張祥東，陳慶濱，白楊翼

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300399）

引言

在主機廠售后抱怨眾多的 NVH問題中，風(fēng)噪聲的抱怨一直居高不下。當(dāng)車速達到80 km/h以上時，風(fēng)噪逐步成為汽車的主要噪聲源，它也成為 NVH工程師首要解決的問題[1-2]。同時，車型開發(fā)過程中，開發(fā)人員也會密切關(guān)注車型是否產(chǎn)生了風(fēng)哨聲及其速度和強度等問題。

由于在整車開發(fā)早期，風(fēng)洞油泥模型主要識別的是風(fēng)阻系數(shù)以及風(fēng)噪聲壓級等問題，讓客戶難以接受的高頻風(fēng)哨聲無法識別出來。因此，研究風(fēng)哨聲的發(fā)聲機理及其解決方案，避免樣車階段的模具設(shè)變造成的開發(fā)成本浪費，成為當(dāng)前主要的研究課題。

基于此背景，本文以解決某SUV車型機艙蓋前部風(fēng)哨聲問題為目的，通過CFD仿真、風(fēng)哨的發(fā)聲機理分析及實際手工方案的驗證，總結(jié)了消除風(fēng)哨聲的三個方向。從而為各主機廠后續(xù)車型的風(fēng)噪性能開發(fā)提供一個參考思路。

1 問題原因及機理分析

1.1 問題原因分析

某SUV車型在緩加速工況下加速至54～120 km/h時，機艙蓋前部存在較為嚴(yán)重的風(fēng)哨聲問題（抽樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)：TTO樣車階段，前部風(fēng)哨聲發(fā)生概率 80%以上）。車速不同，風(fēng)哨聲的音調(diào)有所變化，但都較為尖銳刺耳，車內(nèi)乘員無法忍受。利用 NVH相關(guān)測試軟件來測量車內(nèi)的聲音信號，我們通過軟件將時域信號進行FFT（快速傅里葉變換）轉(zhuǎn)換為頻域信號進行分析。車內(nèi)主駕外耳的Colormap彩圖分析結(jié)果如圖1所示：

圖1 車內(nèi)主駕外耳Colormap圖

從Colormap圖發(fā)現(xiàn)：在1 200～1 800 Hz（車速54～120 km/h）之間，前部風(fēng)哨聲問題特征表現(xiàn)為變頻且時間上連續(xù)的窄帶頻譜，同時與車速直接相關(guān)。依據(jù)經(jīng)驗，初步推斷此問題是由機艙蓋前部、前端中燈及其縫隙空腔組成的“哨子”結(jié)構(gòu)引起[3-4]，如圖2所示：

圖2 問題樣車“哨子”結(jié)構(gòu)示意圖

臨時手工措施：將機艙蓋前部與中燈之間的縫隙空腔用膠帶密封后，風(fēng)哨聲消除，問題得以解決。

1.2 風(fēng)哨機理分析

由上述臨時措施可以得出：機艙蓋前部、前端中燈及其縫隙空腔組成的“哨子”結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生風(fēng)哨聲的主要原因。

“哨子”發(fā)聲結(jié)構(gòu)及機理如下圖3所示：

圖3 “哨子”發(fā)聲機理圖

哨子的發(fā)聲原理是：通過哨嘴的氣流快速離開哨口后形成紊亂的氣流，沖擊哨舌，在哨舌的擾動作用下，擴大湍流范圍，并提高渦的頻率，渦的形成與哨體的振動發(fā)出哨音[5]。

即：哨子發(fā)聲的三個因素：定向氣流（哨口）、擾流因子（哨舌）、諧振腔（哨體）[6]。

（1）氣流從哨嘴進入，快速通過哨口，在哨體內(nèi)形成不規(guī)則的渦，并引起哨體振動，形成哨音。

（2）哨子的發(fā)聲的響度受氣流速度影響。流過哨口的氣流速度越大，哨聲越響。

（3）哨子的發(fā)聲頻率受流場擾動影響。不同的哨口尺寸會影響氣流的轉(zhuǎn)捩，進而影響哨音的頻率。

對應(yīng)上述風(fēng)哨機理，此SUV車型機艙蓋前部結(jié)構(gòu)正好滿足“哨子”發(fā)聲結(jié)構(gòu)。見樣車斷面圖4：

圖4 樣車“哨子”結(jié)構(gòu)斷面圖

1.3 流場仿真解析

針對該車型機艙蓋前部風(fēng)哨聲問題，進行了車身外流場仿真分析。如圖5所示：

圖5 120 km/h的機艙蓋前部流場

通過仿真流場圖得出以下結(jié)論：車輛高速條件下（54～120 km/h），擾流因子（哨舌即機艙罩前端）在紊流區(qū)域內(nèi)，高速氣流沖擊機艙蓋前端，在機蓋與中燈之間的空腔中形成了渦流。即同時滿足了高頻風(fēng)哨聲產(chǎn)生的三個因素：定向氣流、擾流因子、諧振腔。

2 優(yōu)化方案實車驗證

2.1 改變氣流方向

手工方案 1：用平板紙殼貼合于中燈前部，改變氣流沖擊方向。如圖6所示：

圖6 平板紙殼貼于中燈前部

結(jié)論：

（1）車速在0～120 km/h內(nèi)，均未出現(xiàn)風(fēng)哨聲；

（2）證明改變氣流方向可解決風(fēng)哨聲問題。

2.2 移除擾流因子

手工方案 2：通過裝配調(diào)節(jié)，將機艙蓋前端位置前移，使機蓋前邊緣相對中燈位置靠前。如圖7所示：

圖7 機艙蓋前端位置前移

結(jié)論：

（1）車速在0～120 km/h內(nèi)，均未出現(xiàn)風(fēng)哨聲；

（2）證明移除擾流因子可解決風(fēng)哨聲問題。

2.3 破壞諧振腔

手工方案 3：用膠帶密封機艙蓋與中燈之間的縫隙或者在機艙蓋與中燈之間的空腔中填充空腔密封條，使諧振腔得到破壞。如圖8所示：

圖8 密封間隙或添加空腔密封條

結(jié)論：

（1）車速在0～120 km/h內(nèi)，均未出現(xiàn)風(fēng)哨聲；

（2）證明破壞諧振腔可解決風(fēng)哨聲問題。

2.4 方案總結(jié)

方案一：需要變更中燈外造型，此階段改造型影響上公告。且模具變更等費用昂貴，改模周期三個月。成本周期不接受，項目組決策此方案不實施。

方案二：需延長機艙蓋X向尺寸，現(xiàn)有尺寸公差可調(diào)整余量無法滿足要求，如需實施，則要更改機艙蓋外鈑金模具。模具變更等費用昂貴，改模周期五個月。成本周期不接受，項目組決策此方案不實施。

方案三：將空腔密封條添加于機艙蓋內(nèi)板上，卡扣連接，工程可實現(xiàn)，成本周期均可接受。項目組決策實施此方案。且有臨時方案應(yīng)對工程化方案空白期。

3 結(jié)論

通過上述機理分析與仿真分析，并結(jié)合手工方案實車驗證，得出機艙蓋前部產(chǎn)生高頻風(fēng)哨聲的三個必要條件：定向高速氣流、擾流因子、諧振腔。

解決風(fēng)哨聲的方案，至少需要改變?nèi)齻€必要條件中的其中一個：通過優(yōu)化中燈外型面，可以改變氣流沖擊方向；通過改變機艙蓋前端與中燈的X向相對位置，移除擾流因子；通過在機艙蓋與中燈空腔中添加密封條，可以破壞容納渦流的諧振腔。

綜上，在車型開發(fā)早期，建議通過仿真分析與數(shù)模DMU檢查相結(jié)合的方法，提前識別出機艙蓋與中燈（進氣格柵）縫隙位置是否存在風(fēng)哨聲風(fēng)險，如有風(fēng)險，需提前設(shè)置好預(yù)留方案。