基于CFD和聲學風洞的某SUV整車氣動噪聲性能提升

黃 勇，黃祚華，姚 璐，王小碧，翁文同

（東風汽車公司 技術中心，武漢 430058）

當動力總成和路面激勵噪聲得到有效控制時，在高速行駛工況下，風激勵引起的車內噪聲問題便凸顯出來，客戶對氣動噪聲問題的抱怨率逐年上升。研究表明：車速超過90 km/h時，車內氣動噪聲開始出現；車速超過120 km/h時，氣動噪聲貢獻60%以上；車速超過140 km/h時，氣動噪聲貢獻80%以上。近年來，整車氣動噪聲的開發逐漸成為各主機廠的研究熱點。聲學風洞測試能夠排除動力總成和路面的影響，結果可靠，重復性好，是分析氣動噪聲的最常用的方法之一。

1978年，豐田公司的WATANABE等[1]在風洞試驗室對整車的外形氣動噪聲進行了優化改進分析。1999年，康奈爾大學的GEORGE教授對整車的氣動噪聲進行較全面的介紹，詳細闡述了其產生機理和控制方法，并提出了初略的預測方法[2]。同年，日產汽車的LIDA對風洞的測試技術進行了詳盡描述，從氣動噪聲的客觀測量到主觀評價，系統地介紹了氣動噪聲的評價方法[3]。早期的氣動噪聲控制方法主要體現在測試與經驗估算上。隨著計算技術和氣動聲學理論的發展，近年來，利用仿真計算進行車內氣動噪聲的預測成為新的研究方法。

某自主品牌SUV車型在上市后，客戶對高速行駛的氣動噪聲一直有抱怨，為了補齊新款產品的短板，提升其品質，通過市場調研和數據測試，充分掌握了上一代車型客戶的抱怨點和產品性能的薄弱點，在開發新款車型時 ，對關鍵局部造型進行優化，同時提升和改進了車身隔音、密封等關鍵部位，并利用聲學風洞進行了方案驗證。新車型的氣動噪聲性能得到明顯提升，大幅降低了客戶抱怨率。

1 整車外形氣動噪聲源分析

整車外形氣動噪聲產生的根本原因是車身外表的流動分離引起的壓力脈動。氣流流過車體表面，因形狀發生改變，從而產生由流動分離、氣流脫體和尾渦引起的周期性壓力脈動，導致鈑金振動向車內輻射噪聲。

1.1 瞬態外流場計算基本理論

計算模型采用格子玻爾茲曼計算方法，屬于流體力學非定常的解析方法[4]，時間步長短，能夠準確捕捉渦脫落結構和局部的流動特性，詳細記錄外表面的壓力脈動。與傳統的N-S方程不同，格子玻爾茲曼方程為：

式中：f(x,v,t)為粒子在時間t、速度v時的概率分布方程；Θ為滿足守恒定律的粒子碰撞算子。流體密度ρ(和速度v均通過瞬時總和來獲得：

利用商業化軟件PowerFlow 代碼，得到整車外流場，數值仿真車速為 140 km/h，全細節模型如圖1所示，最小網格設置為0.5 mm，仿真物理時間為1 s，0°偏航角，格柵設置為打開。整車模型如圖2所示。

圖1 模型細節

圖2 整車模型

根據仿真計算得到的外部流場如圖 3所示，主要的外部聲源集中在機罩蓋分縫位置、雨刮、落水槽、A柱、后視鏡、前側翼、前輪腔體等區域。計算結果與經驗判斷基本一致，能夠較為真實地反映車身外表面的流動特性和聲源大致位置[5]，為下一步造型的局部優化提供依據。

圖3 聲源渦量顯示圖

1.2 聲源識別風洞試驗

車外聲源識別在上海同濟大學地面交通風洞中心進行，車速為140 km/h，聲源識別系統采用德國某公司的聲源識別系統，專為風洞試驗設計的拋物線形陣列，尺寸為2 m×2 m，目前所用通道數為120個；分析系統基于波束成型技術的聲源識別軟件NoiseImage，支持風洞漂移量修正。陣列布置在流場外，平行于風洞測試段的軸對稱線的距離為4.9 m；軸向位置將陣列中心與車身中線位置對齊。試驗時的環境溫度為20～23 ℃，相對濕度為42%～47%，大氣壓力為102.1～102.4 kPa。本次試驗中測試使用120個傳聲器通道，采樣率為48 kHz，采樣時間為4 s。

聲學風洞聲源識別結果如圖4所示。車外聲源能量集中體現在前輪罩腔體、風窗蓋板、發動機罩蓋、流水槽、后視鏡等區域。這些區域更容易發生流動分離，引起強烈的壓力脈動，產生氣動噪聲。

圖4 聲學風洞聲源識別

2 外形氣動噪聲性能提升

根據數值仿真與聲學風洞測試的對比結果，更進一步確認了整車的主要聲源位置，為后續的造型和結構優化提供了可靠的支撐。

2.1 后視鏡氣動噪聲優化

后視鏡突出的鈍體結構暴露在氣流沖擊中，其尾部極易發生流動分離，產生強烈的壓力脈動。其產生機理主要分為兩類：（1）后視鏡支座以及角度導流引起壁面輻射所致的壓力脈動聲源，如圖5所示。（2）后視鏡本體氣流分離的湍流噪聲，如圖6所示。

圖5 側窗壁面壓力

圖6 后視鏡尾渦

基于以上原理分析，以減小后視鏡尾部分離渦大小和采用導流設計降低側窗壓力為原則，提出8項改進對策（表1）。

表1 后視鏡改進對策說明

限于篇幅，本文沒有將所有改進方案全部呈現，支座的部分改進方案如圖7所示，后視鏡型面的部分改進方案如圖8所示。

圖7 后視鏡支架改進

圖8 后視鏡型面改進

實施以上8項改進對策后，流場分析結果如圖9所示，后視鏡尾渦區域大大減小，并且快速收斂，尾渦遠離玻璃方向流動，減少了壁面的湍流壓力脈動，同時也降低了輻射噪聲。

圖9 后視鏡尾部流場

為了驗證改進前后的效果，利用聲學風洞進行測試，為了排除側窗隔音的影響，僅對比側窗表面的聲壓。監測點取在后視鏡尾部，如圖10所示。

圖10 側窗表面監測點

兩款后視鏡引起的側窗表面聲壓級，優化后方案在監測點1位置，800 Hz以上聲壓級降低約10 dB(A)以上，在監測點2位置，寬頻帶聲壓級約下降了10 dB(A)，如圖11和圖12所示。

圖11 側窗表面監測點1聲壓級

圖12 側窗表面監測點2聲壓級

2.2 A柱氣動噪聲優化

氣流繞過A 柱向側窗流動，這部分氣流導致的流動分離是造成前排位置風激勵寬頻帶噪聲的主要原因。在流動分離的渦流區，如果壓力梯度較大，也會造成靠近A柱的車門密封條的氣吸噪聲[6]。利用聲學風洞，對上一款SUV車型A柱的斷面進行了臨時方案驗證，采用油泥填充的方式增大寬度，推遲了該區域的流動分離，如圖13所示，寬度由8 mm（d1）增大到18 mm（d2）。風洞試驗結果表明，增大A柱寬度能夠提升車內AI，效果達2.5%，如圖14所示。

圖13 A柱斷面優化

圖14 優化結果

2.3 雨刮氣動噪聲優化

雨刮作為車身表面的凸起物，氣流在經過雨刮時，容易發生分離，形成復雜的非定常渦，導致汽車前風擋位置形成較強的壓力脈動，從而產生氣動噪聲[7]。新款開發車型在設計前期進行了角度和視野的校核，在不影響前方視野的前提下，將發動機罩后邊緣抬高，雨刮隱藏在機罩蓋后部，避免了氣流的直接沖擊，減少了雨刮氣動噪聲。與老款車型的雨刮布置相比，車內AI提升了2%。

圖15 雨刮隱藏式布置

圖16 雨刮貢獻量分析

2.4 風窗蓋板區域氣動噪聲優化

發動機前端氣流沿著發動機罩表面向后流動，在機罩后邊緣發生分離，然后在風窗蓋板區域形成分離渦，分離渦流經過雨刮，會再次形成分離渦，從而產生較強的壓力脈動，并通過前風擋向車內傳遞。根據參考文獻[8]，封堵此區域可以減少A柱、側窗和后視鏡底座區域，但是會增加前風擋壓力脈動的風險。在新款SUV風洞測試中，對該區域進行了驗證，采用油泥填充該空腔，如圖17所示。封堵空腔后，車內AI值提升了6%，主要貢獻頻率為2 000～3 000 Hz，最高貢獻噪聲為3 dB(A)，如圖18所示。

圖17 風窗蓋板區域填充

圖18 填充后的結果

2.5 下車體湍流噪聲優化

汽車下車體布置復雜，由動力總成、排氣系統、油箱、懸架等部件組成，既要降噪減阻，又要冷卻散熱。底盤布置不合理，會引起強烈的湍流，產生中低頻脈動噪聲[8-9]。為了驗證底部湍流噪聲對車內噪聲的貢獻，利用木芯板對底部護板進行全封堵，如圖19所示。由圖20可知，底部氣流封堵對車內聲壓總值（Overall All，OA）貢獻大，前排OA值貢獻5.5 dB(A)。由于車內90%以上的能量都是由下部和前輪腔氣流引起的，所以優化底部流場和提升底部隔音是降低車內氣動噪聲最有效的途徑之一。

圖19 底盤全封堵方案

圖20 車內噪聲頻譜

采用臨時方案試制保險杠底部氣壩以減少輪腔位置氣流量，從而減少輪腔位置的流動分離及此處的壓力脈動，最終降低氣動噪聲。試驗研究表明，增加氣壩對改善車內的低頻噪聲有較好的效果，如圖21和圖22所示。

圖21 增加保險杠氣壩

圖22 增加氣壩對車內噪聲貢獻

3 車身隔音和密封提升

3.1 車身密封改進

車身密封不良會引起泄漏噪聲，通過風洞試驗“開窗法”識別出老款車型的主要泄漏位置[10]，貢獻較大的部位主要有：玻璃導槽、后視鏡底座、后視鏡線束穿孔密封、白車身氣密性和車門密封等，需要對這些部件部位進行改善。限于篇幅，這里不作過多說明。重點說明玻璃導槽的改進，經過風洞分析，導槽對車內噪聲的貢獻量較大，對車內AI貢獻達11%，為了在導槽升降耐久、夾持力和密封之間尋求平衡，經過了多輪驗證，最終確定平衡優化方案，如圖23所示，在導槽的內側增加一個反向唇邊，經過風洞試驗的“開窗法”驗證，對車內AI貢獻量降低為1%以內。

圖23 導槽密封提升說明

3.2 車身隔音提升

側窗和底部隔音外部聲源向車內傳遞的主要路徑，設計前期就將其側窗玻璃厚度由3.5 mm提升至4 mm，提高了后視鏡、A柱區域聲源向車內的輻射噪聲。同時，對地毯隔音墊總成也進行了全面提升，相比于老款車型，地毯增加重涂層，面密度提升至2.4 kg/m2，增加了地板的覆蓋面積，減少了鈑金裸露面積。地板隔音性能提升后，底部的聲傳遞函數降低了3 dB(A)。車身隔音改進前后結果對比，如圖24所示。

圖24 車身隔音改進前后結果對比

3.3 車身表面空腔噪聲優化

汽車外表面存在很多不連續的過渡之處，如圖25所示，外流場經過這些不連續的空腔位置時，會發生流動分離，產生強烈的壓力脈動，并向車內輻射噪聲。空腔噪聲不僅與其深度和寬度有緊密聯系，還與相對車身的位置有重要關系[5]。對其空腔噪聲發生機理，相關文獻已經進行了較為深入的研究[8]。

圖25 車身不連續處空腔

圖26 后擾流板間隙

各區域的貢獻量分析見表2，不同位置的空腔對車內噪聲的貢獻頻段不同，增加分縫密封條是控制車身表面空腔噪聲的主要手段，還未見到從空腔本身形狀來優化此類噪聲的相關文獻，這也是未來研究的熱點。

表2 表面空腔貢獻量分析

圖27 尾門上部空腔密封貢獻

圖28 整車氣動噪聲優化前后結果對比

4 風洞試驗驗證

為了保證試驗結果的可靠性和準確性，驗證測試在聲學風洞試驗室進行。風速為140 km/h，測點布置在4個座椅的外耳位置，同時在車外布置監測點。

基于上述外形氣動噪聲的改進，相比上一代產品，新款車型車內氣動噪聲性能得到明顯提升，主觀感受無泄漏噪聲，車內安靜舒適，前后乘員能夠清晰地交談。如圖28所示，在車速為140 km/h的工況下，車內AI提升10%，車內的整體聲壓級約降低了1.8 dB(A)，新款產品的整體性能得到明顯提升。

5 結論

針對某款全新開發的SUV車型，利用CFD仿真和聲學風洞對其進行整體的氣動噪聲性能提升。綜合利用仿真和風洞聲源識別技術確定了外形氣動噪聲聲源，重點對后視鏡、A柱、雨刮布置、底部等區域進行造型優化，在降低外部聲源的同時，進一步加強了車體的隔音性能，降低了外部聲能量向車內的傳遞，同時也優化了車體的密封性能，降低了泄漏噪聲。利用開窗法對車身不連續表面的空腔進行了驗證，新款車型的車內氣動噪聲水平得到改進。通過本研究可得出以下結論：

（1）上車體產生的噪聲主要分布在中高頻，對車內AI影響較大，下車體產生的氣動噪聲分布在中低頻，對車內的整體噪聲總值影響較大。

（2）表面空腔引起的氣動噪聲頻率特性跟其位置和空腔深度、寬度都有關系。

（3）利用仿真和試驗相結合的方法能夠更準確地確定聲源和改進方向。