某純電動SUV前部風哨聲問題分析與優化

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，風噪聲的抱怨一直居高不下。當車速達到80 km/h以上時，風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，車型開發過程中，開發人員也會密切關注車型是否產生了風哨聲及其速度和強度等問題。

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

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

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重的風哨聲問題（抽樣調查發現：TTO樣車階段，前部風哨聲發生概率 80%以上）。車速不同，風哨聲的音調有所變化，但都較為尖銳刺耳，車內乘員無法忍受。利用 NVH相關測試軟件來測量車內的聲音信號，我們通過軟件將時域信號進行FFT（快速傅里葉變換）轉換為頻域信號進行分析。車內主駕外耳的Colormap彩圖分析結果如圖1所示：

圖1 車內主駕外耳Colormap圖

從Colormap圖發現：在1 200～1 800 Hz（車速54～120 km/h）之間，前部風哨聲問題特征表現為變頻且時間上連續的窄帶頻譜，同時與車速直接相關。依據經驗，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”結構引起[3-4]，如圖2所示：

圖2 問題樣車“哨子”結構示意圖

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，風哨聲消除，問題得以解決。

1.2 風哨機理分析

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”結構是產生風哨聲的主要原因。

“哨子”發聲結構及機理如下圖3所示：

圖3 “哨子”發聲機理圖

哨子的發聲原理是：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出哨音[5]。

即：哨子發聲的三個因素：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，在哨體內形成不規則的渦，并引起哨體振動，形成哨音。

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

對應上述風哨機理，此SUV車型機艙蓋前部結構正好滿足“哨子”發聲結構。見樣車斷面圖4：

圖4 樣車“哨子”結構斷面圖

1.3 流場仿真解析

針對該車型機艙蓋前部風哨聲問題，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）在紊流區域內，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哨聲產生的三個因素：定向氣流、擾流因子、諧振腔。

2 優化方案實車驗證

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

結論：

（1）車速在0～120 km/h內，均未出現風哨聲；

（2）證明改變氣流方向可解決風哨聲問題。

2.2 移除擾流因子

手工方案 2：通過裝配調節，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

結論：

（1）車速在0～120 km/h內，均未出現風哨聲；

（2）證明移除擾流因子可解決風哨聲問題。

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

結論：

（1）車速在0～120 km/h內，均未出現風哨聲；

（2）證明破壞諧振腔可解決風哨聲問題。

2.4 方案總結

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，現有尺寸公差可調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板上，卡扣連接，工程可實現，成本周期均可接受。項目組決策實施此方案。且有臨時方案應對工程化方案空白期。

3 結論

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

解決風哨聲的方案，至少需要改變三個必要條件中的其中一個：通過優化中燈外型面，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，在車型開發早期，建議通過仿真分析與數模DMU檢查相結合的方法，提前識別出機艙蓋與中燈（進氣格柵）縫隙位置是否存在風哨聲風險，如有風險，需提前設置好預留方案。