修正至监测点5的距离。

表2 测量距离修正量

图15给出了不同风速下3个模型远场噪声指向性，可以发现随着风速增大，3 个模型的总声压级都有所增加。整体上讲在F1-F4 监测点噪声较高，这主要是由于这些监测点位于后视镜尾流区域后方，说明湍流对于远场噪声影响较大。同时可以发现在 F6 存在拐点。从F1 到F5 监测点，总声压级逐渐下降，而F5 和F6 总声压级大小相近，这主要是由于F5、F6 已经位于后视镜镜壳侧方，受到尾流影响较小，产生噪声相对小，这与图3 和图4 声源表面功率谱密度分布规律相符，在后视镜镜壳侧方，表面声源相对弱一些，并且从图5 流线图也可以看到，流线较为紊乱的地方主要是在后视镜的尾流区域。而F6监测点到F7 监测点之间，由于靠近风洞室内侧面洞壁，受到测量环境影响，因此声压级略有上升。

图15 不同速度下3个模型的远场指向性

对比3个模型远场噪声值，除了60 km/h外，各个风速下远场噪声指向性基本一致。A1模型在60、100、120和140 km/h均有较低的远场噪声值，而在80 km/h没有降噪效果。A2 模型在60、80、100、140 km/h时具有一定降噪效果，而在120 km/h 没有降噪效果。这与近场噪声的结果有一定差异。这主要是由于近场监测点位于尾流区域，在一定程度上受到后视镜本身遮蔽作用，而远场监测点这种作用较小。