楊振東,谷正氣,謝 超,宗軼琦,江財貿(mào),張啟東

(1.湖南大學(xué),汽車車身先進設(shè)計與制造國家重點實驗室,長沙 410082； 2.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院,長沙 410208；3.神龍汽車有限公司,武漢 430056)

前言

隨著車輛速度的不斷提高和機械噪聲(如發(fā)動機和傳動系的噪聲等)得到較好的有效控制,氣動噪聲問題已日益凸顯,得到國內(nèi)外大量學(xué)者的關(guān)注[1-6],尤其是汽車風(fēng)振噪聲的研究[7-20]。風(fēng)振噪聲具有強度高而頻率較低的特征,會使車內(nèi)乘員產(chǎn)生極為強烈的不適感,直接影響乘坐舒適性,而長時間的風(fēng)振噪聲會對乘員的身心產(chǎn)生影響進而導(dǎo)致行駛安全性的隱患。研究汽車風(fēng)振噪聲的特性及其變化規(guī)律,并對其進行有效的控制,從而提高汽車乘坐的舒適性,具有很重要的意義。

文獻[7]中率先開展了汽車側(cè)窗開啟時風(fēng)振噪聲的研究,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)汽車在開啟一個或一個以上側(cè)窗的情況下,當(dāng)達到一定車速后,會產(chǎn)生讓人耳不舒適的脈動壓力,他們稱之為“風(fēng)律動(wind throb)”,后來把這種現(xiàn)象稱為“共振(resonance)”[8-10],近年來,大多數(shù)學(xué)者用“風(fēng)振(wind buffeting)”來描述這一類氣動噪聲[11-17]。天窗風(fēng)振噪聲的特性及其控制方法已經(jīng)得到了大量的研究[12-16],而側(cè)窗風(fēng)振噪聲特性及其控制的研究則較少,已有的研究成果表明單開后窗的風(fēng)振噪聲比單開前窗風(fēng)振噪聲劇烈得多[17-18],文獻[18]中從風(fēng)振能量耗散的方式揭示了其原因。以上研究大多是利用CFD數(shù)值模擬去分析某一車速下側(cè)窗風(fēng)振噪聲的產(chǎn)生機理,對風(fēng)振噪聲與車速之間的關(guān)系鮮有論證,不同側(cè)窗開啟引起的風(fēng)振噪聲很少有試驗數(shù)據(jù)作為支撐；事實上前后側(cè)窗的結(jié)構(gòu)不同,因此不同側(cè)窗開啟引起的風(fēng)振噪聲特性存在差異,而目前國內(nèi)外對側(cè)窗風(fēng)振噪聲特性差異尚無研究。

本文中首先在對汽車風(fēng)振噪聲產(chǎn)生機理進行分析,然后針對不同車速時不同側(cè)窗開啟引起的風(fēng)振噪聲道路試驗結(jié)果進行分析,以尋求不同側(cè)窗開啟風(fēng)振特性差異,獲取風(fēng)振噪聲變化的規(guī)律,為汽車側(cè)窗風(fēng)振噪聲的控制提供參考,對于提高我國汽車的乘坐舒適性和間接提高行車的安全性,具有較大的理論意義和實際應(yīng)用價值。

1 汽車風(fēng)振噪聲產(chǎn)生的機理

汽車風(fēng)振噪聲可歸結(jié)為一種空腔噪聲(cavity noise),當(dāng)汽車側(cè)窗或天窗打開時,車廂內(nèi)的空腔在開口的上游邊緣(前緣)處存在著不穩(wěn)定的剪切層[13-15],使渦旋在這個位置脫落并隨著氣流一起向下游流動。當(dāng)它們撞擊到開口的后緣時,渦旋破碎,產(chǎn)生一個向四面?zhèn)鞑サ膲毫Σ?。?dāng)反饋的壓力波到達開口的前緣,將再次引發(fā)渦旋脫落,引起剪切層產(chǎn)生一個特定的振蕩頻率,文獻[10]中提出剪切層渦旋脫落模態(tài)頻率預(yù)估公式為

式中:u∞為自由來流速度；l為開口流向上的尺寸,對于形狀不規(guī)則的側(cè)窗而言,其值為流向上的算術(shù)平均值；n為剪切層的模態(tài)數(shù)。

如果渦旋脫落的頻率與車廂的固有頻率相等,將會發(fā)生亥姆霍茲共振。亥姆霍茲共振頻率取決于車速、開口形狀、車廂空間大小等,預(yù)測共振頻率的經(jīng)驗公式為

式中:Dh為開啟區(qū)域的等效水力直徑,其值為過流斷面面積的4倍與周長之比；S為開窗開啟區(qū)域的面積；c為聲速；V為乘員艙體積；h為開口區(qū)域的深度。

汽車風(fēng)振噪聲在一定的車速度范圍內(nèi)存在,風(fēng)振噪聲的產(chǎn)生是聲反饋和亥姆霍茲共振兩種機制共同作用的結(jié)果[15]:當(dāng)某一來流風(fēng)速引起車窗開口處渦旋脫落的頻率接近或等于乘員艙的固有頻率時,發(fā)生亥姆霍茲共振頻率“鎖定(lock in)”現(xiàn)象,此時風(fēng)振噪聲的幅度最強；當(dāng)渦旋脫落的頻率遠(yuǎn)離乘員艙的固有頻率時,亥姆霍茲共振“解除(lock off)”,此時風(fēng)振噪聲以聲反饋為主。

2 汽車側(cè)窗風(fēng)振噪聲道路試驗方法

側(cè)窗風(fēng)振的道路試驗采用LMS公司Test.Lab系統(tǒng),該系統(tǒng)集成了Test Lab 11B實驗分析軟件系統(tǒng)及24通道SCADAS便攜式數(shù)據(jù)采集前端。采用B＆K公司的1/4英寸電容式 40AE型傳感器和26CA型前置放大器。

依據(jù)GB/T 25982—2010規(guī)定的測試方法[21],監(jiān)測點測試傳感器的布置如圖1所示,分別標(biāo)注為mic1,mic2,mic3和mic7。在每次測試中,采樣時長為2.50s,采樣頻率為2 048Hz,頻率分辨率0.4Hz。測試路段車流量幾乎為零,避免了其他行車引起的噪聲干擾,新修建的瀝青路面降低了輪胎噪聲,天氣晴好,無風(fēng),溫度為25℃。只考慮了乘員艙內(nèi)兩人坐前排的方式。針對不同的側(cè)窗開啟模式和不同車速等多種工況,共進行了 120次測試。車速從60km/h開始,每個測試速度下測試3次。

試驗過程中,將側(cè)窗開啟,當(dāng)汽車勻速行駛時,記錄下監(jiān)測點的時域聲壓瞬時值p(t),則聲壓級(sound pressure level,SPL)定義為

式中:pe為聲壓有效值,；pref為參考聲壓,pref＝2×10-5Pa。

圖1 測試傳感器的布置示意圖

3 側(cè)窗風(fēng)振噪聲道路試驗結(jié)果與分析

根據(jù)道路試驗結(jié)果,選取兩種單一側(cè)窗開啟和兩種兩窗組合開啟等4種典型開啟模式進行分析。

3.1 單一側(cè)窗完全開啟

3.1.1 左前窗完全開啟

在左前窗完全開啟情況下,當(dāng)車速為60km/h時,4個監(jiān)測點的時域聲壓和聲壓級頻譜如圖2所示。從圖2(a)中可知,因為mic1直接受左前窗開啟的流體動力(aerodynamic forces)作用,壓力脈動程度最高,其他3個監(jiān)測點(mic2,mic3和mic7)的聲壓曲線變化趨勢一致,然而4個聲壓曲線均呈現(xiàn)隨機的現(xiàn)象,無明顯規(guī)律出現(xiàn)。從圖2(b)中可以看出,在整個聲壓級頻譜上,僅有單一峰值聲壓級存在,mic1,mic2,mic3和mic7的聲壓級峰值依次為124.57,120.65,122.10和121.55dB,其對應(yīng)的頻率均是12.4Hz；mic1的測量值均比其他傳感器高,隨著頻率的升高,其他3個傳感器與mic1的差值越來越大,這是因為乘員艙內(nèi)飾和座位對聲傳播均起到衰減作用,頻率越高,聲壓級衰減幅度越大,在其他車速下得到的規(guī)律也相同。

不同車速時mic1和mic3的風(fēng)振噪聲聲壓級峰值及其對應(yīng)的頻率如圖3所示。由圖可見:當(dāng)車速為85km/h時,聲壓級出現(xiàn)躍升；當(dāng)車速為95km/h時,風(fēng)振噪聲達到最大,因此該車速下的聲壓級峰值頻率14.8Hz為左前窗開啟時的共振頻率,與式(2)計算的亥姆霍茲共振頻率15.2Hz較為接近；風(fēng)振噪聲聲壓級峰值頻率隨車速的增加而升高。

圖2 左前窗開啟車速60km/h時監(jiān)測點聲壓和聲壓級

圖3 左前窗開啟時監(jiān)測點聲壓級峰值和頻率

3.1.2 左后窗完全開啟

左后窗完全開啟時,2個不同車速時監(jiān)測點的時域聲壓和聲壓級頻譜分別如圖4和圖5所示。與圖2(a)相比,時域聲壓波動范圍很大,呈現(xiàn)周期性脈動特性,曲線形狀近似成正弦曲線。當(dāng)車速為60km/h時,3個聲壓級峰值頻率(階次頻率)呈現(xiàn)近似等間距的分布,表明此車速下的風(fēng)振噪聲呈現(xiàn)準(zhǔn)諧振(quasi-harmonic)特性。當(dāng)車速為110km/h時,每個監(jiān)測點的聲壓幅值近似相等,3個階次頻率分別為17.6,35.2和52.80Hz,呈現(xiàn)等間距分布,表明此車速下風(fēng)振噪聲呈現(xiàn)諧振特性,此諧振的特征頻率是第1階次頻率(基頻)。因此在單一后窗完全開啟模式下,風(fēng)振噪聲是一種周期性脈動壓力的自激振蕩所致,聲壓級頻譜呈現(xiàn)多諧振蕩特性。

同時從圖4和圖5中可以看出,mic1,mic2和mic7采集到的聲壓級相差不大,但后排mic3的測試的結(jié)果均高于其他3個傳感器,且隨著階次的升高,其差值越來越大。原因有兩方面:(1)mic3處于開啟的左后窗附近,剪切層脫落的渦旋直接作用在mic3上,受流體動力的作用,導(dǎo)致mic3的聲壓級高于其他的傳感器；(2)在聲傳播過程中,由于乘員艙內(nèi)飾的吸聲和乘員對聲的傳播均起到一定程度的衰減,尤其對高階次的聲壓級衰減幅度較大,因此3個傳感器(mic1,mic2和mic7)相對于左后窗附近的傳感器(mic3),采集到的聲壓信號在第2階次和第3階次聲壓級衰減幅度很大,達到7dB以上。

圖4 左后窗開啟車速60km/h時監(jiān)測點聲壓和聲壓級

圖5 左后窗開啟車速110km/h時監(jiān)測點聲壓和聲壓級

mic3臨近左后窗開口區(qū)域,其所監(jiān)測到的聲壓級的第1階次頻率即為渦旋脫落的頻率。mic3的前3階次聲壓級及其頻率如圖6所示。根據(jù)式(2)估算出單一左后窗開啟模式下乘員艙內(nèi)亥姆霍茲共振頻率為17.2Hz(St＝0.36),與圖6(b)中車速110km/h時mic3的第1階次頻率(基頻頻率)17.6Hz幾乎相等,頻率的“鎖定(lock in)”現(xiàn)象出現(xiàn),乘員艙發(fā)生亥姆霍茲共振,因此圖6(a)中mic3的每1階次聲壓級均比其他車速下的聲壓級高。在其他車速下,也均呈現(xiàn)較高的聲壓級,因為渦旋脫落的頻率接近乘員艙共振頻率時,剪切層提供足夠的驅(qū)動力,激起乘員艙的不同程度的共振。亥姆霍茲共振加劇了剪切層的擾動[14],剪切層的渦旋脫落和乘員艙內(nèi)壓力脈動均呈現(xiàn)周期性的變化,從圖6(b)可以看出,每1階次的頻率均隨著車速升高而增加,每一車速下的階次頻率均呈現(xiàn)近似等間距分布的特性,表明左后窗開啟模式下風(fēng)振噪聲呈現(xiàn)準(zhǔn)諧振或諧振的特性。

3.2 兩側(cè)窗組合開啟

3.2.1 左邊前后側(cè)窗同時完全開啟

左邊前后側(cè)窗同時開啟模式下,車速110km/h時監(jiān)測點聲壓級頻譜如圖7所示。4個監(jiān)測點僅出現(xiàn)單一的峰值,峰值聲壓級依次為134.23,133.53,141.29和136.26dB,對應(yīng)頻率均為18.8Hz。與圖5相比,可以看出,在同樣的車速條件下,與單一左后窗開啟相比,左側(cè)前后側(cè)窗開啟時的聲壓級峰值降低了10dB以上。

圖6 左后窗開啟mic3階次聲壓級和頻率

圖7 左兩側(cè)窗開啟車速110km/h時聲壓級頻譜

不同車速時,mic1和mic3的聲壓級峰值及其頻率如圖8所示,車速115km/h時聲壓級峰值達到最大,隨后出現(xiàn)階躍性的下降,因此19.2Hz是左邊前后側(cè)窗同時開啟模式下的共振頻率,比單一后窗開啟的共振頻率17.6Hz升高了1.6Hz。

圖8 左邊前后側(cè)窗開啟不同車速時聲壓級峰值和頻率

圖9 兩后窗開啟車速120km/h時聲壓和聲壓級頻譜

3.2.2 兩后窗同時完全開啟

兩后窗同時開啟模式下,車速為120km/h時監(jiān)測點聲壓和聲壓級頻譜如圖9所示。由圖可見:監(jiān)測點的時域聲壓均類似正弦曲線變化,每個監(jiān)測點的聲壓均呈現(xiàn)近似等幅值變化；聲壓級頻譜均出現(xiàn)4個階次,階次頻率依次為 21.6,43.2,64.8和86.4Hz,階次頻率成倍數(shù)關(guān)系,完全呈現(xiàn)諧振的特性,因此兩后窗開啟模式下,共振頻率為21.6Hz(St＝0.41),mic3第1階聲壓級峰值達162.2dB,比單一后窗開啟模式時的156dB(車速110km/h),增加了6dB以上,共振的無量綱頻率St值由0.36遷移到0.41。

在兩后窗同時開啟時,mic1和mic3監(jiān)測點的前2階次聲壓級和頻率如圖10所示。由圖可見:階次頻率均隨著車速上升而上升,呈現(xiàn)準(zhǔn)諧振的特點；第1階次聲壓級隨車速升高而上升,而第2階次聲壓級均呈現(xiàn)不同程度的衰減。

圖10 兩后窗開啟mic1和mic3階次聲壓級和頻率

由于高速公路的限制,無法得到風(fēng)振噪聲“l(fā)ock off(解除)”車速。將圖10(a)與圖5(b)相比,在發(fā)生共振時,兩后窗開啟模式下mic3第1階聲壓級較高,兩后窗開啟引起的風(fēng)振噪聲較強。

按照排列組合,還有一些其它側(cè)窗開啟方案,實際上都做了試驗,甚至包括3窗開啟和4窗全開。之所以沒有提及,是因為試驗發(fā)現(xiàn),只要有一個前窗開啟,不論其它側(cè)窗如何開閉,皆呈現(xiàn)同一規(guī)律,即每個監(jiān)測點的時域聲壓呈現(xiàn)出隨機特點,每個監(jiān)測點的聲壓級頻譜只呈現(xiàn)單一的峰值頻率,無多諧振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)。

4 不同側(cè)窗風(fēng)振噪聲特性差異分析

由前面道路試驗可知,單一后窗開啟引起的風(fēng)振噪聲較強,頻譜出現(xiàn)多個階次,呈現(xiàn)準(zhǔn)諧振或者諧振的特性；前窗開啟引起的風(fēng)振噪聲僅呈現(xiàn)單一的峰值特性,風(fēng)振噪聲較弱,不存在準(zhǔn)諧振或者諧振特性。當(dāng)有前窗參與組合開啟的情況下,風(fēng)振噪聲聲壓頻譜曲線上并沒有出現(xiàn)多諧振蕩特性。這可從兩方面來解釋。

(1)前后窗結(jié)構(gòu)形狀的影響 前后窗開口區(qū)域流向尺寸如圖11所示。根據(jù)式(2),渦旋脫落頻率與開口區(qū)域流向長度成反比。前窗完全開啟時,受A柱形狀影響,流向長度ln隨A柱形狀變化而發(fā)生變化,變化范圍較大；后窗完全開啟時,開口區(qū)域較為規(guī)則,開口流向長度ln變化較小,因此很容易發(fā)生多諧振蕩現(xiàn)象,因此有前窗參與的側(cè)窗組合開啟,具有某一特征頻率作為基頻的多諧振蕩特性不可能發(fā)生[20]。

圖11 前后側(cè)窗開啟開口區(qū)域上的流向尺寸

(2)側(cè)窗開口區(qū)域渦量的耗散 車速110km/h時,對單一側(cè)窗開啟模式下進行CFD數(shù)值模擬,流場3個切平面如圖12所示。單一前窗開啟時,前窗開口區(qū)域受后視鏡的尾渦和A柱的剪切流影響較大,兩種流動相互作用,導(dǎo)致能量耗散在車外；單一后窗開啟模式下,后視鏡尾流的長度通常是后視鏡直徑的4～5倍,對后窗開口前沿的來流邊界層影響較小,因此后窗開口前沿來流邊界層較薄,侵入乘員艙的渦量較大[20],乘員艙脈動壓力較大。前窗開啟情況下降低了乘員艙內(nèi)壓力脈動,因此帶有特征頻率作為基頻的多諧振蕩特性不能發(fā)生。

由前面的試驗可知,有前窗參與的側(cè)窗組合開啟均能有效降低風(fēng)振噪聲。這可從深腔共振的機理來解釋:當(dāng)側(cè)窗外氣體脈動壓力的能量通過開啟的側(cè)窗傳遞到車內(nèi)時,乘員艙內(nèi)的氣體就像彈簧一樣不斷地被壓縮和擴展。當(dāng)僅有一個側(cè)窗開啟時,進出側(cè)窗的氣流非常有限,導(dǎo)致彈簧效應(yīng),即氣流的壓縮和擴展過程更強,因此壓力波動非常大,風(fēng)振噪聲更強。當(dāng)前后兩個側(cè)窗組合開啟時,由于“通風(fēng)”效應(yīng)的存在,氣體的彈簧效應(yīng)減弱,壓力波動幅度減小,風(fēng)振噪聲也相應(yīng)地降低。

圖12 單一側(cè)窗開啟3個不同切平面渦量云圖

圖13 兩后窗開啟引起的駕駛員耳旁切平面脈動壓力

由前面的試驗還知,發(fā)生諧振時,兩后窗同時開啟引起的風(fēng)振噪聲比單一后窗開啟引起的風(fēng)振噪聲強。這是因為空氣流經(jīng)開口處,接近或產(chǎn)生共振時,乘員艙可以看做是2階質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng),對乘員艙內(nèi)部的激勵力等同于開口區(qū)域隨時域波動的壓力[15]。單一后窗開啟情況下,僅有一個隨時域波動的壓力作為驅(qū)動力,乘員艙可以看做是單一自由度的質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)；當(dāng)兩后窗同時開啟時,車速120km/s時,兩后窗開口區(qū)域剪切層均存在脈動壓力,如圖13所示,此時乘員艙可視為兩個自由度的質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)。由前面道路試驗可知,當(dāng)兩后窗同時開啟時,監(jiān)測點mic3和mic7的壓力振蕩具有同相位、等幅值的特點,也就意味著兩后窗開口區(qū)域的剪切層的驅(qū)動力具有同相位、等幅值的特點,相比于單一后窗開啟情況下,乘員艙內(nèi)空氣的剛度和阻尼增加,導(dǎo)致乘員艙內(nèi)具有更大幅值的壓力脈動,因此兩后窗同時開啟引起的風(fēng)振噪聲最強。

5 結(jié)論

(1)不同側(cè)窗開啟模式下,位于側(cè)窗開口區(qū)域附近的監(jiān)測點,受流體動力的作用,聲壓幅值和聲壓級均高于其他監(jiān)測點。

(2)由于前后窗開口區(qū)域形狀的不同,導(dǎo)致前后窗風(fēng)振噪聲特性存在差異:當(dāng)單一前窗完全開啟或有前窗參與的組合開啟情況下,聲壓級頻譜只呈現(xiàn)單一的峰值頻率,不存在多諧振蕩特性；在一定的速度范圍內(nèi),單一后窗開啟或兩后窗同時開啟情況下,聲壓脈動具有較強的規(guī)則性和周期性,聲壓級頻譜曲線均呈現(xiàn)多個階次,具有某一特征頻率作為基頻的多諧振蕩特性,即具有準(zhǔn)諧振或諧振的特點。

(3)單一前窗開啟模式下,由于后視鏡尾渦和從A柱脫落的剪切流的相互作用,導(dǎo)致更多能量耗散在車外；風(fēng)振噪聲幅度較低。而前后側(cè)窗組合開啟模式下,由于存在通風(fēng)效應(yīng),因此有前窗參與的組合開啟均能有效降低風(fēng)振噪聲。

(4)當(dāng)發(fā)生諧振時,單一后窗開啟模式下,侵入乘員艙的渦較大,乘員艙脈動壓力較強。而在兩后窗同時開啟模式下,由于開口區(qū)域剪切層驅(qū)動力具有同相位、等幅值的特點,導(dǎo)致乘員艙內(nèi)脈動壓力最強,所以風(fēng)振噪聲較強。諧振無量綱頻率由單一后窗開啟時的0.36增加到兩后窗同時開啟時的0.41。