莫志姣　江財茂　宗軼琦　張沙　馬驍骙

摘要：

利用大渦模擬（LargeEddy Simulation，LES）方法對某轎車的側(cè)窗風振噪聲進行計算，其結(jié)果與整車道路測試實驗結(jié)果吻合良好.對相應(yīng)流場下的車窗進行結(jié)構(gòu)振動特性計算，結(jié)果表明汽車高速行駛時車窗結(jié)構(gòu)受內(nèi)外氣流影響會產(chǎn)生微米級的振動.據(jù)此振動結(jié)果，運用邊界元法（Boundary Element Method，BEM）模擬車內(nèi)輻射聲場分布、場點聲壓頻率響應(yīng)以及車窗板件聲學貢獻量，結(jié)果表明汽車開窗高速行駛時，風振噪聲是汽車高速行駛時駕駛員耳旁噪聲的主要來源，但在某些頻率下車窗輻射聲場會有明顯的聲學響應(yīng)，其中后窗的輻射聲壓貢獻量占主要部分，開啟的側(cè)窗聲學貢獻量要高于其他側(cè)窗的聲學貢獻量.

關(guān)鍵詞：

汽車； 風振噪聲； 大渦模擬； 車窗振動； 板件聲學貢獻

中圖分類號： U461.1

文獻標志碼： B

0 引 言

汽車在行駛過程中，車外氣流分離產(chǎn)生的氣動噪聲會影響乘員舒適性.同時，由于天窗或側(cè)窗打開，氣流通過車身的開口處而產(chǎn)生具有一定傳播速度的渦列，并與車內(nèi)空腔氣體模態(tài)耦合，產(chǎn)生壓力脈動，進而形成風振噪聲，這是一種頻率很低但是強度很高的氣動噪聲.[1]與此同時，空氣流動導致了車窗表面氣流邊界層的壓力波動，這種脈動壓力會引起車窗結(jié)構(gòu)的振動，而車窗結(jié)構(gòu)振動會向車內(nèi)輻射噪聲，這也是一種頻率很低的噪聲.雖然人耳不易察覺，但由其產(chǎn)生的高強度壓力脈動會給乘客帶來疲倦和煩躁的感覺，因此研究這2種噪聲源對車內(nèi)駕駛員與乘客的影響顯得尤為重要.

對風振噪聲的研究始于20世紀60年代，BODGER等[2]率先開展客車后窗開啟時的風振噪聲研究.他們指出當側(cè)窗開啟時，整個車廂形如Helmholtz共振腔，當氣流流經(jīng)窗口時，產(chǎn)生渦的脫落，進而產(chǎn)生共振，并從理論上提出3種解決風振噪聲的辦法.AN等[34]利用CFD軟件對某SUV的側(cè)窗風振噪聲進行仿真分析，分析若干變量對風振噪聲的影響，并采取一些措施來降低后窗的風振噪聲.康寧等[5]對不同天窗形式下某轎車模型的風振噪聲進行仿真分析，得到較合理的天窗尺寸及安裝位置.陳志夫等[6]通過對天窗風振特性的數(shù)值計算，分析來流速度對共振頻率、腔內(nèi)聲壓分布的影響.但是，這些研究主要基于數(shù)值仿真結(jié)果探討，沒有與相關(guān)的實驗結(jié)果聯(lián)系起來.朱遠征等[7]以某實車比例模型為研究對象，運用隨機聲學方法對車內(nèi)氣動噪聲進行仿真計算，并與實車道路實驗進行對比，得到湍流場相互疊加所致的聲壓級波動.CHEN等[8]對車窗結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使得車內(nèi)風振噪聲值明顯減少，并運用激光影像與路面測試詳述該優(yōu)化方法的基本原理.黃磊[9]對汽車天窗風振噪聲控制進行分析，重點探討網(wǎng)狀擋風條的降噪原理，最終的試件在風洞實驗中取得良好的降噪效果.汪怡平等[10]也對汽車風振噪聲進行深入研究，推導出弱可壓縮湍流模型，描述有氣流經(jīng)過時開口空腔內(nèi)的空氣壓縮特性，有效提升車內(nèi)風振噪聲分析的準確度.

人們在研究風振噪聲原理及其控制方法時，主要基于流體聲學機理，很少考慮車窗結(jié)構(gòu)振動輻射噪聲（結(jié)構(gòu)聲學）對乘員室的影響.因此，本文運用CFD方法對某轎車車型在側(cè)窗開啟25%時乘員室的風振噪聲進行數(shù)值模擬，對該車型進行車窗結(jié)構(gòu)振動分析，計算乘員室內(nèi)部聲輻射，分析車窗板件貢獻量，結(jié)果表明車窗結(jié)構(gòu)振動對乘員室內(nèi)的聲場分布有較明顯的影響.

1 大渦模擬控制方程

大渦模擬（LargeEddy Simulation，LES）控制方程是NavierStokes方程在波數(shù)空間或者物理空間進行過濾得到的.過濾的過程是去掉比過濾寬度或者給定物理寬度小的漩渦，從而得到大漩渦的控制方程

式中：ρ為流體密度；xi和xj為坐標軸分量；i和j為過濾后的速度分量；μ為湍流黏性系數(shù)；τij為亞格子尺度應(yīng)力，體現(xiàn)小尺度漩渦運動對所求解的運動方程的影響.

為使控制方程封閉，目前采用較多的亞格子模型是渦旋黏性模型

2 側(cè)窗風振噪聲的計算和分析

2.1 計算模型網(wǎng)格劃分

本文采用的轎車模型長為5 013 mm，寬為1 830 mm，高為1 740 mm.左前窗開啟25%，計算模型見圖1.

氣流流過車身表面產(chǎn)生附面層，為了模擬附面層效應(yīng)，在車身表面建立3層尺寸較小的六面體棱柱網(wǎng)格.車身附近極易出現(xiàn)氣流分離、湍流等復雜流場，通過創(chuàng)建密度盒加密車體周圍體網(wǎng)格，可以有效兼顧仿真精度和計算效率；在遠離車體的非敏感區(qū)域，選擇稀疏網(wǎng)格以減少計算網(wǎng)格與節(jié)點總數(shù)目.考慮到四面體網(wǎng)格對復雜幾何體具有良好的適應(yīng)性，能夠比較容易捕捉幾何特征，因此在其余空間選用四面體網(wǎng)格.圖2為車身縱對稱面上的網(wǎng)格分布，y+值設(shè)為1，生成體網(wǎng)格數(shù)量為700萬個左右.本文對某實車模型進行仿真計算，風速為30 m/s，監(jiān)測點選擇在駕駛員的左、右耳旁.

在進行瞬態(tài)計算之前，通常先進行穩(wěn)態(tài)計算，并以此穩(wěn)態(tài)計算得到的結(jié)果作為瞬態(tài)計算的初始值.在本文的計算中，穩(wěn)態(tài)計算選用可實現(xiàn)的kε模型，瞬態(tài)計算的湍流模型采用LES計算模型，時間步長設(shè)為0.000 1 s，內(nèi)部迭代次數(shù)為20次.

2.2 計算結(jié)果分析

汽車在開啟后窗時，乘員艙相當于一個有一定體積的開口空腔，但并不完全等同.外部氣體的運動能量通過側(cè)窗開口處的空氣傳入車內(nèi)空腔，車內(nèi)的空氣如同“彈簧”一樣被壓縮、膨脹，氣流速度越高，車內(nèi)壓力波動范圍越大，氣體的壓縮與膨脹過程就越劇烈，引起的風振噪聲相應(yīng)地也會更高.轎車開啟左前窗25%時橫截面位置穩(wěn)態(tài)壓強云圖見圖3.由圖3可知：車身兩側(cè)都為負壓區(qū)，由于左前窗開啟，左窗附近的負壓區(qū)域明顯增大，這是因為該處存在復雜的分離流和渦流，致使車內(nèi)壓力波動較大.各側(cè)窗的穩(wěn)態(tài)壓力云圖見圖4.由圖4可知左前窗的負壓絕對值明顯大于其他側(cè)窗.

2.3 實車道路實驗結(jié)果及對比

實驗車輛為性能運行良好、內(nèi)飾完好、密封良好

的車型，選擇在無風，晴朗干燥的環(huán)境下進行實驗.依據(jù)GB/T 25982—2010布置實驗用傳聲器，圖5為實車道路測試實驗中麥克風固定位置.

實驗車內(nèi)有駕駛員與副駕駛員，將實驗車輛左前車窗開啟25%，其余車窗全部關(guān)閉，以不同的車速進行實驗，測量該過程中駕駛員耳旁的噪聲數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，數(shù)值仿真與實車道路測試相對比，風振噪聲特征點吻合得比較好[11].為降低實測過程中輪胎、發(fā)動機等外部噪聲的影響，選取110 km/h為典型工況，圖6為該工況下駕駛員左耳聲壓頻譜圖.由圖6可知：風振共振頻率仿真值為12 Hz，對應(yīng)峰值為112 dB；風振共振頻率實驗值為15 Hz，對應(yīng)峰值為110 dB.

3 車窗結(jié)構(gòu)動力學數(shù)值計算

車窗結(jié)構(gòu)振動可以通過2個途徑影響流場，一是通過車窗對流體邊界的影響，二是車窗振動所激勵的彈性波對流場的影響.但是，車窗結(jié)構(gòu)振動

產(chǎn)生的位移很小，并且流體不可壓縮，特征馬赫數(shù)小于1，因此可以忽略車窗振動對流體的影響[12].同時，本文僅考慮外部流場引起的車窗振動，沒有考慮除流場以外的原因引起的車窗振動.

3.1 控制方程

本文的流固耦合研究是單方向的，包括下文的車窗輻射噪聲計算，只計算結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲輻射，沒有考慮其反作用.忽略噪聲對結(jié)構(gòu)的反作用是合理的，因為輻射噪聲的聲壓很小，只有1 Pa.

3.2 計算過程

車身結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)計算在ANSYS中進行，使用SHELL63單元對模型進行劃分，鋼化玻璃材料的彈性模量為48.5 GPa，泊松比為0.238 9，密度為2 500 kg/m3.

由于模態(tài)疊加法運行速度快、精度較高，并且所得結(jié)果占用磁盤空間小，而Newmark和Wilsonθ方法均有周期延長現(xiàn)象，且Wilsonθ方法還有振幅衰減現(xiàn)象，因此本文采用模態(tài)疊加法計算車窗瞬態(tài)動力學響應(yīng)，取前50階模態(tài).流場計算網(wǎng)格節(jié)點與有限元模型網(wǎng)格節(jié)點之間的載荷傳遞主要有2種方式：一種是當2種網(wǎng)格不一致時采用插值傳遞方式；一種是當2種網(wǎng)格一致時采用直接傳遞方式.由于本文所用的有限元網(wǎng)格與流體網(wǎng)格的節(jié)點并不是一一對應(yīng)的，所以采用插值傳遞方式.從流場計算結(jié)果中導出各時間步的車窗表面節(jié)點對應(yīng)的脈動壓力，然后通過編程將流體作用力轉(zhuǎn)化為有限元節(jié)點的載荷.計算時在車窗表面建立監(jiān)測點，這些點的位置見圖7.通過APDL將結(jié)果轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)計算使用的載荷步文件，每個時間步長為0.012 5 s，每個時間步的子步數(shù)為10個，時間步載荷設(shè)置為斜坡載荷，計算總的時間步數(shù)為800步.

3.3 結(jié)果和分析

計算所得的監(jiān)測點2的位移隨時間變化規(guī)律見圖8，可以看出振幅的數(shù)量級為微米，y方向的位移數(shù)值較x和z方向大.左前窗與左后窗在某瞬態(tài)時刻的位移分析結(jié)果見圖9，可以看出側(cè)窗的位移計算數(shù)值從車窗中部向兩邊逐漸減小繼而增大，由于左前窗部分開啟，該處存在復雜的分離流和渦流，壓力較高（見圖3和4），因此左前窗的位移響應(yīng)結(jié)果高于左后窗的計算結(jié)果.

4 結(jié)構(gòu)輻射噪聲計算與貢獻量分析

4.1 控制方程與板件貢獻量分析

線性聲學的控制方程是波動方程

一般情況下，由式（10）求得的聲腔內(nèi)某場點S的聲壓具有幅值和相位的復數(shù)，該場點聲壓是由各板件的聲壓分量在該點線性疊加得到的[13]，板件i對場點S聲壓的總貢獻量可表示為

pS，i為板件i在場點S產(chǎn)生的聲壓分量；m為車身板件數(shù)量.將聲壓分量pS，i向該點聲壓的矢量方向投影，可得到該板件對該點聲壓的貢獻量

pg=pS，ipSpS

（12）

根據(jù)各板件對聲壓貢獻量的不同，可以將各板件分為不同的聲學貢獻區(qū)域：如果該板件對聲壓具有較大的正貢獻量，則該板件為正貢獻區(qū)域；如果具有較大的負貢獻量，則為負貢獻區(qū)域.

4.2 數(shù)值計算和結(jié)果分析

根據(jù)本文所述方法，在LMS Virtual. Lab中計算由車窗振動產(chǎn)生的噪聲.BEM的邊界條件為：車窗單元設(shè)置為位移邊界條件；座椅單元定義為吸聲邊界條件，聲阻抗實部為975 kg·s/m2，虛部為8 798 kg·s/m2；車頂棚單元定義為吸聲邊界條件，聲阻抗實部為830 kg·s/m2，虛部為3 030 kg·s/m2；其他單元設(shè)置為自由邊界條件.前窗和后窗在85 Hz與105 Hz時的位移邊界條件云圖見圖10.

由于本文所關(guān)心的是汽車內(nèi)部聲場，所以在汽車聲腔內(nèi)部經(jīng)過駕駛員耳旁位置建立一個平面場網(wǎng)格，計算得到的平面場點的聲壓云圖見圖11.

在85 Hz時計算的最大標準聲壓級是14.4 dB，在105 Hz時的最大聲壓級為35.6 dB.從計算結(jié)果可以看出，車窗結(jié)構(gòu)振動引起的輻射噪聲主要集中在低頻段，且在0～200 Hz較為明顯，85 Hz和105 Hz處出現(xiàn)響應(yīng)峰值（見圖12）.由于在105 Hz時駕駛員耳旁出現(xiàn)最大響應(yīng)峰值，針對105 Hz對應(yīng)的響應(yīng)峰值進行板件貢獻量分析.根據(jù)板件的分類和公式，計算每個板件對105 Hz的聲壓貢獻和，得到板件貢獻量，見圖13.由圖13可知，正后窗對總聲壓相位相差較小，起正貢獻作用，由于在低頻時后窗受汽車后部尾渦的影響較大，因此正后窗對總聲壓的貢獻量最大；左前窗較其他3個側(cè)窗對總聲壓的貢獻量最大，其主要原因有二：一是A立柱后存在強烈的漩渦，左前窗表面脈動壓力較強；二是左前窗的部分開啟，增強左前窗附近的湍動能與表面脈動壓力.

5 結(jié) 論

建立整車流場模型，進行開窗工況下的汽車風振噪聲仿真計算，并與實車道路噪聲實驗結(jié)果對比.計算結(jié)果與實驗結(jié)果誤差較小，表明LES方法能夠比較準確地計算汽車風振噪聲.

在行駛過程中，由于左前窗部分開啟，左前窗表面的負壓絕對值高于其他側(cè)窗，脈動壓力也高于其他車窗.仿真與實驗得到的側(cè)窗風振噪聲峰值均處于較高水平，分別達到112 dB和110 dB.

由于左前窗部分開啟，脈動壓力較高，左前窗的位移響應(yīng)高于其他側(cè)窗，而脈動壓力引起的側(cè)窗位移響應(yīng)數(shù)值從車窗中部向兩邊呈現(xiàn)先逐漸減小而后增大的趨勢.從已有研究成果得知，側(cè)窗風振噪聲占主要部分，但在某些風振頻率下車窗輻射聲場會有聲學響應(yīng)，故本文著重研究風振噪聲引起的側(cè)窗結(jié)構(gòu)聲學響應(yīng).通過計算車窗結(jié)構(gòu)的聲輻射可以發(fā)現(xiàn)，車窗振動會向乘員室輻射一定的噪聲，且在一定頻率處有一定的聲學響應(yīng)：駕駛員左耳峰值頻率為105 Hz，峰值為23 dB.車窗板件貢獻量的計算表明：在較低頻率范圍內(nèi)，正后窗對輻射聲場的貢獻量最大，占主要部分；左前窗（部分開啟）對輻射聲場的貢獻量較其他3個側(cè)窗要高.

目前，受實驗條件及篇幅的限制，本文僅通過數(shù)值計算研究氣動載荷對主要影響件——側(cè)窗的結(jié)構(gòu)聲學響應(yīng)，今后應(yīng)對氣動載荷對各板件的貢獻量進行實驗驗證.

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（編輯 于杰）