某乘用車外后視鏡風(fēng)哨聲控制研究

【摘要】針對(duì)某乘用車外后視鏡風(fēng)哨聲問題，通過實(shí)車主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行風(fēng)哨聲問題確認(rèn)及分析，根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法提出攝像頭與鏡殼間不合理階差消除方案與空腔消除方案，改善流場和監(jiān)測點(diǎn)壓力，并通過實(shí)車測試和主觀評(píng)價(jià)驗(yàn)證方案的有效性。結(jié)果表明：綜合考慮使用路面、速度段和NVH嚴(yán)重程度的風(fēng)哨聲錯(cuò)誤狀態(tài)指數(shù)（ESI）由1.12降至0，成功解決了后視鏡風(fēng)哨聲問題。

主題詞：外后視鏡 風(fēng)哨聲 階差 間隙 空腔噪聲 計(jì)算流體力學(xué)

中圖分類號(hào)：U463.85" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20230992

Research and Control on Exterior Rear View Mirror Whistle

of a Passenger Car

Yang Xiaotao， Pan Zuofeng， Ma Long， Deng Yuwei， Hou Hangsheng

（Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

【Abstract】To address the issue of exterior rear view mirror whistle of a home-made passenger car， vehicle subjective evaluation is conducted to confirm and analyze the issue， then schemes are proposed using Computational Fluid Dynamics （CFD） to eliminate the unreasonable flush and cavity of exterior rear view mirror shell and camera， and improve stream field pressure of the monitoring point， vehicle test and subjective evaluation prove effectiveness of this scheme. The results show that exterior rear view mirror whistle problem can be solved by reducing Error State Index （ESI） which comprehensively considers factors such as road type， speed range and severity of NVH from 1.12 to 0.

Key words： Exterior rear view mirror， Whistle， Flush， Gap， Cavity noise， Computational Fluid Dynamics （CFD）

【引用格式】 楊曉濤， 潘作峰， 馬龍， 等. 某乘用車外后視鏡風(fēng)哨聲控制研究[J]. 汽車技術(shù)， 2025（4）： 40-46.

YANG X T， PAN Z F， MA L， et al. Research and Control on Exterior Rear View Mirror Whistle of a Passenger Car[J]. Automobile Technology， 2025（4）： 40-46.

1 前言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車駕乘舒適性要求不斷提高，高速風(fēng)噪性能倍受關(guān)注。外后視鏡風(fēng)哨聲的抑制，作為風(fēng)噪聲性能的關(guān)鍵控制指標(biāo)，對(duì)于提升車輛舒適性具有重要意義。

目前，外后視鏡的風(fēng)噪研究主要集中于噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和噪聲幅值控制研究。在風(fēng)噪機(jī)理方面，Meng等[1]通過風(fēng)洞粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry，PIV）技術(shù)捕捉后視鏡尾渦非定常流信息，采用大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）湍流模型分析了后視鏡尾渦脫落過程。Yao等[2]探索了外后視鏡風(fēng)噪聲源及車內(nèi)的傳播過程，同時(shí)采用數(shù)值仿真方法實(shí)現(xiàn)了風(fēng)噪湍動(dòng)壓和聲壓分離。徐明等[3]通過后視鏡內(nèi)側(cè)夾角參數(shù)化設(shè)計(jì)，研究了后視鏡內(nèi)側(cè)夾角對(duì)風(fēng)噪的影響。陳鑫等[4]基于外后視鏡的平板風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)5款后視鏡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，識(shí)別鏡罩、基座造型、安裝角度等后視鏡風(fēng)噪關(guān)鍵控制因素。

在噪聲幅值控制方面，王亓良等[5]建立汽車簡化模型，模擬實(shí)車A柱及外后視鏡附近的氣流流動(dòng)，以A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和語言清晰度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究不同A柱外形對(duì)后視鏡風(fēng)噪幅值的影響。宋妙妍等[6]結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)，探究后視鏡鏡臂外形對(duì)風(fēng)噪幅值的影響，通過優(yōu)化鏡臂周圍曲率改善后視鏡尾渦區(qū)域近場噪聲。孫浩等[7]將總聲壓級(jí)作為數(shù)據(jù)集輸出，并基于機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)對(duì)外后視鏡風(fēng)噪幅值的預(yù)測。

由于外后視鏡的風(fēng)噪為寬頻噪聲，而風(fēng)哨為窄帶噪聲，其相應(yīng)研究較少。研究表明，風(fēng)哨聲由鏡殼外形引起，且與后視鏡附近渦流或附近邊界層的分離相關(guān)[8-9]。為了解決某乘用車不合理階差及空腔耦合產(chǎn)生的后視鏡風(fēng)哨聲問題，本文通過實(shí)車道路試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)，以流場和檢測點(diǎn)處聲壓為監(jiān)控項(xiàng)，基于后視鏡計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬仿真進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)實(shí)車驗(yàn)證效果建立多場景錯(cuò)誤狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)方法。

2 外后視鏡哨聲問題分析

2.1 風(fēng)哨聲問題確認(rèn)

某乘用車性能驗(yàn)證過程中，出現(xiàn)外后視鏡風(fēng)哨聲問題，并且風(fēng)哨聲產(chǎn)生的起始速度受環(huán)境風(fēng)速與風(fēng)向影響較大。順風(fēng)行駛中風(fēng)哨聲的起始速度為60 km/h，逆風(fēng)行駛時(shí)為40 km/h。

為了排除環(huán)境因素干擾，后視鏡風(fēng)哨聲試驗(yàn)在國內(nèi)某氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行。風(fēng)洞出口的風(fēng)速由20 km/h勻加速至120 km/h，整車與風(fēng)洞來流夾角為0°，在前、后排外耳位置分別布置噪聲傳感器，記錄噪聲信號(hào)。風(fēng)哨試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。當(dāng)風(fēng)速超過45 km/h，出現(xiàn)風(fēng)哨且存在2倍諧頻信號(hào)。同時(shí)，哨聲頻率隨風(fēng)速增加而線性增大，基本滿足斯特勞哈爾準(zhǔn)則。

斯特勞哈爾準(zhǔn)則即Strouhal數(shù)，用于描述非定常流動(dòng)時(shí)諧性機(jī)準(zhǔn)則，反映了流體的非定常性影響[10]：

[Sr=dv×f] （1）

式中：d為流場中固體結(jié)構(gòu)的特征尺寸，v為風(fēng)哨聲源附近的氣流速度，f為哨聲頻率。

在一定的流體流速和密度范圍內(nèi)，Strouhal數(shù)基本恒定[11]，取值范圍為0.1～0.2。風(fēng)哨頻率與氣流速度基本呈線性變化關(guān)系，如圖2所示。通過線性擬合，相關(guān)系數(shù)R2能夠達(dá)到0.961 2。產(chǎn)生偏差的主要原因?yàn)闇y速儀的風(fēng)速測點(diǎn)位置會(huì)破壞流場特征，無法布置在后視鏡哨聲區(qū)域，實(shí)際試驗(yàn)中將測速儀布置在距車身較遠(yuǎn)的風(fēng)洞出口處，由于幾何特征及渦流影響，后視鏡局部區(qū)域風(fēng)速與風(fēng)洞出口處風(fēng)速存在較大差異。

2.2 風(fēng)哨聲問題分解

通過在后視鏡殼體粘貼膠帶開展實(shí)車風(fēng)噪主觀評(píng)價(jià)，經(jīng)排查，將哨聲源鎖定在攝像頭區(qū)域。后視鏡攝像頭局部結(jié)構(gòu)如圖3所示，此位置共有3處縫隙，分別為攝像頭缺口縫隙、攝像頭自身縫隙、攝像頭與鏡殼縫隙。攝像頭風(fēng)哨聲源排查結(jié)果如表1所示，風(fēng)哨聲源鎖定在攝像頭與鏡殼縫隙前端。

2.3 原因分析

攝像頭與鏡殼縫隙（縫隙3）剖面如圖4所示，流場相關(guān)的結(jié)構(gòu)特征主要為階差和間隙。階差方面，攝像頭和鏡殼設(shè)計(jì)值為0.50 mm±0.2 mm，實(shí)際測量來流方向中攝像頭的前沿高于鏡殼0.4 mm，存在不合理臺(tái)階，容易產(chǎn)生戧風(fēng)現(xiàn)象，增加氣流擾動(dòng)；間隙方面，攝像頭和鏡殼設(shè)計(jì)值為0.65 mm±0.2 mm，實(shí)測為0.63～0.65 mm，符合設(shè)計(jì)公差范圍。

由于哨聲源來自縫隙3來流前端位置，攝像頭周圈間隙滿足設(shè)計(jì)且相對(duì)均勻，初步判斷風(fēng)哨產(chǎn)生的主要原因?yàn)殓R殼與攝像頭的不合理階差，0.65 mm間隙引起的空腔噪聲與不合理階差相互耦合將增加風(fēng)哨發(fā)生機(jī)率。

3 外后視鏡哨聲CFD仿真

3.1 幾何建模

鑒于建立整車及后視鏡模型的網(wǎng)格數(shù)量過多、計(jì)算耗時(shí)過長，現(xiàn)有計(jì)算資源難以支撐仿真分析，因此，建立后視鏡攝像頭局部位置幾何簡化模型，即僅保留鏡殼縫隙和攝像頭間縫隙（縫隙3）細(xì)節(jié)特征，如圖5所示。該模型未考慮A柱、后視鏡等關(guān)鍵部件對(duì)流場的影響，CFD結(jié)果僅用于方案趨勢(shì)性分析和效果預(yù)估。

3.2 網(wǎng)絡(luò)建模

為了捕捉縫隙迎風(fēng)側(cè)流場的梯度變化，同時(shí)兼顧計(jì)算精度和效率，對(duì)縫隙迎風(fēng)側(cè)進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，面網(wǎng)格尺寸為0.1 mm，其他部位為2 mm，體網(wǎng)格為32 mm。將簡化模型附近邊界層劃分為10層，第一層為0.01 mm，依次按1.2倍遞增。網(wǎng)格模型剖視圖及邊界層網(wǎng)格如圖6所示。在攝像頭模型建立近場監(jiān)測點(diǎn)P1，與攝像頭外輪廓距離為10 mm。

3.3 CFD參數(shù)設(shè)置

采用流體仿真軟件進(jìn)行CFD計(jì)算，邊界條件設(shè)置如表2所示。通過k-ω湍流模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，待殘差收斂后，轉(zhuǎn)為瞬態(tài)計(jì)算。使用分離渦模擬（Detached-Eddy Simulation，DES）模型，將近場場點(diǎn)P1作為監(jiān)測點(diǎn)。

3.4 CFD對(duì)比分析

針對(duì)鏡殼與攝像頭的不合理階差及間隙，分別優(yōu)化來流方向鏡殼與攝像頭階差、填充鏡殼與攝像頭間隙，具體結(jié)構(gòu)如表3所示。

各方案上部迎風(fēng)側(cè)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算速度結(jié)果如圖7所示。原始狀態(tài)的階差使臺(tái)階處氣流急劇加速，空腔內(nèi)氣流速度高達(dá)30 m/s。方案1中，空腔內(nèi)氣流速度明顯降低；方案2中，臺(tái)階處氣流速度顯著降低。

各方案上部迎風(fēng)處渦量云圖如圖8所示。方案1和方案2的渦量明顯降低，有效改善了流場，有利于降低風(fēng)哨聲源。

各方案的流體瞬態(tài)計(jì)算時(shí)域信號(hào)如圖9所示，相較于原始狀態(tài)，方案1中監(jiān)測點(diǎn)壓力的周期性不變，但優(yōu)化后幅值明顯降低，方案2中監(jiān)測點(diǎn)壓力周期性消失，且幅值降低。

4 實(shí)車驗(yàn)證

相較于原始方案，兩種優(yōu)化方案的CFD穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)結(jié)果改善效果明顯，但均限于趨勢(shì)性分析。因此，通過實(shí)車道路驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性。

4.1 哨聲優(yōu)化方案

結(jié)合CFD仿真分析結(jié)果，針對(duì)外后視鏡風(fēng)哨聲問題，采取以下方案：

a. 方案1：后視鏡的鏡殼與攝像頭階差優(yōu)化。由于優(yōu)化后視鏡外形樣件周期較長，為了提高方案驗(yàn)證效率，在鏡殼粘貼膠帶從而局部抬高面差，消除攝像頭前沿的階差，如圖10所示。

b. 方案2：攝像頭與鏡殼間隙填充。在攝像頭周圈粘貼植絨膠帶，消除鏡殼和攝像頭間的縫隙，從而消除空腔噪聲，如圖11所示。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用LMS Test Lab設(shè)備對(duì)問題車輛進(jìn)行實(shí)車道路試驗(yàn)，在車速50 km/h時(shí)采集駕駛員外耳位置噪聲信號(hào)，結(jié)果如圖12所示。試驗(yàn)樣車原狀態(tài)存在單頻率哨聲，由于環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向不穩(wěn)定，哨聲頻率在4～4.7 kHz范圍內(nèi)波動(dòng)。優(yōu)化后風(fēng)哨峰值消失，進(jìn)一步證明風(fēng)哨是由鏡殼與攝像頭處不合理階差、空腔噪聲相互耦合產(chǎn)生。

風(fēng)哨聲作為NVH錯(cuò)誤狀態(tài)，采用錯(cuò)誤狀態(tài)指數(shù)（Error State Index，ESI）表征其嚴(yán)重程度。ESI是對(duì)多種場景工況及對(duì)應(yīng)感知的綜合評(píng)價(jià)，能夠全面反映用戶真實(shí)使用感受，其值越小，客戶滿意度越高，可表示為：

[IESI=i=0nIPART×ICASE] （2）

式中：IPART為感知系數(shù)，ICASE為場景工況系數(shù)。

在實(shí)際工程應(yīng)用中：[IESI]=0時(shí)，表示可以接受；[IESI]≤0.03時(shí)，表示讓步接受；[IESI]gt;0.03時(shí)，表示不能接受。

IPART用于表征用戶對(duì)NVH問題嚴(yán)重程度（見表4）的計(jì)權(quán)，可分4個(gè)級(jí)別：

a. 所有用戶均能夠明顯感知且抱怨時(shí)，IPART=1，對(duì)應(yīng)NVH問題嚴(yán)重程度評(píng)分低于5.5分。

b. 部分用戶能夠感知且抱怨時(shí)，IPART=0.3，對(duì)應(yīng)NVH問題嚴(yán)重程度評(píng)分為6分。

c. 挑剔用戶能夠感知，其問題嚴(yán)重程度輕微時(shí)，IPART=0.1，對(duì)應(yīng)NVH問題嚴(yán)重程度評(píng)分為6.5分。

d. 專業(yè)評(píng)價(jià)人員可感知，其問題嚴(yán)重程度十分輕微或無明顯問題時(shí)，IPART=0，對(duì)應(yīng)單一問題評(píng)分為7分及以上。

ICASE表征用戶使用頻次和場景工況的計(jì)權(quán)，具體系數(shù)依照用戶實(shí)際應(yīng)用場景而定。對(duì)用戶使用頻次較高或長時(shí)間使用的場景，ICASE=1；對(duì)使用頻次一般或瞬時(shí)使用的場景，ICASE=0.3；對(duì)使用頻次較少或極端的場景，ICASE=0.1。

針對(duì)后視鏡風(fēng)哨問題，結(jié)合用戶使用場景，定義城市道路、快速路及高速路等3種路面的場景工況系數(shù)和感知系數(shù)，綜合評(píng)價(jià)不同路面行駛中風(fēng)哨嚴(yán)重程度，結(jié)果如表5所示。快速路和高速路的風(fēng)哨聲嚴(yán)重程度評(píng)分高于城市道路，主要原因在于風(fēng)噪隨車速升高而增大，對(duì)風(fēng)哨聲掩蔽作用明顯，人耳聽到的風(fēng)哨嚴(yán)重程度相對(duì)較低，優(yōu)化后的風(fēng)哨聲ESI由原始狀態(tài)1.12降至0，進(jìn)一步證明了本文方案的可行性。

5 結(jié)束語

本文通過風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)車測試，準(zhǔn)確識(shí)別后視鏡風(fēng)哨聲產(chǎn)生位置并分析原因。結(jié)合CFD仿真分析，針對(duì)性地消除不合理階差及空腔。所提出的優(yōu)化方案為外后視鏡風(fēng)哨問題解決、方案設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)指標(biāo)建立提供一定的工程參考。

由于計(jì)算資源受限，本文針對(duì)后視鏡攝像頭的局部特征進(jìn)行了流場趨勢(shì)性分析，后續(xù)將細(xì)化網(wǎng)格模型提高仿真精度，降低風(fēng)哨聲發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

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（責(zé)任編輯 瑞 秋）

修改稿收到日期為2023年11月22日。