后视镜造型对内场风噪声的影响

许志宝，汪东斌，李忠禹，徐寅生

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

后视镜造型对内场风噪声的影响

许志宝，汪东斌，李忠禹，徐寅生

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

为有效降低车内风噪声，根据气动噪声产生机理，采用声振耦合的分析方法对某SUV车型后视镜原状态及优化方案的内场气动噪声进行数值仿真，得到驾驶员左耳侧的声学响应。结果表明，对后视镜进行合理的造型优化能够改善了侧窗外流场湍流脉动压力，降低了侧窗的声压响应；能够降低后视镜表面声源强度，减少了后视镜通过侧窗传播到车内的噪声，提升车辆驾驶感受。

气动噪声；后视镜优化；流场；压力脉动；声压响应

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-127-05

前言

随着汽车工业的发展，越来越多的家庭拥有汽车，因而对汽车技术的发展也提出了更多新的要求，除了要考虑传统的燃油经济性和动力性外，对汽车乘坐舒适性有了更高的要求，车内噪声的大小成为评价汽车舒适性的一个重要标准[1]。汽车行驶时的噪声源有很多种，常见的有发动机的动力传动噪声、轮胎的路面噪声和风噪声（空气动力噪声）。前面两种噪声源已经得到了很好的控制，气动噪声的研究是近年来才兴起研究的，当车速大于100km/h时，汽车的气动噪声会随着车速的增大而不断增大，成为整车主要的噪声源[2]。研究表明，气动噪声与车速的六次方成正比，伴随着我国高速公路的不断建设，汽车的行驶车速也在不断提升，气动噪声对汽车的性能影响越来越大。然而，对气动噪声的研究在理论上还不够成熟，由于涉及到的学科比较多，对它的研究还有很多难度。本文以研究车内气动噪声的产生机理和车外气动噪声向车内传播的路径为基础，探讨了后视镜造型对车内气动噪声的影响，为车辆优化设计及后视镜开发提供仿真依据，并且取得了较好的效果。

1 气动噪声理论

目前采用耦合计算[3-4]的方式来计算声场，应用STARCCM+流体分析软件和Virtual lab声场模拟软件，主要分两个阶段，首先用数值仿真[5]的方法对外流场进行仿真计算，得到外流场的数据，然后导入声学软件中进行声压级的计算，经过优化计算，得到理想的结果。

1.1 分离涡模拟（DES）理论

目前常用的一种数值仿真方法为分离涡模拟（DES），即Detached Eddy Simulation,它比雷诺平均模拟（RANS）计算的结果更精确，又没有大涡模拟（LES）的计算量大，是介于两者之间的一种方法[6-7]，具有很多优点。DES仿真方法采用一个相同的涡黏输运方程，根据模型生成网格的尺寸区分LES区和RANS区，在网格较密的区域采用了LES的方法去求解，剩余的区域采用RANS的方法去求解。根据所选方程的不同，DES模型又可以分为不同的形式，本文采用的DES方法基于SST 模型，其k方程和方程如下所示[8]：

涡黏系数方程如下：

其中，和是涡流生成项，可以参考经验对方程中的系数进行取值[8]。k方程中的是湍流尺度参数，表达式如下：

表示DES方法中RANS和LES的分辨尺度，表达式如下：

其中，=0.78，△为网格的尺度，当网格为非均匀网格时，

SST 模型的优点在于它能够适宜于低雷诺数时的近壁处理，更加适合于具有分离特性汽车外流场的模拟[9]。

1.2 气动声学方程

气动声学仿真采用的是著名的福茨威廉姆斯。霍金斯（FW-H）方程，它是Ffowcs Williams和Haw kings[10]从Ligh-thill方程推导出来的，方程如下：

其中p'表示声压，T 表示Lighthill张量，ni表示表面法向量，vn表示法向速度，方程右边的第一项表示的是流体运动时引起的四极子声源，第二项表示的是表面作用在流体上的力所引起的偶极子声源，第三项表示的容积移动效应的单极子声源。

忽略单子极声源，本文主要从偶极子声源和四极子声源这两个方面对噪声进行研究[11]。

1.3 声振耦合有限元理论

在声振耦合的系统中，空腔内部的三维声场离散形式波动方程如下：

方程中[Mf]表示声学的等效质量矩阵；[Cf]表示流体的等效阻尼矩阵；[Kf] 表示声学的等效刚度矩阵；[p]表示节点的声压矩阵；R表示流体与结构的耦合矩阵；表示单元节点的位移对时间的二阶导数矩阵。

当考虑流体和结构之间的耦合时，声压会在流体和结构的交接面处对结构产生一个作用力，可以将它转换到结构的节点上，此时结构振动的控制方程可以转变为：

方程中[Ff]表示作用于耦合界面处的流体压力载荷。

由方程（8）和（9）可以得到耦合状态下的结构一流体运动方程，采用矩阵的形式可以表示如下：

求解方程(10）的结果可以得到结构表面节点处的位移与声压，本文利用STAR-CCM+ 计算模型的结构模态，利用LMS Virtual Lab计算模型的声学模态，最后将求得的结构模态结果导进LMS Virtual Lab 软件中去求解声固耦合模型。通过对声固耦合计算得到的声场模拟结果进行分析比较，可以为后视镜的造型设计提供依据。

2 数值仿真参数设置

2.1 计算模型的建立

本文以某SUV车型为模板，采用数值仿真的方法对后视镜进行优化分析，为了节约研发成本和节省时间，先进行气动声源优化分析，尽量保留它的特征，这些部件有A柱、前风挡玻璃密封条、后视镜、驾驶员侧的侧窗玻璃及玻璃水切和密封胶条等，对底盘和发动机舱进行封闭处理，如图1所示。

图1 整车模型

根据车型的尺寸，我们采用矩形的数字风洞作为计算域，尺寸为65×16×10m³，车前端距来流入口20m，这样可以保证仿真的结果受阻塞比[12]的影响尽可能小，仿真车模在风洞中的示意图如图2所示。

仿真所用的网格为Trimmer网格，最小面网格尺寸为2mm，最大面网格尺寸为500mm，考虑到近壁区的问题，根据经验，我们采用2层边界层网格，边界层网格厚度为2mm，首层边界层网格厚度为0.8mm。并对主要关注区域进行局部加密处理。

2.2 数值仿真参数的设置

本文的优化部分应用STAR-CCM+流体分析软件进行仿真计算，在这里我们假定气流为不可压缩流，计算域的前端设置为速度入口（inlet），计算域的后端设置为压力出口（pres-sure-outlet），压力出口距离车身后部有较长的距离，当空气流经压力出口时可以视为自由流体，因此将压力出口的压力值设置为标准大气压的值[13]。计算模型边界条件的设置如表1所示。空间离散格式选用二阶的迎风格式，采用SIMPLE算法，计算直到残差曲线收敛，通过这样的设置，可以精确真实地模拟出流场的变化。

表1 边界条件的设置

3 后视镜造型优化结果及分析

图5 后视镜原始模型与优化模型示意图

在气动噪声的试验中，由于背景噪声比较复杂，很难测出后视镜产生的噪声对总声压级的影响，但通过数值仿真的方法，能够很好地模拟出后视镜噪声对总声压级的影响，通常后视镜周围的流场是比较复杂的湍流流场，伴随气体的流动有着剧烈的压力脉动[14]，这正是气动噪声产生的主要诱因，通过改变后视镜结构能够很好的改善高速行驶车辆周围的外流场分布，从而改善车内噪声的水平[15]。本文所用基础后视镜如下图中Case0所示，气动声学理论及相关工程经验，通过改变后视镜壳体及后视镜连接杆，得到四种后视镜优化方案，即Case1、Case2、Case3、Case4，优化后的后视镜结构图5所示。

3.1 后视镜区域表面声源云图分析

图6为各方案后视镜区域的面声源云图，从中可以看出优化后的后视镜区域表面声源强度明显低于原状态后视镜区域的表面声源强度，且Case3方案略好于Case2方案与Case1方案，Case4方案的优化效果最好。

图6 后视镜区域表面声源云图

3.2 后视镜区域体声源云图分析

图7 后视镜区域体声源云图

针对模型后视镜区域的体声源结果分析，我们在车体后视镜区域不同高度的位置做4个水平界面，重点对比这四个截面上的结果。从图7中可以看出截面上的体声源分布，Case4优化模型的体声源明显小于Case0原始模型和Case1、Case2、Case3优化模型，说明Case4优化方案的优化效果最佳。

通过对基础模型与优化方案外场声源强度的定性分析，可以看出，对后视镜造型进行合理优化，能有效降低汽车外场的声源强度。为验证后视镜造型对内场风噪声的影响，接下来以后视镜原始状态Case0和最佳优化方案Case4为模板进行内场风噪声响应的对比分析。

4 噪声优化结果及分析

用STAR-CCM+流体分析软件计算基础车型（Case0后视镜）与优化车型（Case4后视镜）进行瞬态流场仿真，得到外流场的数据，然后导入声学软件Virtual lab中进行声压级的计算。为保证计算结果的一致性，基础车型计算模型与优化车型计算模型采用除后视镜外完全相同的网格模型，且保证数据采集点的位置完全相同，具体方案如下图。

图8 声场计算模型

图9 基础车型后视镜（Case0）与优化车型后视镜（Case4）对比图

图10 场点网格设置示意图

4.1 驾驶员左耳声压总级优化对比

由图11可以看出优化车型驾驶员左耳处总声压级为63.9dB (A)，明显低于基础车型驾驶员左耳处总声压级64.9 dB(A)，说明对后视镜造型进行优化可有效降低内场噪声。

图11 总声压驾驶员左耳处的声压响应

4.2 后视镜噪声优化对比

图12 后视镜噪声在侧窗玻璃上的压力响应

由图12可知优化后的后视镜噪声在侧窗上的声压响应[16]明显好于基础车型，由图13可知优化车型声致声压级明显低于基础车型，说明优化后的后视镜表面噪声在人耳处的响应明显降低。

图13 后视镜噪声在驾驶员左耳处的声压响应

4.3 侧窗湍流压力优化对比

由图14可知优化后车型湍流在侧窗后部的压力响应好于基础车型；由图15可知优化车型流致声压级好与基础车型流致声压级。

图14 湍流压力在侧窗玻璃上的压力响应

图15 湍流压力在驾驶员左耳处的声压响应

5 结论

（1）对后视镜造型进行优化可有效降低后视镜区域的气动声源强度。

（2）优化车型驾驶员左耳处计算的总声压级为63.9Db(A)，基础车型驾驶员左耳处计算的总声压级为64.9dB(A)，后视镜优化方案可有效降低内场风噪声。

（3）优秀的后视镜造型，可有效降低内场风噪声。

（4）可以在汽车开发前期通过数值仿真对后视镜造型进行优化，从而控制车内噪声。

[1] 谷正气.汽车空气动力学[M] .北京:人民交通出版社,2005: 61-62.

[2] DOBRZYNSKI W. The Effect of Fluctuation Pressures on the Body Surface of Passenger Cars on Interior Noise [D]. Berlin: Technical University of Berlin,1983.

[3] 赵冠军,刘正,吴立言.基于模态叠加法的声固耦合噪声仿真与实验[J].机械科学与技术.2007,26（12）:1633-1636.

[4] 陈福忠,项昌乐.车辆变速箱声振耦合系统的声学特性研究[J].噪声与振动控制,2010,1（2）:15-20.

[5] 王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[6] RODI W.DNS and LES of some engineering flows [J].Fluid Dynamics Research,2006,38:145-173.

[7] 肖志祥,陈海昕,李启兵,等.采用RANS/ LES 混合方法研究分离流动[J].空气动力学学报,2006 ,24(2):218 -222 .

[8] MEN TER F.Zonal k-ωtwo equation turbulence models for aerod-ynamic flow [C]//AIAA-93-2906.24th Fluid Dynamics Conference.Orlando, USA:AIAA,1993 .

[9] 吴军,谷正气,钟志华.SST 湍流模型在汽车绕流仿真中的应用[J] .汽车工程,2003 ,25(4):326-329.

[10] Ffowcs-Williams J E,Haw kings D L .Sound generation by turbul-ence and surfaces in arbitrary motion [J].Phil osophical Trans actions of the Royal Society America,1974,56:497-509.

[11] Zhu M,Hanaoka Y,Aoki K, et al.A numerical study of wind noise around front pillar [R].Detroit :SAE Paper 930296,1993.

[12] LANFRI T M .Best practice guidelines for hand ling automobile external aerodynamics with FIUENT [M].Darmstadt:Birkenw eg,l996: 243-249.

[13] 傅立敏.汽车空气动力学数值计算[M].北京:北京理工大学出版社, 2001:160.

[14] GRAF A, LEPLEY D, SENTHOORAN S.A Computational Approach to Evaluate the Vehicle Interior Noise from Greenhouse Wind Noise Sources-Part II[C].SAE Paper 2011-01-1620.

[15] 王毅刚,杨超,杨志刚,等.汽车外表面气动噪声特性分析[J］.声学技术,2014,33(1):50-55.

[16] Hoeld R, Brenneis A, Eberle A, et al.Numerical simulation of aeroacoustic sound generated by generic bodies placed on a plate:PartⅠ—Prediction of aeroacoustic sources[R].AIAA Paper 1999-1896.

The influence of rearview mirror modelling to internal aeroacoustic noise

Xu Zhibao, Wang Dongbin, Li Zhongyu, Xu Yinsheng
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

To effectively reduce the internal wind noise. By using the method of acoustic coupling analysis for a SUV car rearview mirror the original and optimization state of numerical simulation on internal aerodynamic noise, acoustic response of the driver's left ear side. The results show that the modelling of the rearview mirror in a reasonable manner optimization can improve the lateral flow field in turbulent fluctuating pressure of side window, reduce the acoustic pressure response of side window. The results show that the modelling of the rearview mirror in a reasonable manner optimization also can reduce the strength of rearview mirror surface source and the noise of the rearview mirror through the side window to the car,improve vehicle driving experience.

aeroacoustics noise; rearview mirror optimization; flow field; pressure fluctuation; sound pressure response

U467.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-127-05

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.043

许志宝，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。