汽车后视镜与雨刮的风噪优化
侯兆平;付年;黄元毅;徐铁;陈瑞锋;沈艳涛
【摘 要】为得到某SUV的车内噪声,分别采用计算流体力学法和统计能量法对该车型进行外部流场和乘坐舱内噪声计算,获得驾驶员头部区域的声压级曲线.在原车仿真结果基础上,对后视镜和雨刮进行改进,并采用数值仿真和道路试验对原车和改进后的噪声进行评估和对比.仿真和试验得到的声压级曲线整体趋势一致,表明仿真结果的有效性;后视镜和雨刮改进后,仿真结果显示两种改进方案的噪声,在全频段均有改善,其中声压级最大降幅达5.6dB(A),两种方案的总声压级分别降低1.5和1.8dB(A);路试结果显示在干扰噪声较小的高频段,改进后的声压级有较明显的降低,部分高频段最大降幅达5.1dB(A),两种方案的总声压级分别降低0.2和0.7dB(A),表明了改进的有效性和研究方法的可行性.
【期刊名称】《汽车工程》
【年(卷),期】2018(040)012
【总页数】6页(P1475-1479,1487)
【关键词】后视镜;雨刮;风噪优化;数值仿真;道路试验
【作 者】侯兆平;付年;黄元毅;徐铁;陈瑞锋;沈艳涛
【作者单位】上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心,柳州 545007;上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心,柳州 545007;上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心,柳州 545007;上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心,柳州 545007;上海海基盛元信息科技有限公司,上海 200235;上海海基盛元信息科技有限公司,上海 200235
【正文语种】中 文
前言
车辆在高速行驶时的动力总成噪声、轮胎／路面噪声得到一定控制之后，气动噪声已成为高速行驶车辆的主要噪声源［1-4］，受到汽车企业和研究人员的重视。风洞试验、道路试验和数值计算是整车风噪研究的主要技术手段。路试经济易于实施，其缺点是无法避免引入发动机、车身结构和轮胎等的干扰噪声。风洞试验精确，认可度高，但目前国内风洞资源紧张、费用高。
采用CFD／SEA方法进行整车风噪数值仿真技术近年来兴起，在国外得到广泛应用［5-16］，某些车企已用这种方法部分甚至全部替代风噪的风洞试验。图1为乘坐舱内噪声预测值与试验值的相关分析［9］。由图可见，仿真预测值与风洞试验值的最大误差为0.8dB（A），表明该方法噪声预测的准确性。
图1 内部噪声预测值与试验值的相关分析
国内整车风噪研究起步晚，舱内噪声性能改进方面取得的成果有限［1-4］。本文中针对整车风噪性能提高，开展仿真、改进和试验的研究工作。
1 气动噪声仿真方法
1.1 瞬态外流场计算
瞬态外流场计算采用格子玻尔兹曼法，本节中的公式参见文献［17］。与传统CFD的NS方程不同，玻尔兹曼方程为汽车风洞
式中：f（x，v，t）为粒子在时间 t、速度 v时的概率分布方程；Θ为满足守恒定律的粒子碰撞算子。流体密度ρ和速度v均通过瞬时总和来获得：
湍流方程采用VLES（very large eddy simulation）方法，得到如下方程：
1.2 舱内噪声计算
图2为舱内噪声计算流程，本节中的公式参见文献［6］。声学计算采用统计能量法。整车风噪有两种输入即压力脉动的两种声源：（1）近壁面湍流压力脉动作用在结构件壁面上，形成振动而产生舱内噪声；（2）空间声波以辐射的形式穿透结构件（如侧风窗玻璃），进入舱内。
图2 SEA方法用于舱内声学示意图
1.2.1 湍流压力脉动声源
湍流压力脉动直接作用在结构壁面上，一般声场的脉动压力对整车面板的时均输入功为
对式（5）简化处理，输入功率可转换为等效点力加载到侧窗玻璃上，表达如下：
式中：G为输入导纳的实部；〈F2〉为与时间相关的节点力等效均方根值，重构结构表面的输入功率。输入导纳实部的表达式为
式中：Ap为面板面积；n（ω）为面板的模态密度；ρsp为面板的面密度。
1.2.2 声学辐射声源辐射声源进入车内的声能为
式中为声压的均方根；c为声速；σ为面板辐射效率。
2 仿真模型
2.1 瞬态外流场计算
数值仿真车速为120km／h，全细节模型见图3，网格总数约为2.4亿，最小尺寸为0.5mm。
图3 原车模型图
2.2 舱内噪声计算
不考虑声泄漏情况下，玻璃的隔声性能远低于金属车身部件，可认为车外部声源的噪声仅经
由侧窗玻璃和前风窗玻璃传入舱内。须求解输入功与玻璃的相互作用，以及输入功在玻璃中传播时的衰减，得到舱内测点位置的声压级。表1和表2为侧窗玻璃参数，表3为混响时间。
表1 SEA舱内噪声计算玻璃参数厚度／mm 密度／（kg·m-3） 弹性模量／Pa 泊松比3.5 2 500 8.8×1010 0.215
表2 玻璃阻尼系数／Hz 100 4 000 8 000阻尼系数频率0.06 0.06 0.03
表3 舱内混响时间／Hz 100 630 10 000混响时间频率／s 0.14 0.06 0.06
3 仿真结果与分析
图4为原车乘坐舱内1／3倍频A计权声压级曲线，包括经侧窗和前风窗传入舱内的声压级曲线和总声压级曲线。从图中可以看出，左侧窗是舱内噪声总声压级的主要贡献者。
图4 原车乘坐舱内声压级仿真曲线图
图5 为原车外流场涡心云图。从图中可知声源的位置和强度，主要声源包括后视镜尾涡、落水槽尾涡、雨刮尾涡和A柱脱落涡。
图5 原车外流场涡心云图
图6 为这些声源在侧窗和前风窗玻璃上压力脉动云图，侧窗湍流压力脉动源于后视镜三角台阶尾涡、后视镜支架尾涡和A柱尾涡（图6（a））。侧窗辐射声波压力脉动源于后视镜三角台阶尾涡和后视镜支架尾涡（图6（b））。雨刮和落水槽引起的湍流压力脉动作用在前风窗玻璃上（图6（c）），落水槽尾涡撞击在A柱上，在前风窗玻璃上产生辐射声波（图6（d））。
图6 侧窗和前风窗玻璃压力脉动云图
4 气动噪声改进方案
通过对原车风噪仿真结果的分析，从声源和声传播两个方面进行改进：（1）降低声源，减小压力脉动，提高流动贴体性；（2）使声源远离声传播的衰减较弱部件（如侧窗玻璃）。提出了两个改进方案，方案1对后视镜做了改进，方案2在方案1的基础上对雨刮做了隐藏，即将雨刮移至风窗玻璃下边缘的下面，如图7（d）所示，使其不阻挡从发动机罩流向风窗玻璃的气流。
图7 原状态与改进方案对比图
5 改进后的仿真与试验的对比分析
5.1 改进后的仿真结果分析
方案1对后视镜支架和本体做了贴体性设计，支架减薄并下移等，仿真结果如图8（a）和图8（b）所示。对比图6（a）和图6（b）可知，湍流压力脉动和声波压力脉动在强度上和分布区域上均有减小。
图8 改进后的仿真结果
方案2避免了雨刮对来流的阻挡，使落水槽附近流动更平顺，减少落水槽分流对后视镜区域的作用，降低侧窗玻璃的声压级，结果如图8（c）和图8（d）所示。
5.2 试验说明
通过道路试验进行验证，测试仪器为西门子LMS数据采集系统，在驾驶员头部附近布置传声器，如图9所示。
图9 路试测试相关图
5.3 试验与仿真对比分析
图10 为原车和改进后驾驶员头部区域声压级曲线的路试和仿真对比。从图中可得如下结果。
（1）在整体趋势上，各数据结果是一致的，路试低频段的出现起伏是干扰噪声源的影响。
（2）从仿真声压级曲线可知，与原车相比，方案1全频段都有改进，中高频段的声压级降低了1dB（A），部分频段高达3～4dB（A）。方案2改进效果更好，部分频段声压级的降幅达5.6dB（A）。总声压级的降幅，方案1为1.5dB（A），方案2为1.8dB（A）。
（3）从路试结果可知，低频段声压级没有改进，这是因为路试时存在发动机噪声等干扰噪声，这些干扰噪声主要分布在中低频段，且其强度远高于风噪，测试设备记录声压级为干扰噪声源，风噪改进效果在中低频段无法体现。在高频段有较大的改善，部分高频段改进方案1的声压级比原状态降低了3.99dB（A），方案2降低了5.1dB（A）。总声压级分别降低0.2和0.7dB（A）。
（4）125-2 500Hz频段，3种状况下仿真得到的声压级明显低于试验值，偏差在8～14dB（A）之间，这个频段路试声压级主要来自于发动机噪声等干扰声源。
（5）2 500-6 300Hz频段干扰源较少，仿真与试验的偏差在5dB（A）以内。仿真结果仍低于试验结果，其可能的原因有：密封问题，数值仿真为完全密封下的结果，路试实车存在着密封不良导致的声泄漏，提高了舱内声压级；工况不同，数值仿真是“车不动，空气流过”，路试时，外部风环境不稳定，无法精确定速巡航，车行颠簸等使压力脉动较大，提高了声压级；发动机噪声等干扰源在高频段还有影响；路试侧窗玻璃厚度小于仿真的玻璃厚度所致。路试声压级曲线显示，其吻合频率在4 600Hz左右，而数值模拟得到的声压级曲线显示，吻合频率在4 000Hz左右，说明路试车侧风窗玻璃的厚度可能小于数值模拟的玻璃厚度，玻璃较薄，其隔音效果较差，引起声压级较高。
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