王 俊，陳如意，2，楊健國，2，龔 旭，李 林

（1.重慶長安汽車股份有限公司汽車工程研究總院，重慶 401120； 2.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，重慶 401120）

前言

后視鏡的氣動噪聲問題一直備受關(guān)注，因此其分析及測試較為常見，但工程運(yùn)用實例非常少，原因之一是計算精度與實驗的標(biāo)定較少，或受限于硬件資源，所用的計算網(wǎng)格數(shù)量嚴(yán)重偏少，使用大渦模擬（large eddy simulation，LES）或脫渦模擬（detached eddy simulation，DES）計算時對渦的捕捉效果差而導(dǎo)致計算精度低；其次，用于改進(jìn)方案的分析評價方法和測試手段并不完善，并沒有形成一套分析驗證體系，無法真正用于工程實際運(yùn)用。

文獻(xiàn)［1］中提出一種流場中聲壓脈動分離方法用于近場聲源計算，并用3種外形的后視鏡進(jìn)行聲場計算來驗證該方法。文獻(xiàn)［2］中對比研究了同樣的后視鏡本體的兩種安裝方式，得出安裝在車門位后視鏡產(chǎn)生的聲壓脈動比安裝在側(cè)窗上更明顯，導(dǎo)致車內(nèi)聲壓級升高約1dB（A）的結(jié)論。文獻(xiàn)［3］中研究了與文獻(xiàn)［2］中同款SUV的后視鏡，是對不同后視鏡本體的上述兩種安裝位置進(jìn)行分析，表明車門位的后視鏡會降低車內(nèi)聲壓級約2～2.5dB（A），與文獻(xiàn)［2］中的結(jié)論截然相反，可能因為文獻(xiàn)［3］中車門位后視鏡本體尺寸更小，造型更為流線型，且離側(cè)窗更遠(yuǎn)。上述文獻(xiàn)的結(jié)論均系基于計算流體動力學(xué)（CFD）分析所得的，尚無實驗論證。文獻(xiàn)［4］中通過水平尺寸為0.75mm的體網(wǎng)格計算所得到的壓力脈動頻譜與風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)在2 000Hz以下吻合較好，雖然在中低頻仍有一些差異。并確認(rèn)了對所研究的該輕型車而言，外部聲場對內(nèi)部噪聲的貢獻(xiàn)相比于表面的湍流壓力脈動來說是可以忽略的。文獻(xiàn)［5］中通過CFD分析和表面?zhèn)髀暺鞯娘L(fēng)洞測試，研究了湍流脈動和聲壓脈動的差異，指出對車內(nèi)噪聲影響顯著的是聲壓脈動。

這些研究雖表明聲壓脈動計算備受國外氣動噪聲研究者的關(guān)注，但相關(guān)的實驗和分析論證并不充分，對于后視鏡氣動噪聲的分析而言，聲壓脈動對車內(nèi)噪聲是否起決定性的作用仍然需要更多的研究。

本文中首先通過計算進(jìn)氣格柵開、閉兩種狀態(tài)的整車模型的空氣動力學(xué)性能參數(shù)對比風(fēng)洞實驗結(jié)果，確定了原設(shè)計的整體流動仿真的精度，然后基于該模型運(yùn)用DES方法，對側(cè)窗表面測點(diǎn)的聲壓級與實驗結(jié)果對比，確定了2mm網(wǎng)格氣動噪聲仿真分析的精度可用于后續(xù)研究。然后通過Lighthill聲類比方法，對兩種后視鏡方案的近聲場進(jìn)行對比研究，最后通過車外聲源識別測量和車內(nèi)聲壓級對比來確定新方案的改進(jìn)效果，驗證了仿真分析的可靠性，同時考察了聲壓脈動與車內(nèi)噪聲的關(guān)系。

1 氣動噪聲計算方法

1.1 分析方法

本文中選用基于Menter k-ωSST兩方程湍流模型求解Navier-Stokes方程的IDDES方法，其為最新的且最優(yōu)的DES方法［6］。其思想是保持模型中的耗散率方程不變，通過改進(jìn)湍動能輸運(yùn)方程的耗散項實現(xiàn)RANS到LES的轉(zhuǎn)換。

對于低馬赫數(shù)且高雷諾數(shù)的汽車?yán)@流場而言，由流動控制方程可推導(dǎo)出著名Lighthill方程。為設(shè)計一個合適的近場聲類比，必須遵循Lighthill的最初思路，計算出等效的噪聲源。但只要存在源項，Lighthill方程求解的就是一個總壓力，而非近場附近的聲學(xué)壓力?？梢钥隙ǖ氖茿柱渦流和后視鏡尾渦這兩個強(qiáng)烈的源項就存在于側(cè)窗玻璃附近。為避免湍流壓力脈動掩蓋并扭曲其附近的近場聲音，文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［8］中使用了聲擾動方程的方法將壓力變量分解為對流壓力、聲學(xué)壓力和熱力學(xué)壓力。通過采用與上述文獻(xiàn)相同的方式，壓力脈動p′能被拆分成湍流壓力脈動pinc和聲壓脈動pa。運(yùn)用Lighthill的方程，為聲壓重構(gòu)一個波動方程：

這個波動方程封裝在STAR-CCM＋軟件中，能在求解瞬態(tài)不可壓縮流動時，同時求解聲場。為減少數(shù)據(jù)傳輸和避免映射的影響，在同一網(wǎng)格上進(jìn)行計算不可壓縮流動、聲源項和外部聲音傳播［9］。

1.2 分析設(shè)定

為使CFD分析結(jié)果更為精準(zhǔn)，本文中使用了帶機(jī)艙和底盤的全細(xì)節(jié)模型進(jìn)行后視鏡氣動噪聲仿真分析，模型如圖1所示，這與風(fēng)洞實驗車輛在幾何模型上保持完全一致，可減少誤差來源項。為保證DES分析所要求的Y＋值≤5，設(shè)置7層邊界層，其增長率為1.2，總厚度為1mm，并在關(guān)注的一側(cè)后視鏡區(qū)域采用2mm的加密區(qū)，獲得計算所用的切割體（TRIM）網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到了8千萬規(guī)模。

首先用DES方法進(jìn)行不可壓縮流動的瞬態(tài)計算，獲得0.3s湍流壓力脈動后，再通過聲類比的方法來求解近場噪聲，聲源傳播區(qū)域設(shè)置如圖2所示，黑色區(qū)域是噪聲源和傳播區(qū)域，位于2mm體網(wǎng)格范圍內(nèi)，灰色區(qū)域為噪聲截斷區(qū)域，不進(jìn)行傳播計算，兩者之間為衰減過渡區(qū)。隨后繼續(xù)計算0.05s用于聲壓的捕捉，截取最后0.03s用于聲壓脈動的頻譜分析。

圖1 分析所用的幾何模型

圖2 后視鏡近場噪聲傳播區(qū)域

2 分析模型的標(biāo)定

在上海地面交通工具風(fēng)洞中心（SAWTC）的整車氣動聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行樣車測試。力學(xué)和聲學(xué)實驗過程中風(fēng)洞邊界層抽吸和移動帶系統(tǒng)均關(guān)閉，保證測試和CFD計算狀態(tài)的一致性。

2.1 空氣動力學(xué)性能對比

在120km／h車速下，對原設(shè)計進(jìn)行雷諾平均流場計算，獲得氣動性能參數(shù)與風(fēng)洞測試對比，如表1所示。通過標(biāo)定進(jìn)氣格柵開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)，分別驗證了整車外流和機(jī)艙內(nèi)流的計算精度，借此推斷氣流通過車身上下表面和進(jìn)入機(jī)艙的流量分配比例與實車相符合。阻力系數(shù)Cd誤差較小，精度控制在±1.0%以內(nèi)；升力系數(shù)Cl誤差稍大，精度控制在±3.5%以內(nèi)。升力系數(shù)誤差偏大的主要原因是CFD為控制計算規(guī)模而限制了底盤和機(jī)艙的網(wǎng)格數(shù)量，但該誤差仍然較小，表明這個整車模型可用于后續(xù)的氣動噪聲的仿真。

表1 氣動性能對比

2.2 表面聲壓級的對比

在用雷諾時均方法完成氣動性能計算后，對整車模型進(jìn)行DES計算，獲得側(cè)窗表面測點(diǎn)的壓力隨時間的變化，再通過快速傅里葉變換獲得聲壓頻譜圖，并與風(fēng)洞實驗結(jié)果進(jìn)行對比。

測試采用HEAD acoustics公司的36通道采集設(shè)備和B＆K公司的汽車類表面微型傳聲器進(jìn)行采樣，駕駛員側(cè)每次布置3個測點(diǎn)各測量2次，如圖3所示，測點(diǎn)處于A柱和后視鏡的氣流影響區(qū)。

圖3 表面聲壓測試的測點(diǎn)分布圖

使用HEAD ArtemiS軟件進(jìn)行后處理，得到各個測點(diǎn)的聲壓級頻譜圖，其與CFD計算結(jié)果的對比如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在100～2 000Hz頻段內(nèi)，絕大部分測點(diǎn)的計算值與測試值非常吻合。在2 000Hz以上的頻率時，計算與測試的吻合度變差，計算值明顯低于測試值，其原因之一是計算所用2mm網(wǎng)格存在一個截斷頻率，文獻(xiàn)［10］中指出2mm網(wǎng)格尺寸對應(yīng)的截斷頻率為1 900Hz，當(dāng)高于該頻率后計算誤差會明顯加大，本文中的計算結(jié)果與該文獻(xiàn)的結(jié)論相符。若要改善精度，則須同時減小網(wǎng)格尺寸和采樣時間，計算資源的消耗勢必會驟然增加。另一個原因是測試也存在一定的誤差，即使增加導(dǎo)流罩的表面?zhèn)髀暺鳎N附在側(cè)窗表面上測試時仍然會產(chǎn)生“自噪聲”，會使高頻測試結(jié)果變大［11］。

從各測點(diǎn)的總聲壓級來看，原設(shè)計的誤差范圍約為2.0～6.3dB。測點(diǎn)1-3的誤差最小，其誤差主要來源于高頻；測點(diǎn)1-2的誤差最大，其誤差主要源于低頻。可以看出CFD分析結(jié)果可靠，可用于方案對比研究。

圖4 測點(diǎn)的聲壓頻譜圖對比

3 方案的對比研究

為獲得較好的改善效果，將原后視鏡本體的方形框架改成錐體框架，為保證后視鏡相同的可視面積，新后視鏡靠近車體部分有所增加，為了配合造型，連接臂做成倒梯形，并減小了厚度。其主體外形的截面對比如圖5所示。

圖5 方案描述

3.1 流態(tài)分析

通過定義一個正值的Q準(zhǔn)則［12］等值面來顯示渦核，獲得如圖6所示的非定常流場的流態(tài)。由圖可見：氣流流過A柱而形成沿A柱方向的縱向渦流，后視鏡尾部形成了環(huán)狀渦流結(jié)構(gòu)；隨著后視鏡環(huán)狀渦流結(jié)構(gòu)向下游發(fā)展，剪切層周向失穩(wěn)導(dǎo)致渦環(huán)外部形成渦辮結(jié)構(gòu)，此后渦辮結(jié)構(gòu)逐步增強(qiáng)，環(huán)狀渦開始扭曲變形破碎，渦量逐步減弱，到達(dá)B柱后，環(huán)狀渦流結(jié)構(gòu)消失，與環(huán)境流體完全混合；后視鏡的渦量值和覆蓋的區(qū)域均大于A柱的縱向渦流，表明它會成為主要的噪聲源。

圖6 非定常流的流態(tài)顯示

新方案的渦辮結(jié)構(gòu)在更遠(yuǎn)的地方才生成，表明氣流脫離后視鏡表面后，剪切層勢能更高，抵抗周向失穩(wěn)能力更強(qiáng)，大尺度渦的成分更多，預(yù)示新方案的低頻噪聲更強(qiáng)。而從B柱附近的湍渦分布來看，新方案的小尺度渦數(shù)量更少，產(chǎn)生的高頻噪聲更小。

3.2 湍流壓力脈動分析

側(cè)窗表面的壓力脈動可按其波長分為兩個部分：其一為湍流壓力脈動，或稱對流部分，其波長較短，幅值較大；其二為聲壓脈動，或稱聲部分，其波長較長，幅值較小。聲壓脈動通過側(cè)窗傳遞的效率更高，在中高頻時對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)更大［13］。

圖7為原設(shè)計和新方案在1／3倍頻下，中心頻率3 150Hz頻段的側(cè)窗表面湍流壓力脈動分布的對比?？梢园l(fā)現(xiàn)，后視鏡的改型還影響到了A柱氣流的變化。原設(shè)計后視鏡的A柱影響區(qū)面積更大，且靠近A柱中段區(qū)域的聲壓級更高；而后視鏡影響區(qū)域的聲壓級卻明顯比新方案小；原設(shè)計的氣流再附著區(qū)的聲壓級也更小。新方案的后視鏡影響區(qū)域的聲壓級更高，這與新后視鏡的連接臂區(qū)域的通道更窄、氣流加速更顯著有關(guān)。其它頻段上的分布規(guī)律與這個頻段基本相同。隨著頻率升高，側(cè)窗的聲壓級降低，表明能量集中在低頻，表現(xiàn)出寬頻噪聲的特性。

圖7 側(cè)窗表面的湍流壓力脈動分布

3.3 聲壓脈動分析

通過Lighthill聲類比的方法，并通過拆分壓力脈動，獲得側(cè)窗表面的聲壓脈動分布，如圖8所示。可以看出，聲壓脈動呈現(xiàn)出與湍流壓力脈動分布不同的特征。聲壓脈動的極大值并非總是出現(xiàn)在A柱分離區(qū)和后視鏡尾流區(qū)附近，而是隨著頻率不同有不同的分布區(qū)域。且聲壓脈動幅值也不同于湍流脈動的單調(diào)下降，在某些高頻下可能會有所升高。在高于2 000Hz的頻段，新方案側(cè)窗上的聲壓脈動的幅值明顯小于原設(shè)計。

對側(cè)窗玻璃表面上分離出的湍流壓力脈動和聲壓脈動，以面積權(quán)重進(jìn)行統(tǒng)計，各個1／3倍頻程下中心頻率的聲壓級如圖9所示。在1 000Hz以內(nèi)，湍流壓力脈動比聲壓脈動要高30dB；在1 250或1 600Hz附近，聲壓脈動存在一個峰值，這是后視鏡的特征峰值，與后視鏡剪切層的脫落頻率相關(guān)；在2 000Hz以后，兩者差距逐漸變?。辉? 000Hz時聲壓脈動會接近甚至等于湍流壓力脈動。后視鏡的造型改動，對湍流壓力脈動的聲壓級的影響在0.5dB以內(nèi)，依據(jù)傳統(tǒng)的仿真方式，只進(jìn)行湍流壓力脈動的分析無法區(qū)分出兩者的差異，盡管此次的改動很大，而聲壓脈動的聲壓級出現(xiàn)較大的差異。原設(shè)計在3 150Hz時，聲壓脈動開始明顯變大，到5 000Hz時與湍流壓力脈動相當(dāng)。新方案直到4 000Hz才稍有回升，在5 000Hz時仍比湍流壓力脈動約低10dB。

圖8 側(cè)窗表面的聲壓脈動分布

圖10 為后視鏡中截面（xz）平面上中心頻率5 000Hz頻段的聲壓脈動?？梢钥闯觯渥畲笾党霈F(xiàn)在后視鏡的尾渦區(qū)域，新方案明顯改善。

圖11為聲壓脈動頻譜圖，顯示了后視鏡中截面上的最大聲壓脈動和側(cè)窗表面面積權(quán)重的聲壓脈動與頻率的關(guān)系，表現(xiàn)出相同的變化趨勢，原設(shè)計和新方案均符合這一規(guī)律。表明后視鏡中截面的最大聲壓脈動用于表征后視鏡聲源的強(qiáng)弱是可行的，該截面的計算結(jié)果可用于與后續(xù)Beamforming的測試結(jié)果進(jìn)行對比。

圖9 側(cè)窗表面的面積權(quán)重聲壓級對比

圖10 后視鏡中截面的聲壓脈動分布

圖11 后視鏡截面與側(cè)窗表面的聲壓脈動對比

4 實驗驗證和改進(jìn)效果的確認(rèn)

4.1 車外聲源識別和測量

采用德國Gfaitech公司的聲源識別和測量分析系統(tǒng)Noise Image進(jìn)行風(fēng)洞實驗。圖12為新方案后視鏡的Beam forming測試結(jié)果，用高動態(tài)算法計算整車聲源云圖，給出不同位置的聲源分布。

圖12 Beamforming測試結(jié)果

由圖12可見：實驗車產(chǎn)生的最大聲源位于前輪罩處；第2聲源為后輪罩前方靠下處，該處聲源可能是由底盤產(chǎn)生的噪聲通過地面反射形成；第3聲源位于前進(jìn)氣格柵處；第4聲源位于后視鏡附近，其在2 000～8 000Hz頻段區(qū)域內(nèi)的聲壓級較大。新方案后視鏡的聲源位置和強(qiáng)弱排序與原設(shè)計后視鏡類似。由于后視鏡更靠近側(cè)窗，其傳遞路徑更短且更直接，故成為影響車內(nèi)噪聲的主要因素之一。文獻(xiàn)［14］中通過研究車內(nèi)噪聲和車外氣動噪聲的相關(guān)性，從車內(nèi)乘員的噪聲感受的角度來修正Beamforming測試結(jié)果，得出相對前排駕乘人員而言，后視鏡的噪聲是第1聲源的結(jié)論。

圖13 兩種方案在頻譜上的差值云圖

圖13 為兩種方案在同一個1／3倍頻程的中心頻率下的后視鏡區(qū)域的聲壓級差值云圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，在后視鏡噪聲出現(xiàn)的頻段區(qū)域內(nèi)，新后視鏡的聲壓級有明顯下降，且大致呈現(xiàn)出頻率越高改進(jìn)效果越明顯的規(guī)律。在2 000～3 150Hz頻率段，新后視鏡噪聲降低1.5～3.4dB（A），且隨頻率增加，降幅更大；在6 300～8 000Hz頻率段，新后視鏡噪聲降低4.4～5.0dB（A），降幅隨頻率的波動較小，改進(jìn)效果趨于穩(wěn)定。

4.2 車內(nèi)聲壓級測量

在聲學(xué)風(fēng)洞中，測量汽車車內(nèi)噪聲時，用膠帶和拇指膠使車身處于完全密封狀態(tài)，排除氣流泄漏對測試結(jié)果的影響。圖14為傳聲器布置在車內(nèi)儀表臺上且靠近后視鏡時兩種后視鏡測試結(jié)果對比。由圖可見：車內(nèi)聲壓級主要改善在2 000～8 000Hz，這正是車外Beamforming測試發(fā)現(xiàn)后視鏡改善的頻段；2 000～4 000Hz頻段改進(jìn)了約0～1.1dB（A）；5 000～8 000Hz頻段改進(jìn)了約 1.6～3.4dB（A），其中5 000Hz頻率的改善最為明顯，達(dá)到了3.4dB（A）。

圖14 兩種方案的車內(nèi)聲壓級對比

4.3 改進(jìn)效果對比

對后視鏡的車內(nèi)外的測試結(jié)果進(jìn)行匯總，其改進(jìn)量如圖15所示。Beamforming測試與車內(nèi)聲壓級測試的改進(jìn)效果呈現(xiàn)了相似的趨勢，改進(jìn)效果隨著頻率增高而更加明顯。個別與總趨勢不相符的頻率，與噪聲的傳播路徑和側(cè)窗玻璃的隔聲特性有關(guān)。

圖15 聲壓級降幅對比

CFD計算所得后視鏡中截面上最大聲壓脈動的聲壓級降幅隨著頻率升高而持續(xù)變大，在5 000Hz達(dá)到了最大的 10dB（A），Beam forming測試表明4 000Hz之后趨于穩(wěn)定，優(yōu)化量約為5dB（A）。分析和實驗結(jié)果的差異可能是由現(xiàn)有計算規(guī)模受限和數(shù)值計算誤差引起，但并不影響改進(jìn)效果的判定。

5 結(jié)論

本文中通過后視鏡改進(jìn)前后氣動噪聲的分析和實驗，驗證了現(xiàn)有計算規(guī)模的CFD分析誤差，通過近場Lighthill聲類比方法研究了湍流壓力脈動和聲壓脈動，并進(jìn)行了相關(guān)的實驗論證，主要獲得如下結(jié)論。

（1）基于精確的整車幾何模型，當(dāng)側(cè)窗區(qū)域采用2mm體網(wǎng)格時保證了在2 000Hz以內(nèi)的聲壓級有較高的計算精度，但高于該頻率后計算值開始明顯低于測試值，誤差較大。

（2）Q準(zhǔn)則可以直觀反映后視鏡的流態(tài)，可以用于定性分析。

（3）聲壓脈動的聲壓級在中低頻下，低于湍流壓力脈動聲壓級約30dB，而在5 000Hz高頻下，卻可能與后者相當(dāng)，在仿真研究噪聲源時，已不能被忽略。

（4）從Beamforming的噪聲源識別測試結(jié)果來看，后視鏡作為噪聲源出現(xiàn)在2 000～8 000Hz頻段內(nèi)。Beamforming測試結(jié)果與車內(nèi)聲壓級在優(yōu)化頻段和優(yōu)化趨勢上體現(xiàn)出較好的一致性，可以作為后視鏡噪聲源研究的實驗手段。

（5）后視鏡中截面上的最大聲壓脈動和側(cè)窗表面面積權(quán)重的聲壓脈動與頻率的關(guān)系，體現(xiàn)出一致性的變化趨勢，且與Beam forming測試結(jié)果有相同的趨勢，方便實驗驗證，可作為后視鏡氣動噪聲仿真分析的主要評價指標(biāo)之一。