沈沉+王洋+劉斌+陶澤平

摘 要：通過近場測量法獲得實車空調(diào)出風口嘯叫的聲壓數(shù)據(jù)，并分析其頻譜，又通過耦合氣動-聲學數(shù)值計算研究流場結構并探究嘯叫機理。試驗結果表明，嘯叫的發(fā)生與空調(diào)出風口的風門位置和內(nèi)外壓差聯(lián)系密切。當幅值-頻域信號中2 kHz以上部分存在明顯的頻譜峰值時，嘯叫明顯。嘯叫產(chǎn)生的機理在于擬序渦結構脫落引發(fā)的有規(guī)律的壓力脈動，輻射后形成較為規(guī)則的聲壓脈動。為預測嘯叫、改進設計、預防嘯叫提供理論依據(jù)。

關鍵詞：NVH；噪聲辨識；數(shù)值模擬；氣動噪聲；嘯叫

中圖分類號：U463.85+1文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.03.11

乘用車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness，NVH）性能直接影響到乘坐舒適性，空調(diào)出風口嘯叫是一種常見的NVH問題，會引起乘客不適與疲勞[1]，越來越多的主機廠和供應商開始關心并設法解決該問題。汽車空調(diào)出風口嘯叫是一種主觀感受，定義并辨識嘯叫在出風口研發(fā)和認證過程中十分重要。相關研究已經(jīng)表明：車內(nèi)舒適性與響度、尖銳度、粗糙度、波動度等因素相關[2]，而出風口嘯叫對車內(nèi)噪聲的響度、尖銳度、粗糙度都有明顯的影響，所以研究并改善出風口嘯叫具有重要的工程意義。目前對于出風口嘯叫的評估主要采取臺架試驗和整車試驗兩種方式，而對嘯叫產(chǎn)生的機理缺少有效的分析方法。嘯叫的成因較為復雜，其影響因素包括風機、風門、風道、葉片等。運用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析嘯叫形成機理對識別影響因素、改進設計、預防嘯叫具有指導意義。

1 試驗的主客觀評價

以某中型SUV車型的出風口為研究對象，圖1為該車型中控臺出風口數(shù)模。風道內(nèi)部包含有葉片、風門等結構，當風門調(diào)節(jié)到接近關閉的最小出風狀態(tài)（即撥輪開啟一格）時會產(chǎn)生嘯叫現(xiàn)象。如果同時關閉其它出風口，則單個出風口壓降增加，嘯叫更為明顯。實車出風口的內(nèi)外壓差由風機產(chǎn)生，當風門關閉時，風機的設計壓升為250 Pa。

采用近場測量法測量噪聲，利用麥克風實車采集出風口噪聲并記錄聲壓變化，測點位置距離出風口100 mm。麥克風避開氣流并布置在射流剪切層外，以避免測得的數(shù)據(jù)被假聲信號干擾。記錄了9組聲壓數(shù)據(jù)進行分析，涵蓋了儀表板出風口、中控臺出風口、副儀表板出風口3種出風口類型，其中包含1組無嘯叫聲、5組有較弱嘯叫聲以及3組有非常明顯嘯叫聲的數(shù)據(jù)。9組數(shù)據(jù)的快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）得到的頻域信號，截取長度為10 s，加窗方式為漢寧（Hanning）窗[3]。

圖2為無嘯叫一段時域信號和FFT后的頻域幅值信號。從頻域信號來看，這種能量隨頻率增加而衰減的趨勢比較接近棕色噪聲[4]。

圖3為嘯叫較弱的一段時域信號和幅值頻域信號。從頻域信號來看，能量隨頻率增加而衰減，但在3.4 kHz和7.5 kHz附近存在較明顯的峰值。主觀上能夠識別出這種嘯叫，但并不十分明顯。

圖4為有非常明顯嘯叫的一段時域信號和幅值頻域信號。從時域信號來看，可以發(fā)現(xiàn)明顯的主信號趨勢，附近存在“毛刺”狀的脈動特性，從頻域信號來看，在5.7 kHz和11.3 kHz兩個特征頻率附近存在明顯的峰值，說明能量在這兩個頻率十分集中，主觀上能夠聽到十分明顯而尖銳的嘯叫聲。

圖5選取了6組典型出風口噪聲信號所得到的幅值頻域結果。通過對頻譜的分析并總結規(guī)律，發(fā)現(xiàn)有嘯叫聲的頻譜中存在共同點：在2 kHz以上區(qū)域存在較明顯的峰值。因此可以以“2 kHz以上部分存在明顯的頻譜峰值”作為量化的定義嘯叫的方式，并以此準則來辨識嘯叫。

2 數(shù)值計算

以該車出風口作為數(shù)值模擬對象。由前文所述的實車測試發(fā)現(xiàn)：風門調(diào)節(jié)對嘯叫具有決定性影響，而葉片調(diào)節(jié)對嘯叫幾乎沒有影響，無論葉片處于何種角度都幾乎不會改變嘯叫性質(zhì)和峰值頻率，由此可以判斷：嘯叫的成因與風門附近的流場有著密切聯(lián)系，風門設計和風門位置對嘯叫具有決定性作用。試驗表明：當風門調(diào)節(jié)到接近關閉的最小出風狀態(tài)時會產(chǎn)生嘯叫聲，而風門撥輪繼續(xù)調(diào)大一格則沒有嘯叫發(fā)生，因此以這兩種狀態(tài)為計算對象作對比分析。

采用有限體積法對出風口附近的流場進行數(shù)值計算，以重整化群（RNG）k-ε湍流模型[5]結合（Scalable）壁面函數(shù)[6]得到初始流場后，采用代數(shù)壁面建模的大渦模擬（Algebraic Wall-Modeled LES Model）方法[7]，最大的局部邊界層Y+控制在10以內(nèi)。邊界條件采用壓力入口設定為設計壓降250 Pa（與試驗時的邊界條件吻合），出口設置為壓力出口，計算域截面網(wǎng)格如圖6所示。采用雙精度的數(shù)值精度，二階格式SIMPLE算法計算[8]。

求解穩(wěn)定后的某一時刻時的非定常風門附近的速度云圖如圖7所示，兩種風門狀態(tài)下局部最大流速分別為21.5 m/s和34.1 m/s。從其速度分布可以發(fā)現(xiàn)，最小出風狀態(tài)下氣流主要從風門頂端流出，而繼續(xù)調(diào)大風門后，風門下方逐漸成為主要的氣流出口。

3 機理分析

出風口嘯叫屬于典型的氣動噪聲，因此需要從流場結構角度加以分析。由圖7（a）可以看出兩股射流在A區(qū)域交匯，由于存在相對速度差，兩股射流之間存在剪切層，隨著流場的發(fā)展，剪切層附近不斷產(chǎn)生擬序渦結構并脫落[9]，渦量云圖如圖8所示。對比圖8（a）和（b），雖然只是風門開啟的角度不同，但整個流場結構差異巨大，流場呈現(xiàn)出兩種完全不同的狀態(tài)。

圖8（a）表明脫落的擬序渦結構隨流場向后移動并且不斷擴散、破裂、融合，這個過程會產(chǎn)生較為規(guī)則的壓力脈動，如圖9（a）所示，輻射到遠場后形成較為規(guī)則的聲壓變化，因此會在頻域上的某些固定頻率產(chǎn)生峰值，這就是嘯叫產(chǎn)生的機理。而風門開大狀態(tài)下的流場結構更不規(guī)則，整個流場不存在明顯起主導作用的擬序結構，如圖8（b）所示，無法在某些特定的特征頻率下形成有效的噪聲輻射，所以整個氣動噪聲接近于棕色噪聲。需要指出：圖9（b）中的標尺比圖9（a）大一個數(shù)量級，且壓力分布不規(guī)則，說明了風門調(diào)大后無法在某一特定頻率輻射噪聲，輻射的噪聲必然占據(jù)寬廣且較低的頻率范圍，故無法產(chǎn)生明顯嘯叫。

使用FW-H聲類比模型[10]可以模擬遠場聲壓脈動信號，并得到氣動噪聲的頻譜，但由于現(xiàn)今氣動噪聲的數(shù)值模擬通常與試驗結果在低頻區(qū)域存在一定的誤差，用此方法預測出風口嘯叫頻率并不是十分理想的方法。基于上述原因，這里僅對流場中20個固定測點記錄壓力脈動信號，并針對壓力脈動信號進行頻譜分析。以圖6中的點1為例，獲得了如圖10所示的頻譜。從中發(fā)現(xiàn)超過2 kHz的位置上也存在明顯的峰值，這與試驗結果是統(tǒng)一的，印證了數(shù)值模擬的有效性。需要注意的是由于圖10是壓力脈動的頻域信號，而非輻射后的聲壓信號，故圖10與圖4并非直接相關，因此不能將它們直接對比，但頻譜分析仍然具有參考意義。

由于這種嘯叫并非由單純的繞流或狹縫射流引發(fā)，而是帶壁面效應和剪切層效應的相對復雜的流動，因此無法使用狹縫或繞流的半經(jīng)驗公式（1）計算峰值頻率[11]，工程中使用數(shù)值模擬的方式預測嘯叫可行實用。

。

基于上述嘯叫機理，通過改變風門框邊緣的設計（圖11），有效改善了風門附近的流場結構，使出風口的聲品質(zhì)得到了提升，消除了嘯叫現(xiàn)象。圖11所示增加的鋸齒結構相當于渦流發(fā)生器，起到擾流的作用，從而破壞了擬序的渦結構，從根源上解決了嘯叫問題。

4 結論與展望

通過試驗研究以及數(shù)值計算，獲得以下結論：

（1）嘯叫與風門位置、內(nèi)外壓差聯(lián)系密切，與葉片位置等因素關系不大。

（2）幅值頻域信號中2 kHz以上部分存在明顯的頻譜峰值時，嘯叫明顯。

（3）嘯叫產(chǎn)生的機理在于剪切層附近不斷產(chǎn)生擬序渦結構并脫落，脫落的擬序渦結構隨流場向后移動并且不斷擴散、破裂、融合，這個過程會產(chǎn)生較規(guī)則的壓力脈動，輻射到遠場后形成較為規(guī)則的聲壓變化，因此會在頻域上的某些固定的頻率產(chǎn)生峰值，從而產(chǎn)生嘯叫現(xiàn)象。

（4）這種嘯叫的成因是帶壁面效應和剪切層效應的相對復雜的流動，數(shù)值模擬的方式可以用于工程中預測嘯叫。

（5）數(shù)值模擬中，可以通過觀察流場中測點壓力的脈動及其頻譜來預測嘯叫頻率。

（6）通過優(yōu)化設計來改變流場結構可以有效消除嘯叫現(xiàn)象。

綜上所述，解決嘯叫問題主要在于優(yōu)化風門較小時的流場結構，今后可以研究從優(yōu)化風道和風門設計入手，從根源上解決嘯叫問題。也可以研究更多的空調(diào)出風口結構和噪聲，總結出降低噪聲的規(guī)律，以指導工程設計。今后還可以對風門轉(zhuǎn)角、鋸齒形狀、鋸齒密度做參數(shù)化的研究分析，以達到優(yōu)化的目的。

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