唐榮江，胡賓飛，張 淼，陸增俊，肖 飛，賴 凡

（1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004； 2.東風(fēng)柳州汽車有限公司先行技術(shù)部，柳州 545005）

前言

級(jí)，提出空氣—振動(dòng)—聲學(xué)模擬預(yù)測(cè)駕駛室內(nèi)聲壓級(jí)的方法。文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］中通過(guò)最小網(wǎng)格數(shù)為50億的體網(wǎng)格計(jì)算所得到的壓力脈動(dòng)頻譜與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)在4 000 Hz以下吻合較好，并討論了網(wǎng)格分辨率對(duì)預(yù)測(cè)頻譜精度的影響，用50億個(gè)網(wǎng)格LES計(jì)算的壓力波動(dòng)的功率譜與風(fēng)洞測(cè)量的功率譜基本一致，但與中、低頻率的測(cè)量值有一定的偏差。文獻(xiàn)［5］中通過(guò)基于 Realizable k-ε穩(wěn)態(tài)和分離渦模擬（DES）的瞬態(tài)數(shù)值模擬方法分析了5款不同參數(shù)的后視鏡對(duì)前側(cè)窗氣動(dòng)噪聲的影響，總結(jié)了影響前側(cè)窗區(qū)域氣動(dòng)噪聲的主要為后視鏡罩、基座和安裝角度等參數(shù)。文獻(xiàn)［6］中研究了用Q準(zhǔn)則估計(jì)水平平行板內(nèi)自然對(duì)流湍流結(jié)構(gòu)的方法，詳細(xì)闡述了常被認(rèn)為是湍流結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)行為的發(fā)生機(jī)制。文獻(xiàn)［7］中通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，采用DES方法計(jì)算了2 mm網(wǎng)格的后視鏡區(qū)域流場(chǎng)，采用文獻(xiàn)［6］中的Q準(zhǔn)則方法評(píng)價(jià)優(yōu)化前后的后視鏡對(duì)其尾流區(qū)域流動(dòng)狀態(tài)

國(guó)內(nèi)外研究人員一直關(guān)注后視鏡區(qū)域氣動(dòng)噪聲問(wèn)題，數(shù)值模擬和測(cè)試的方法較多，但對(duì)于適合工程的車內(nèi)氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)的實(shí)例卻非常少，主要是受仿真精度和標(biāo)定的影響。隨著商用車的機(jī)械與輪胎噪聲指標(biāo)日益提高，由后視鏡導(dǎo)致的氣動(dòng)噪聲已成為工程技術(shù)人員重點(diǎn)考慮的噪聲源。目前對(duì)于氣動(dòng)噪聲的計(jì)算主要采用大渦模擬（large eddy simulation，LES）和分離渦模擬（detached eddy simulation，DES）的方法來(lái)捕捉后視鏡脫落渦的偶極子噪聲源，并采用聲類比方法計(jì)算車窗表面的聲壓級(jí)，借此評(píng)價(jià)優(yōu)化后視鏡的效果，但對(duì)車內(nèi)氣動(dòng)噪聲的分析評(píng)價(jià)方法和預(yù)測(cè)手段不完善，沒(méi)有形成一定的數(shù)值仿真預(yù)測(cè)方法，無(wú)法用于工程應(yīng)用。

文獻(xiàn)［1］中采用CFD分離流場(chǎng)與聲場(chǎng)求解不可壓縮流場(chǎng)的偶極子聲源，基于后視鏡表面聲源分布，使用聲學(xué)有限元（FEM）計(jì)算車外聲場(chǎng)分布，對(duì)比風(fēng)洞試驗(yàn)得出了一種車外噪聲預(yù)測(cè)的方法。文獻(xiàn)［2］中采用了CFD與聲學(xué)波動(dòng)方程相結(jié)合的方法，基于不可壓縮非定常流的激勵(lì)獲得了駕駛員耳旁的聲壓的影響。

這些研究表明不可壓縮流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)和可壓縮聲壓脈動(dòng)是國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)氣動(dòng)噪聲關(guān)注的焦點(diǎn)，且關(guān)于后視鏡造型和參數(shù)對(duì)后視鏡區(qū)域瞬態(tài)流場(chǎng)造成的影響一直備受關(guān)注，相關(guān)的試驗(yàn)和分析論證日益充分，但對(duì)由后視鏡造成的湍流壓力脈動(dòng)對(duì)駕駛室內(nèi)氣動(dòng)噪聲是否起主導(dǎo)作用并沒(méi)有深入的研究。

本文中將商用車駕駛室從整車上分離出來(lái)，降低了數(shù)值模擬的計(jì)算量，并提高了網(wǎng)格的質(zhì)量，保留左、右后視鏡、遮陽(yáng)板等駕駛室的突出物特征，然后對(duì)駕駛室模型進(jìn)行了空氣動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)的仿真。基于該模型運(yùn)用分離渦（DES）方法，對(duì)駕駛室外部流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)分析，分析了側(cè)窗區(qū)域瞬態(tài)壓力渦流、速度梯度和渦量，確定了后視鏡車窗區(qū)域?yàn)橹饕臍鈩?dòng)噪聲源。通過(guò)Lighthill聲類比法，對(duì)后視鏡的近聲場(chǎng)進(jìn)行了仿真研究，得到了車窗表面的聲壓級(jí)和湍流壓力脈動(dòng)載荷。提取該載荷采用聲學(xué)有限元方法分析駕駛室聲學(xué)空間和駕駛員左耳旁的聲壓級(jí)。通過(guò)滑行實(shí)車測(cè)試的對(duì)比，在忽略其他噪聲影響的基礎(chǔ)上，仿真與試驗(yàn)在聲壓級(jí)趨勢(shì)吻合一致，在一定程度上說(shuō)明了仿真方法的準(zhǔn)確性。該研究為工程應(yīng)用仿真和試驗(yàn)提供了一種方案。

1 CFD與聲學(xué)FEM相關(guān)理論

1.1 駕駛室外流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)計(jì)算

高速行駛的商用車車速遠(yuǎn)低于聲速，其周圍流場(chǎng)可視為三維不可壓縮黏性等溫流場(chǎng)［8］。其外流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算采用 RANS模型中的SST（Menter）k-ω模型。對(duì)于瞬態(tài)計(jì)算，基于SST（Menter）k-ω的分離渦模擬（DES）兩方程湍流模型求解Navier-Stokes方程的DDES方法［9］。DES結(jié)合了RANS和LES的優(yōu)點(diǎn)，在近壁面區(qū)域用RANS求解，使得邊界層內(nèi)計(jì)算量較??；遠(yuǎn)壁面區(qū)域采用LES求解，較好地模擬大尺度分離湍流流動(dòng)的狀態(tài)［10－11］。

1.2 噪聲傳播和聲場(chǎng)的FEM求解

車窗表面湍流壓力脈動(dòng)是車內(nèi)氣動(dòng)噪聲的主要噪聲源，將其聲源信息作為輸入條件，利用有限元法對(duì)駕駛室空間聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值求解，即可獲得該駕駛室空間的聲壓級(jí)分布和某一點(diǎn)的聲壓級(jí)。經(jīng)過(guò)傅里葉變換的Helmholtz方程為

式中：?為 Lagrange算子；k＝ω／c＝2πf／c為波數(shù)，c為聲波相速度；ω＝2πf為角頻率，f為頻率。

汽車高速行駛時(shí)，車身表面可看成封閉的。在聲學(xué)計(jì)算域內(nèi)利用伽遼金方法和相應(yīng)的聲學(xué)邊界條件，可得到Helmholtz有限元的積分方程［12］：

式中：e為權(quán)重函數(shù)；Ω為邊界條件；V為計(jì)算域；v為垂直于車身表面的法向速度；n為法向向量。

選取合適的權(quán)重函數(shù)和形函數(shù)［13］求解上述方程，網(wǎng)格單元上每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)可近似寫成如下的插值形式：

式中：Ni為有限元形函數(shù)；i為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；N為每個(gè)形函數(shù)組合而成的矩陣形式；pi為在節(jié)點(diǎn)i處的聲壓值；p為單元的聲壓向量。

標(biāo)準(zhǔn)的聲學(xué)有限元方程通過(guò)整理可以寫成如下矩陣［14］形式：

式中：Ka、Ma、Ca分別為聲學(xué)剛度、質(zhì)量、阻尼矩陣；｛p｝為待求的聲學(xué)場(chǎng)點(diǎn)向量；｛Q｝為聲場(chǎng)中的聲源貢獻(xiàn)；｛V｝為輸入速度向量；｛P｝為輸入聲壓向量；｛F｝為總的載荷向量。

本文中，研究的汽車氣動(dòng)噪聲是由汽車表面偶極子聲源引起的，而偶極子聲源最終體現(xiàn)為聲壓值的形式，因此采用聲壓向量輸入模式。

2 數(shù)值模擬方案

針對(duì)A柱—后視鏡共同作用導(dǎo)致的駕駛室內(nèi)部氣動(dòng)噪聲的研究。本文中采用商用CFD對(duì)駕駛室外流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)的計(jì)算，分析了后視鏡區(qū)域穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流場(chǎng)流動(dòng)的情況；利用聲學(xué)有限元法計(jì)算后視鏡尾流場(chǎng)區(qū)域的湍流壓力脈動(dòng)對(duì)車窗振動(dòng)和通過(guò)車窗玻璃的傳播，得到了駕駛室聲學(xué)空間的聲壓級(jí)分布和場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)分布的云圖，分析了湍流壓力脈動(dòng)對(duì)駕駛室內(nèi)影響的區(qū)域；并預(yù)測(cè)了駕駛員左耳旁的聲壓級(jí)，分析流程如圖1所示。

圖1 車內(nèi)氣動(dòng)噪聲仿真預(yù)測(cè)流程圖

3 研究對(duì)象與數(shù)值模擬條件

3.1 幾何模型與計(jì)算域

某型商用車駕駛室模型如圖2所示，從整車上提取了真實(shí)模型，駕駛室模型外部保留了左右后視鏡、右下視鏡（圖2白圈處）、遮陽(yáng)板和前下視鏡等車外幾何突出特征。

圖2 研究對(duì)象及其幾何尺寸

設(shè)駕駛室模型的長(zhǎng)度、寬度、高度分別為L(zhǎng)、W、H，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立長(zhǎng)方體計(jì)算域。長(zhǎng)度方向?yàn)?0L＝45 m，計(jì)算域入口距模型3L，可還原空氣流動(dòng)的湍動(dòng)能特征；出口距模型16L，保證了駕駛室模型后方完整的尾流結(jié)構(gòu)；寬度為5W＝15 m，高度為6H＝13 m，駕駛室離地面高度0.4H＝1 m。計(jì)算域模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算域示意圖

3.2 網(wǎng)格劃分

為減小計(jì)算量和提高計(jì)算精度，將駕駛室模型劃分為不同的計(jì)算網(wǎng)格，后視鏡是重點(diǎn)研究對(duì)象，進(jìn)行局部加密，面網(wǎng)格尺寸為1～2 mm，兩側(cè)窗、A柱表面面網(wǎng)格為2～5 mm。駕駛室和壁面面網(wǎng)格為10～250 mm。根據(jù)所建立的面網(wǎng)格生成體網(wǎng)格，所建立體網(wǎng)格分為4層加密，后視鏡區(qū)域體網(wǎng)格單獨(dú)加密。基于首層邊界層厚度和總厚度公式獲得相應(yīng)的邊界層結(jié)構(gòu)的設(shè)置，以確定合理的邊界層數(shù)和網(wǎng)格增長(zhǎng)率。駕駛室模型計(jì)算域體網(wǎng)格數(shù)為5 500萬(wàn)。DES邊界層結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 DES邊界層結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.3 邊界條件設(shè)置

仿真采用CFD軟件模擬商用車在100 km／h的高速工況，入口選擇湍流強(qiáng)度和特征長(zhǎng)度，湍流強(qiáng)度計(jì)算得I＝0.06，特征長(zhǎng)度取駕駛室的后視鏡特征長(zhǎng)度。穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬時(shí)，設(shè)2階迎風(fēng)格式為空間離散格式，分離流的壓力、速度亞松弛因子分別設(shè)為0.3和0.7。邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件設(shè)置

瞬態(tài)計(jì)算以穩(wěn)態(tài)計(jì)算為初始值，采用DES湍流模型進(jìn)行不可壓縮流動(dòng)的求解。瞬態(tài)計(jì)算開始前，定義兩側(cè)車窗為聲源面，并輸出CGNS聲源數(shù)據(jù)代碼，并使用聲類比法求解車窗表面聲壓級(jí)。為精準(zhǔn)地捕捉后視鏡區(qū)域脫落渦，時(shí)間步長(zhǎng)至關(guān)重要［15］。氣動(dòng)噪聲是寬頻帶噪聲且能量主要集中在中低頻，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)t＝0.2 ms，采樣頻率為5 000 Hz，可獲得2 500 Hz以內(nèi)的聲壓級(jí)信息。采樣時(shí)間要超過(guò)流動(dòng)變化的特征周期的5倍左右，非定常流場(chǎng)的特性才得到充分發(fā)展。根據(jù)斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal number）［16］來(lái)確定采樣時(shí)間，斯特勞哈爾數(shù)定義為

式中：f為特征頻率；d為特征長(zhǎng)度；v為氣流速度。高雷諾數(shù)下圓柱體繞流的斯特勞哈爾數(shù)大約為0.2。后視鏡的橫向尺寸為230 mm，流場(chǎng)最高速度大約為28 m／s，代入式（5）中，可求出后視鏡流場(chǎng)的特征頻率大約為25 Hz，特征周期約為0.04 s。設(shè)置總時(shí)間步為5 000，采樣時(shí)間為0.5 s，是后視鏡流場(chǎng)特征周期的10倍，能充分反映出流動(dòng)的特性。

4 湍流模型分析

4.1 后視鏡區(qū)域穩(wěn)態(tài)模型

4.1.1 殘差收斂分析

對(duì)駕駛室模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，分別以流體動(dòng)力學(xué)的連續(xù)方程（Continuity，又稱質(zhì)量守恒方程）、動(dòng)量守恒方程（X-momentum、Y-momentum、Z-momentum）、能量守恒方程（Energy）和 SST（Menter）k-ω湍動(dòng)能方程（Tke、sdr）的殘差的收斂曲線、收斂精度和收斂速度作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，來(lái)判斷穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬模型和參數(shù)選擇是否合理，收斂曲線如圖4所示。由圖可見(jiàn)，SST（Menter）k-ω模型的殘差曲線變化呈逐步下降的趨勢(shì)，在迭代2 000以后殘差曲線逐步收斂到0.001以下，收斂效果較為理想，故該模型與參數(shù)的選擇符合預(yù)期，可用于后續(xù)的瞬態(tài)分析。

圖4 SST k-ω模型殘差收斂曲線

4.1.2 后視鏡區(qū)域三維分析

在后視鏡區(qū)域尾流的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析中，創(chuàng)建X、Y、Z 3截面來(lái)研究后視鏡尾部區(qū)域流場(chǎng)情況及其氣動(dòng)特性。X截面平行于YOZ平面，距后視鏡鏡面距離X1＝0.3 m；Y截面平行于XOZ平面，距離車窗的距離Y1＝0.2 m；Z截面平行于XOY平面，處于后視鏡的中部，距離后視鏡上緣Z1＝0.32 m。3處截面如圖5所示，壓力云圖如圖6所示。

圖5 后視鏡區(qū)域3截面位置示意圖

圖6 后視鏡3個(gè)截面尾流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)壓力云圖

由圖6可見(jiàn)：在截面X上存在一個(gè)較大的壓力梯度密集的渦流中心，在后視鏡中心位置且靠近車窗表面，對(duì)前側(cè)窗的壓力脈動(dòng)影響較大，從而成為氣動(dòng)噪聲影響的主要區(qū)域；從截面Y可見(jiàn)，后視鏡區(qū)域尾流存在一個(gè)流線稀松且壓力梯度較不明顯的渦流中心；后視鏡迎風(fēng)面是最大壓力點(diǎn)，后視鏡基座處密集的渦流中心也向車窗區(qū)域靠攏；壓力波動(dòng)主要集中在前側(cè)窗附近且向四周延伸擴(kuò)散；截面Z可充分展示后視鏡區(qū)域尾流的壓力分布狀態(tài)；在后視鏡區(qū)域存在一個(gè)較大的渦流中心且靠近前側(cè)窗部位，后視鏡邊緣壓力梯度較密集；在后視鏡迎風(fēng)面上和A柱區(qū)域出現(xiàn)流線密集的壓力梯度，分別向前側(cè)窗和車身外側(cè)延伸，產(chǎn)生壓力，形成旋渦。

4.2 后視鏡區(qū)域瞬態(tài)模型

4.2.1 車窗表面聲壓級(jí)的求解

后視鏡區(qū)域尾流的脈動(dòng)壓力和旋渦振動(dòng)是主要的噪聲源［5］，主要為偶極子和四極子聲源。FW-H方程［17］考慮到流固邊界相互作用產(chǎn)生的噪聲問(wèn)題，可全面準(zhǔn)確地反映真實(shí)流場(chǎng)的噪聲情況。FW-H方程為

式中：p′為脈動(dòng)壓力，p′＝p－p0；c0為聲速；ui為速度分量；Tij為L(zhǎng)ighthill張量的分量；pij為應(yīng)力張量的分量；δ（f）為 Diracdelta函數(shù)；ρ0為未受擾動(dòng)時(shí)流體密度。式中右側(cè)3項(xiàng)分別為 Lighthill聲源項(xiàng)（四極子）、表面脈動(dòng)壓力引起的聲源（偶極子）、表面加速度引起的聲源（單極子）。對(duì)于低速行駛汽車而言，忽略第1和第3項(xiàng)?；诒狙芯康膶?duì)象，車窗和車身表面的脈動(dòng)壓力（偶極子聲源）是引起汽車內(nèi)部氣動(dòng)噪聲的主要原因。

基于上述聲學(xué)理論對(duì)后視鏡尾流進(jìn)行聲壓級(jí)分析，3組監(jiān)測(cè)點(diǎn)（L1－1、L1－2、L1－3、L1－4；L2－1、L2－2、L2－3、L2－4；L3－1、L3－2、L3－3、L3－4）位于后視鏡尾流氣動(dòng)噪聲影響的核心區(qū)域，如圖7所示。

圖7 聲壓級(jí)采集點(diǎn)示意圖

3組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的1／3倍頻程中心頻率如圖8所示。由圖可見(jiàn)，250 Hz左右的車外氣動(dòng)噪聲是最高的；隨著頻率的進(jìn)一步升高，氣動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)隨之降低，說(shuō)明氣動(dòng)噪聲主要集中在中低頻段；整體噪聲聲壓級(jí)在70 dB以上。從第1組數(shù)據(jù)來(lái)看，L1－1整體的聲壓級(jí)頻率是最高的，隨著測(cè)點(diǎn)的后移，相應(yīng)的氣動(dòng)噪聲在減小，且前3個(gè)測(cè)點(diǎn)在車窗玻璃上，這說(shuō)明車窗表面的氣動(dòng)噪聲是主要的噪聲源；第2組數(shù)據(jù)顯示L2－1已經(jīng)不是最大的氣動(dòng)噪聲曲線，這說(shuō)明在車窗中心的部位氣動(dòng)噪聲有所減低，氣動(dòng)噪聲源向后移動(dòng)至后3個(gè)測(cè)試點(diǎn)；第3組數(shù)據(jù)L3－4是最低的聲壓級(jí)曲線，表明車身上的氣動(dòng)噪聲所占比例較小。綜合分析車窗區(qū)域的氣動(dòng)噪聲表明，車窗部位的湍流壓力脈動(dòng)是主要的噪聲源。

4.2.2 瞬態(tài)流動(dòng)分析

基于上述的X、Y、Z 3截面對(duì)后視鏡區(qū)域進(jìn)行瞬態(tài)壓力、瞬態(tài)流動(dòng)和渦量的分析，結(jié)果如圖9和圖10所示。由圖可見(jiàn)，流過(guò)后視鏡的氣流在其尾部區(qū)域呈三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)，后視鏡尾流從負(fù)壓區(qū)到正壓區(qū)存在氣流壓力梯度，形成壓力旋渦，導(dǎo)致后視鏡尾流區(qū)域氣流流速減小。在后視鏡尾部會(huì)產(chǎn)生具有周期性的旋轉(zhuǎn)方向相反的氣流旋渦，是明顯的卡門渦街現(xiàn)象。產(chǎn)生的每一個(gè)渦流沖擊著車窗玻璃，渦流的產(chǎn)生、擠壓、變大和破碎在后視鏡區(qū)域的尾流場(chǎng)存在著強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)，進(jìn)而伴隨著氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生［18］。

圖8 3組監(jiān)測(cè)點(diǎn)1／3倍頻程中心頻率對(duì)比

圖9 后視鏡區(qū)域瞬態(tài)壓力云圖

圖10 后視鏡區(qū)域瞬態(tài)流態(tài)云圖

氣流旋渦通常用渦量表示，渦量可以表示流體速度矢量的旋度、旋渦的強(qiáng)度和方向。通過(guò)對(duì)X、Y、Z 3截面瞬態(tài)渦量圖進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)后視鏡區(qū)域的尾流場(chǎng)產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的機(jī)理。在高速氣流下，后視鏡的尾流場(chǎng)渦量比較復(fù)雜，如圖11所示。該區(qū)域按照時(shí)間順序交替產(chǎn)生渦量大小相似、旋轉(zhuǎn)方向相反的一對(duì)渦，逐漸向后發(fā)展變大破碎。在汽車上，由于卡門渦街的存在，使后視鏡尾流場(chǎng)區(qū)域的流動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜，它產(chǎn)生周期性的壓力脈動(dòng)，這種周期性的壓力脈動(dòng)會(huì)沖擊側(cè)窗，還在后視鏡區(qū)域產(chǎn)生較大的脈動(dòng)噪聲，又稱氣流沖擊噪聲［19］。

圖11 后視鏡區(qū)域瞬態(tài)渦量圖

基于上述的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模型的分析發(fā)現(xiàn)：在后視鏡區(qū)域形成較大的湍流壓力脈動(dòng)，且主要集中于前側(cè)窗表面。據(jù)此將車窗表面列為主要的研究對(duì)象，把兩側(cè)窗表面的CGNS聲學(xué)代碼作為邊界條件導(dǎo)入聲學(xué)有限元分析中進(jìn)行氣動(dòng)噪聲傳播的計(jì)算。

5 氣動(dòng)噪聲傳播分析

5.1 建立聲學(xué)模型

首先建立聲學(xué)有限元模型，為使計(jì)算較為準(zhǔn)確，駕駛室聲腔模型要求1個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)有6個(gè)單元。本次預(yù)測(cè)駕駛室內(nèi)的聲壓級(jí)最高頻率為2 500 Hz，因此聲腔分析的有限元網(wǎng)格為20 mm。為表示車內(nèi)聲壓級(jí)的分布，以駕駛員耳部垂直地面和平行地面建立場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格。聲腔網(wǎng)格和場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格如圖12所示。

圖12 駕駛室內(nèi)聲腔網(wǎng)格及場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格分布

5.2 玻璃模態(tài)計(jì)算

玻璃是湍流壓力脈動(dòng)和噪聲輻射的唯一介質(zhì)，為將CFD計(jì)算的時(shí)域數(shù)據(jù)映射到玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算，須明確知道玻璃的模態(tài)來(lái)反映壓力振幅，進(jìn)而進(jìn)行車內(nèi)基于模態(tài)的響應(yīng)計(jì)算。汽車左右兩側(cè)窗玻璃的參數(shù)如表3所示。

采用有限元軟件計(jì)算了車窗兩側(cè)玻璃的模態(tài)，玻璃的模態(tài)頻率從20 Hz計(jì)算，每隔4個(gè)頻率點(diǎn)計(jì)算1組模態(tài)，對(duì)應(yīng)在聲學(xué)有限元分析中的4 Hz的計(jì)算步長(zhǎng)，玻璃的1／3倍頻模態(tài)如圖13所示。

圖13 6組玻璃1／3倍頻模態(tài)

5.3 基于模態(tài)的噪聲計(jì)算結(jié)果分析

選取左側(cè)的駕駛室聲腔和場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)分布進(jìn)行分析。圖14給出了不同頻率下駕駛室聲腔聲壓級(jí)云圖。由圖可見(jiàn)：噪聲的最大聲壓級(jí)均分布在車窗周圍，在20－400 Hz頻段內(nèi)隨著頻率的提高，聲壓級(jí)逐漸增大；超過(guò)400 Hz后逐漸減低，但車窗附近仍是最大的聲壓區(qū)域。因此，后視鏡側(cè)窗區(qū)域是主要傳播駕駛內(nèi)的噪聲源，同時(shí)也是人耳接受噪聲主要噪聲源。圖15給出了駕駛室場(chǎng)點(diǎn)的內(nèi)部聲學(xué)空間的聲壓級(jí)云圖。由圖可見(jiàn)，氣動(dòng)噪聲對(duì)車內(nèi)的影響主要集中在車窗附近兩側(cè)。場(chǎng)點(diǎn)聲學(xué)空間在駕駛員頭部區(qū)域產(chǎn)生的聲壓級(jí)大于其它空間。

圖14 不同頻率聲腔表面聲壓級(jí)分布

圖15 不同頻率室內(nèi)場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)云圖

圖16 駕駛員耳旁聲壓級(jí)

圖16 給出了駕駛室內(nèi)部聲學(xué)空間駕駛員左耳旁的1／3倍頻程中心頻率頻譜圖。由圖可見(jiàn)，聲壓最大值發(fā)生在400 Hz附近。在20－2 500 Hz頻段內(nèi)出現(xiàn)了多個(gè)峰值，這一點(diǎn)也證實(shí)了氣動(dòng)噪聲是寬頻帶噪聲。隨著頻率的提高，聲壓級(jí)呈減少的趨勢(shì)，說(shuō)明了氣動(dòng)噪聲能量主要體現(xiàn)在中低頻段。噪聲的幅值在55 dB左右，很容易造成駕駛員聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)的疲勞，嚴(yán)重影響駕駛舒適性。

6 試驗(yàn)研究

6.1 試驗(yàn)測(cè)試

目前，用于氣動(dòng)噪聲測(cè)試的聲學(xué)風(fēng)洞價(jià)格昂貴，不適于公司的實(shí)際研究。本文中采用實(shí)車道路滑行試驗(yàn)，測(cè)試地點(diǎn)為柳州至象州的平坦柏油高速公路，且無(wú)其他車輛，以盡量減小干擾項(xiàng)。天氣晴，氣溫24℃，微風(fēng)，風(fēng)速為1 m／s。圖17為測(cè)試點(diǎn)和測(cè)試儀器。采用比利時(shí)LMS公司Test.lab噪聲測(cè)試設(shè)備，集成了Test.Lab17A試驗(yàn)分析軟件系統(tǒng)與16通道SCADAS便攜式數(shù)據(jù)采集前端。使用丹麥GRAS公司的預(yù)極化傳聲器和前置放大器（圖17中白圈所示）。

圖17 駕駛室內(nèi)聲壓級(jí)測(cè)試

6.2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

圖18 不同車速下的總聲壓級(jí)變化量

為研究不同車速下氣動(dòng)噪聲對(duì)駕駛員左耳旁聲壓級(jí)的影響，選擇汽車車速v＝60～110 km／h區(qū)間，間隔為10 km／h，進(jìn)行6組數(shù)據(jù)的測(cè)試。圖18為駕駛員左耳旁聲壓級(jí)隨車速變化的曲線。80 km／h車速的總聲壓級(jí)為68 dB，以此為標(biāo)準(zhǔn)。從圖中可以看出：隨著車速增高，駕駛室內(nèi)的聲壓級(jí)也隨之變大，但過(guò)了90 km／h，聲壓級(jí)下降；到100 km／h以后突然有一定的聲壓級(jí)躍升，車內(nèi)氣動(dòng)噪聲隨著車速的升高，影響越大；但低于80 km／h顯然主要是機(jī)械噪聲和輪胎噪聲；60和70 km／h車速的聲壓兩者相差不大。

車內(nèi)聲壓級(jí)的測(cè)試屬于整車噪聲，圖19為試驗(yàn)與仿真1／3倍頻聲壓級(jí)對(duì)比。由圖可見(jiàn)，低頻段仿真與測(cè)試值相差多達(dá)20 dB左右。隨著頻率增加，兩者差值逐漸縮小。在中高頻段兩者吻合良好，氣動(dòng)噪聲占主要作用。仿真總聲壓級(jí)為74.84 dB，與試驗(yàn)85.56 dB存在近11 dB的誤差。造成誤差的原因主要有：試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)及路面激勵(lì)引起的低頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲，使測(cè)試值偏大；仿真時(shí)，主要考慮了車窗部分的壓力脈動(dòng)，忽略了氣動(dòng)噪聲對(duì)遮陽(yáng)板和駕駛室其他部位產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲；忽略車身表面存在的孔縫引起的尖嘯聲、局部階梯（如車頂凹凸）氣流分離引起的氣動(dòng)噪聲等。

圖19 試驗(yàn)與仿真1／3倍頻聲壓級(jí)對(duì)比

7 結(jié)論

本文中采用CFD結(jié)合聲學(xué)有限元方法對(duì)駕駛室內(nèi)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)。首先確定湍流壓力脈動(dòng)的聲源信息，并在CFD中使用近場(chǎng)Lightill聲類比法研究了車外湍流壓力脈動(dòng)和聲壓脈動(dòng)；在聲學(xué)有限元分析中，預(yù)測(cè)了車內(nèi)聲學(xué)空間環(huán)境，得出了駕駛員左耳旁的聲壓級(jí)，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)車測(cè)試，主要獲得以下結(jié)論。

（1）基于駕駛室仿真模型，在后視鏡區(qū)域采用了1～2 mm較密的體網(wǎng)格以提取車窗表面在2 500 Hz以內(nèi)的湍流壓力脈動(dòng)信息，以保證聲學(xué)有限元分析精度。

（2）三截面方法可直觀反映后視鏡的三維空間流態(tài)，展示了后視鏡區(qū)域湍流壓力脈動(dòng)對(duì)車窗表面氣流沖擊的影響機(jī)理，用于定性分析。

（3）在CFD中通過(guò)計(jì)算車外氣動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)確定中低頻噪聲為主要的氣動(dòng)噪聲源；車窗表面湍流壓力脈動(dòng)是導(dǎo)致駕駛室內(nèi)的氣動(dòng)噪聲主要噪聲源，可作為后視鏡氣動(dòng)噪聲仿真分析的主要聲源之一。

（4）通過(guò)滑行道路實(shí)車測(cè)試，在忽略試驗(yàn)與仿真誤差的基礎(chǔ)上，CFD（DES）＋FEM方法可有效預(yù)測(cè)駕駛室內(nèi)氣動(dòng)噪聲分布和聲壓級(jí)，為后續(xù)的后視鏡優(yōu)化仿真與試驗(yàn)提供一種工程方法。