覃炳露

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

汽車行駛的過(guò)程中，氣流經(jīng)過(guò)車身的不同位置會(huì)產(chǎn)生氣體壓力，這種湍流壓力作用于車身表面，就是汽車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的噪聲來(lái)源。當(dāng)汽車行駛速度過(guò)快時(shí)，湍流氣體產(chǎn)生的風(fēng)噪會(huì)逐漸加大，嚴(yán)重影響駕駛?cè)藛T的舒適性。隨著研究人員對(duì)氣動(dòng)噪聲的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)車身A 柱棱線位置對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪性能的影響極大。

1 國(guó)內(nèi)外對(duì)氣動(dòng)噪聲研究的現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外研究人員對(duì)氣動(dòng)噪聲的研究比較早，最開(kāi)始英國(guó)人Lighthill 將氣動(dòng)噪聲分成流場(chǎng)和聲場(chǎng)兩部分進(jìn)行研究，他運(yùn)用流體的研究方法分析聲音問(wèn)題。這種研究思路也可以稱為聲類比思想，即使用流體的方程導(dǎo)出聲音的方程，最后，再根據(jù)聲音的基本方程分析氣動(dòng)噪聲的影響因素。該聲音研究方程具有局限性，即不能對(duì)邊界物體對(duì)聲音的影響進(jìn)行研究，所以后來(lái)Curle 對(duì)聲類比方法得出的聲音研究基本方程進(jìn)行了補(bǔ)充，他將靜止物體邊界參數(shù)加入氣動(dòng)噪聲研究方程中，提高了聲音研究方程的全面性。最后，又有學(xué)者對(duì)Curle 的方程進(jìn)行了完善，使氣動(dòng)聲學(xué)方程可以研究流體中運(yùn)動(dòng)物體的氣動(dòng)噪聲情況，汽車氣動(dòng)噪聲應(yīng)用的就是這個(gè)方程。汽車氣動(dòng)噪聲研究需要先分析出氣體作用與車身表面產(chǎn)生的湍流對(duì)車外風(fēng)噪的影響，再將車外風(fēng)噪的研究情況與流體動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)學(xué)、仿真學(xué)等知識(shí)相互結(jié)合，分析氣動(dòng)噪聲對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪的影響，最后，可以得到湍流脈動(dòng)與噪聲之間的關(guān)系。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)氣動(dòng)噪聲的研究比較晚，當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要從試驗(yàn)和仿真兩個(gè)角度研究車身對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響。汽車外部車身的構(gòu)造會(huì)對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響極大，汽車車身的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致外邊流體動(dòng)力不同，流體動(dòng)力不同則在車身外表面產(chǎn)生的湍流不同，湍流會(huì)對(duì)車身造成壓力，最后產(chǎn)生不同程度的車外聲噪。國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)車身的A 柱棱線、擋風(fēng)玻璃、進(jìn)氣口、車頂流線、車窗、車底盤、輪胎、車門及后視鏡與氣動(dòng)噪聲之間的關(guān)系均有研究，其中陳鑫、馮曉等人研究了汽車后視鏡與氣動(dòng)噪聲之間的關(guān)系；賀銀芝、王毅剛、董郭旭等人研究風(fēng)洞和聲陣列與氣動(dòng)噪聲之間的關(guān)系；譚炳恒、徐鵬等人研究SUV車型A 柱棱線與氣動(dòng)噪聲之間的關(guān)系，并提出了具體的優(yōu)化措施；姜光、王連會(huì)等人使用外部設(shè)備模擬仿真車輛的行駛過(guò)程，分析其氣動(dòng)噪聲受那些因素影響；除此之外，國(guó)內(nèi)還有很多氣動(dòng)噪聲研究人員使用仿真法研究車輛流場(chǎng)和聲場(chǎng)與氣動(dòng)噪聲之間的關(guān)系，并計(jì)算出車外氣動(dòng)噪聲與車內(nèi)風(fēng)噪的影響，仿真數(shù)值研究方法是國(guó)內(nèi)研究車身A柱棱線位置對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪性能影響的主要方法。

2 車身A 柱棱線位置車內(nèi)風(fēng)噪數(shù)值計(jì)算方法

2.1 模型及計(jì)算域

數(shù)值計(jì)算方法首先需要對(duì)車輛風(fēng)洞的信息進(jìn)行計(jì)算，如風(fēng)洞入口速度值、風(fēng)洞出口大氣壓值、汽車車身表面邊界條件、地板速度矢量、汽車輪胎旋轉(zhuǎn)速度、空氣介質(zhì)的體積質(zhì)量等參數(shù)。本文設(shè)置風(fēng)洞入口速度為140km/h，結(jié)合底板速度矢量分析車輛的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況，底板速度矢量設(shè)置同樣設(shè)置為140km/h，空氣流體的體積質(zhì)量為1.18kg/m3。車輛的A 柱棱線幾何模型為A 柱與擋風(fēng)玻璃的相交面，本文將A 柱棱線設(shè)置成不同參數(shù)，分別測(cè)試12、18、24、30mmA 柱棱線對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪性能的影響。

2.2 數(shù)值方法

數(shù)值計(jì)算方法中，需要保證流場(chǎng)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，然后，通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算才能保障聲學(xué)軟件計(jì)算出來(lái)的風(fēng)噪性能結(jié)果準(zhǔn)確，車身A 柱棱線位置的流場(chǎng)與車內(nèi)風(fēng)噪性能結(jié)果具有直接關(guān)系。CFD 流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法需要使用上千萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，然后，通過(guò)PESIO 算法與二階迎風(fēng)格式離散計(jì)算出質(zhì)量、能量與動(dòng)量守恒方程的流場(chǎng)物理量，最后，可以得到車身A 柱棱線位置對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪數(shù)值的計(jì)算結(jié)果。本文使用PowerFLOW 軟件計(jì)算流場(chǎng)的各物理量參數(shù)、使用PowerACOUSTICS 軟件計(jì)算聲場(chǎng)的各物理量參數(shù)，其中，車輛內(nèi)部駕駛員耳朵附近的聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果是整個(gè)研究過(guò)程中的重要測(cè)量參數(shù)，駕駛員左耳附近的聲場(chǎng)可以直接體現(xiàn)出車身A 柱棱線位置對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪性能的影響。本文計(jì)算出車身A柱棱線位置車內(nèi)風(fēng)噪流場(chǎng)和聲場(chǎng)的數(shù)值后，再使用仿真法計(jì)算出仿真數(shù)據(jù)與風(fēng)噪試驗(yàn)數(shù)值相互比對(duì)，判斷該數(shù)值計(jì)算方法是否準(zhǔn)確。如果車輛試驗(yàn)測(cè)得的流場(chǎng)和聲場(chǎng)數(shù)值與仿真結(jié)果相近，則該計(jì)算方法比較準(zhǔn)確，可以使用該數(shù)值計(jì)算方法測(cè)試車身A柱棱線位置對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪性能的影響。

3 車身A 柱棱線位置車內(nèi)風(fēng)噪數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 流場(chǎng)分析

車輛行駛過(guò)程中，氣流會(huì)在車身外表面相互作用產(chǎn)生湍流，而車身A 柱棱線是湍流劇烈變化的區(qū)域之一。車身A 柱棱線的位置在擋風(fēng)玻璃與駕駛室窗戶的相交位置，該位置附近都是湍流變化劇烈的區(qū)域，車輛行駛的速度越高，車身A柱棱線附近湍流就越強(qiáng)，同時(shí)，其變化也越劇烈，產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲也越強(qiáng)。車輛高速行駛的過(guò)程中，駕駛員會(huì)受到氣動(dòng)噪聲的影響，所以本文研究車身A 柱棱線位置對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪性能的影響，要先分析A 柱棱線位置附近的流場(chǎng)。車輛氣動(dòng)噪聲研究人員對(duì)車身A 柱棱線位置附近的流場(chǎng)進(jìn)行分析，可以得到不同位置的A 柱棱線附近的流場(chǎng)，其中，當(dāng)車身A 柱棱線位置為18mm時(shí)，A 柱棱線上的氣流分離少，所以18mm 位置的車身A 柱棱線最優(yōu)。車身A 柱棱線位置的功能就是減少氣流的分離，當(dāng)車身A 柱棱線位置對(duì)氣流的分離最少時(shí)，其風(fēng)噪性能最佳。其次，則是查看車身A 柱棱線位置附近的湍流動(dòng)能大小，湍流動(dòng)能越大，在車身外表面產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲越大，最終傳遞到車內(nèi)的風(fēng)噪就越大。所以，當(dāng)車身A 柱棱線位置的湍流動(dòng)能最小時(shí)，其產(chǎn)生的啟動(dòng)噪聲越小，最終車內(nèi)風(fēng)噪性能就越優(yōu)秀，本次試驗(yàn)中18mm 位置的車身A 柱棱線湍流動(dòng)能最小。車輛側(cè)窗上方的壓力脈動(dòng)同樣是流場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)中的重要部分，壓力脈動(dòng)越強(qiáng)車身風(fēng)噪頻率就越高，車內(nèi)風(fēng)噪就越大。所以，當(dāng)車輛壓力脈動(dòng)最小時(shí)，其車內(nèi)風(fēng)噪性能最好。車身A 柱棱線位置對(duì)車輛擋風(fēng)玻璃也有一定影響，但是，不同A 柱棱線位置下前擋風(fēng)玻璃的壓力脈動(dòng)對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪影響不大。

3.2 外聲場(chǎng)分析

車輛行駛過(guò)程中，氣流會(huì)經(jīng)過(guò)車身A 柱棱線產(chǎn)生渦流，氣流的分離渦破碎則是產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的原因之一。氣動(dòng)噪聲的聲源產(chǎn)生噪聲，以聲波的形式通過(guò)車輛駕駛室玻璃與前擋風(fēng)玻璃傳遞到車輛內(nèi)部，最終對(duì)駕駛與乘坐人員產(chǎn)生噪聲污染。車輛高速行駛時(shí)，內(nèi)部的駕駛?cè)藛T和乘客人員會(huì)受到不同程度的噪聲影響，速度越大，產(chǎn)生的噪聲就越大，車輛內(nèi)部人員的舒適性就越低。當(dāng)外界氣流經(jīng)過(guò)車身A 柱棱線位置時(shí)會(huì)產(chǎn)生脫落渦流，該渦流破碎后，噪聲源頭會(huì)產(chǎn)生在車輛側(cè)方車窗玻璃上，噪聲的頻率越高其存在的能量就越低，一般車輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲頻率都不到2000 赫茲。車身A柱棱線位置為18mm時(shí)，附近的外部聲場(chǎng)中蘊(yùn)含的能量要小于其他位置，其中車身A 柱棱線位置為30mm時(shí)外聲場(chǎng)中聲音的能量最大，其次是車身A 柱棱線位置為24 和12mm時(shí)，但是，無(wú)論是12mm、24mm，還是30mm 位置的車身A 柱棱線的外聲場(chǎng)聲音能量都要大于18mm。車輛行駛過(guò)程中，車身A柱棱線位置附近外聲場(chǎng)聲音能量越大，聲源強(qiáng)度就越高，最終向車身內(nèi)部傳遞的噪聲就越大。所以車身A 柱棱線位置外聲場(chǎng)聲音能量最小時(shí)，車內(nèi)風(fēng)噪性能就好。

3.3 內(nèi)聲場(chǎng)分析

車輛行駛過(guò)程中，氣流會(huì)經(jīng)過(guò)車身A 柱棱線產(chǎn)生渦流噪聲源，該聲源經(jīng)過(guò)玻璃將噪聲傳遞到車身內(nèi)，車內(nèi)會(huì)產(chǎn)生聲場(chǎng)。其中車內(nèi)聲場(chǎng)分布情況不同會(huì)對(duì)車內(nèi)人員造成不同程度的影響，車內(nèi)聲場(chǎng)中聲音能量越高，車內(nèi)人員受到噪聲的影響就越大，車內(nèi)風(fēng)噪性能就越低。車身A 柱棱線位置為18mm時(shí)，車內(nèi)產(chǎn)生的聲場(chǎng)中聲音能量最小。當(dāng)內(nèi)聲場(chǎng)中噪聲頻率在100 ～500Hz時(shí)，18mm 位置的車聲A 柱棱線內(nèi)聲場(chǎng)產(chǎn)生的聲壓等級(jí)要比30mm 位置的車聲A 柱棱線小2.5dB、響度等級(jí)小3.4sone，而且車內(nèi)正常交流語(yǔ)言的清晰度可以提高將近20%；18mm 位置的車聲A 柱棱線內(nèi)聲場(chǎng)產(chǎn)生的聲壓等級(jí)要比24mm 位置的車聲A 柱棱線小0.6dB、響度等級(jí)小0.5sone，而且車內(nèi)正常交流語(yǔ)言的清晰度可以提高將近2%。當(dāng)內(nèi)聲場(chǎng)中噪聲頻率一般在500Hz 以上時(shí)，18mm 位置的車身A 柱棱線內(nèi)聲場(chǎng)產(chǎn)生的聲壓等級(jí)要總聲壓級(jí)小1.8dB、響度等級(jí)小2.9sone，而且車內(nèi)正常交流語(yǔ)言的清晰度可以提高將近10%。所以18mm 位置的車身A 柱棱線的車內(nèi)風(fēng)噪性能最佳，該A 柱棱線位置的車內(nèi)降噪效果最好。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，車輛行駛速度越高，車身A 柱棱線位置產(chǎn)生的湍流越強(qiáng)，其流場(chǎng)、外聲場(chǎng)、內(nèi)聲場(chǎng)中聲音能量越高，最終車內(nèi)噪音越大，車內(nèi)風(fēng)噪性能越差。當(dāng)車輛行駛速度為140km/h時(shí)，車身A 柱棱線位置為18mm時(shí)，車內(nèi)風(fēng)噪性能最強(qiáng)，車內(nèi)降噪效果最好。