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SUV A柱造型對氣動噪聲影響的分析與控制

2022-02-03 21:28:01·  來源：汽車NVH云講堂  
　
【摘要】市場調(diào)研客戶集中反映某SUV在車速100km/h以上，且有橫向風(fēng)的工況下，車內(nèi)前排能明顯感知A柱區(qū)域有“呼啦”聲。通過主觀評價，客觀測試及整車CFD分析，得
【摘要】市場調(diào)研客戶集中反映某SUV在車速100km/h以上，且有橫向風(fēng)的工況下，車內(nèi)前排能明顯感知A柱區(qū)域有“呼啦”聲。通過主觀評價，客觀測試及整車CFD分析，得出引起“呼啦”聲的主要原因是A柱區(qū)域分離區(qū)大及前車門玻璃隔聲差。運用CFD對A柱裝飾條關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合玻璃隔聲方案，設(shè)計多方案對比驗證，最終達(dá)到明顯減小“呼啦”聲的目的。最后本文提出了控制A柱氣動噪聲的設(shè)計原則，為SUV A柱氣動噪聲的工程設(shè)計與控制提供參考。
關(guān)鍵詞：氣動噪聲，A 柱造型，隔音玻璃
1.引言
根據(jù)J. D. Power and Associates 2012年中國新車質(zhì)量研究報告顯示：風(fēng)噪問題位居客戶抱怨前五，且有逐年上升趨勢。在車輛高速行駛時，一般車速超過80km/h時，風(fēng)噪聲對車內(nèi)有重要的影響，成為乘客抱怨和不舒適感的主要因素[1]。汽車風(fēng)噪聲[2][3]中起主導(dǎo)作用的是由車身表面壓力脈動產(chǎn)生的氣動噪聲，通過車身和玻璃向車內(nèi)四周輻射，這與車身的外造型直接相關(guān)。相關(guān)的研究表明車速每增加1倍，氣動噪聲增加18dB。在此背景下，各汽車公司投入大量的人力、物力、財力用于汽車風(fēng)噪性能開發(fā)。
國外學(xué)者在關(guān)于氣動噪聲方面做了大量的研究工作， A.R.George[2]闡述了汽車風(fēng)噪聲產(chǎn)生的理，指出汽車車身表面的脈動壓力對汽車車內(nèi)的氣動噪聲有著重要影響，而A柱、外后視鏡等區(qū)域是產(chǎn)生氣動噪聲的關(guān)鍵區(qū)域。國內(nèi)對汽車外氣動的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但仍存在不足，如江蘇大學(xué)曾采用比例模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗實現(xiàn)對汽車氣動噪聲的研究，但比例模型尺寸較小，無法反應(yīng)造型設(shè)計的細(xì)節(jié)，對指導(dǎo)工程實踐存在局限性[4] [5]。
本文針對某SUV車內(nèi)前排乘客感知A柱區(qū)域“呼啦”聲的問題，通過主觀評價，客觀測試及整車CFD仿真分析，得出引起“呼啦”聲的主要原因。運用CFD仿真對A柱氣動噪聲大的關(guān)鍵影響因數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合玻璃隔聲方案，設(shè)計多方案對比驗證，最終確定采用減小A柱段差和增強前側(cè)窗玻璃的隔音性能，達(dá)到明顯減小“呼啦”聲的目的，并提出了控制A柱氣動噪聲的一般原則。
2.問題描述及確認(rèn)
市場調(diào)研客戶集中反映：某SUV 100km/h以上的勻速工況下，車內(nèi)前排在前擋風(fēng)區(qū)域總能聽到一陣陣的“呼啦”聲，尤其是在橫向風(fēng)影響下，“呼啦”聲明顯加重。風(fēng)噪工程師對客戶提出的問題從主觀評價、CFD仿真分析以及客觀測試三方面進(jìn)行了確認(rèn)。
2.1主觀評價
將問題車與標(biāo)桿車進(jìn)行對比評價，評價結(jié)果如下：高速巡航時，標(biāo)桿車和問題車前排車門密封系統(tǒng)密封良好，無明顯的泄露聲。標(biāo)桿車前排A柱區(qū)域氣動噪聲比較線性，無雜亂的擾流聲，車內(nèi)隔聲效果好，語音通話質(zhì)量高；而問題車前排A柱區(qū)域存在較多雜亂的擾流聲，聽起來讓人煩躁，且車內(nèi)的隔聲效果明顯差于標(biāo)桿車，語音通話質(zhì)量差。
2.2風(fēng)噪客觀測試
對問題車在車速120km/h 0°偏角工況下的時域信號進(jìn)行FFT變換，再應(yīng)用濾波回放技術(shù)，認(rèn)定“呼啦”聲的頻率在3000-6000Hz。
2.3CFD仿真分析
由主觀評價可知，“呼啦”聲主要是在A柱和前側(cè)窗區(qū)域，為了找出前排乘客感知“呼啦聲”具體的位置，對問題車進(jìn)行CFD仿真計算，并與標(biāo)桿車進(jìn)行比對。
從流場對比看，在120km/h 0°偏角時問題車流過側(cè)窗的氣流主要集中在前側(cè)窗上段，而流向標(biāo)桿車前側(cè)窗的氣流比較均勻，如圖2示 ；在10°偏角工況下，問題車流向前側(cè)窗的氣流比標(biāo)桿車要多且雜亂，如圖3示。從A柱的分離區(qū)上看，問題車在A柱的分離區(qū)的長度、寬度分別比標(biāo)桿車長800mm，83mm，分離區(qū)明顯大于標(biāo)桿車，如圖4示。

從主觀評價、客觀測試及CFD仿真可知，造成前排乘客所感知的“呼啦”聲主要原因是氣流在A柱分離區(qū)大，從而造成分離區(qū)強烈的脈動壓力，產(chǎn)生大的氣動噪聲，且問題頻段在3000-6000Hz。
3.風(fēng)噪性能優(yōu)化目標(biāo)
根據(jù)風(fēng)噪性能提升的要求，優(yōu)化后問題車高速風(fēng)噪性能達(dá)到標(biāo)桿車水平，制定優(yōu)化目標(biāo)如下表1所示。
4. A柱CFD仿真優(yōu)化
針對問題車在A柱區(qū)域分離區(qū)大的問題，在不更改A柱造型的基礎(chǔ)上，可以優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)只有A柱與前擋風(fēng)玻璃之間的段差和迎風(fēng)面的寬度，如圖5所示。選擇A柱與前擋風(fēng)玻璃之間的段差12-20mm（兼顧A柱的造型風(fēng)格），迎風(fēng)面寬度10-25mm（兼顧駕駛員的障礙角），進(jìn)行CFD仿真優(yōu)化，得出最優(yōu)方案是A柱與前擋風(fēng)玻璃之間的段差18mm，迎風(fēng)面寬度20mm。優(yōu)化結(jié)果如表2所示： 120km/h時，0°工況下最優(yōu)方案比原狀態(tài)優(yōu)化幅度達(dá)到25%；120km/h時，10°工況下最優(yōu)方案比原狀態(tài)優(yōu)化幅度達(dá)到60%，但仍然與標(biāo)桿車存在差距。
表2 優(yōu)化方案與原狀態(tài)分離區(qū)進(jìn)行比較表
5.多方案優(yōu)化設(shè)計
為了彌補A柱優(yōu)化方案與標(biāo)桿車的差距，達(dá)到標(biāo)桿車風(fēng)噪性能水平。從增加A柱裝飾件（與前擋風(fēng)之間的段差18mm，迎風(fēng)面寬度20mm），增強前側(cè)窗的隔聲性能出發(fā)，制定以下四種優(yōu)化方案，如下表3所示。
6.試驗驗證
在道路上對Case 1~4進(jìn)行驗證和主觀評價， 120km/h時，0°工況下，聲壓級頻譜曲線比較如圖6示，語言清晰度曲線如圖7示。
Case 1：單方案驗證，僅增加A柱裝飾件；與原狀態(tài)相比，在3000-6000Hz聲壓級都有不同程度的降低，尤其是4000-5000Hz聲壓級改善明顯，車內(nèi)總聲壓級降低1.1dB，語言清晰度提升2.9%，主駕位置A柱區(qū)域噪聲改善較明顯，尤其是車速120km/h以上改善明顯；但前側(cè)窗有大量雜亂的擾流聲，主觀評價不可接受，這和前側(cè)窗玻璃的隔音效果有直接的關(guān)系。
Case 2：單方案驗證，僅增加前車門玻璃厚度（前車門玻璃厚度由3.5mm加厚至4.0mm）；相比原狀態(tài)，高速巡航車內(nèi)總聲壓級最高改善0.4dB，語言清晰度提升1.4%AI；在頻率4000-6000Hz之間聲壓級有改善。前排整體風(fēng)噪聲略微降低，但雜亂的擾流聲仍然明顯，Case 2效果不理想。
Case 3：單方案驗證，僅將前側(cè)窗玻璃更換為隔音夾層玻璃（厚度為4.0mm）；相比原狀態(tài)，總聲壓級降低2.6dB，語言清晰度提升6%AI；3000Hz以上高頻成分均有所下降，車內(nèi)整體的隔音效果大幅提升，隔絕了前排大部分雜亂的擾流聲，車內(nèi)變得很安靜，但在橫向風(fēng)較大的環(huán)境下，A柱的氣動噪聲仍然明顯。
Case 4：組合方案驗證，增加A柱裝飾件，并將前側(cè)窗玻璃更換為隔音夾層玻璃（厚度為4.0mm）；相對于原狀態(tài)，聲壓級降低1.3-2.7dB，語言清晰度提升6.1%AI-8.2%AI，具體的客觀測試數(shù)據(jù)如表4所示，側(cè)窗的雜亂的擾流聲很少，很輕微，在橫向風(fēng)較大的情況下，車內(nèi)的氣動噪聲變得很輕微。車內(nèi)的整體舒適感很好，且達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化目標(biāo)。
綜合考慮改善效果，最終確定采用增加A柱裝飾條，前側(cè)窗采用隔音夾層玻璃的組合方案（Case 4方案）。
7.A柱氣動噪聲設(shè)計原則
（1）一般在造型階段盡量將A柱與前擋風(fēng)玻璃之間的段差控制在12mm以內(nèi)，如果因造型限制，造成段差過大，可以通過增加A柱裝飾條的方法來減小段差，一般情況下裝飾條與A柱的段差控制在2mm以內(nèi)，裝飾條寬度控制在10-22mm，更有利于降低A柱區(qū)域的氣動噪聲。（2）A柱對改善4000-5000Hz頻段噪聲效果較好，玻璃加厚對4000-6000Hz頻段噪聲效果好，隔音玻璃對3000-6000Hz頻段噪聲改善明顯。
8.結(jié)論
本文針對某SUV車內(nèi)前排乘客感知A柱區(qū)域“呼啦聲”問題，通過主觀評價，客觀測試及整車CFD仿真分析，得出引起“呼啦”聲的主要原因。通過CFD優(yōu)化得出增加A柱裝飾條最優(yōu)方案，結(jié)合前側(cè)窗玻璃隔聲性能設(shè)計多方案優(yōu)化試驗驗證，達(dá)到明顯降低車內(nèi)前排“呼啦”聲的效果，得出以下結(jié)論：
（1）在造型階段應(yīng)高度關(guān)注A柱與前擋風(fēng)玻璃之間的段差、A柱的迎風(fēng)面寬度，而在產(chǎn)品上市后如果A柱局部氣動噪聲大，在不影響造型風(fēng)格的前提下可以通過增加A柱裝飾件方案減小噪聲源。
（2）應(yīng)用CFD仿真手段能夠找出氣動噪聲產(chǎn)生的原因及影響區(qū)域，為試驗方案的設(shè)計提供優(yōu)化方向。
（3）對改善高速風(fēng)噪而言，隔音玻璃方案改善的頻段要大于玻璃加厚方案的頻段，玻璃加厚方案改善的頻段要大于A柱裝飾件方案的頻段。
（4）SUV因造型比轎車高，在前側(cè)窗的擾流聲要明顯大于轎車，因此在中高檔SUV上采用側(cè)窗隔音玻璃能夠極大地改善前排擾流聲，提高乘客的舒適。
作者：張濤1,2 ，董國旭1,2 ，張軍1,2 ，賈文宇1,2 ，劉華1,2，王俊11
作者單位：長安汽車股份有限公司汽車工程研究總院 NVH 所，重慶，401120 2汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶，401120
來源：2017汽車NVH控制技術(shù)國際研討會論文集
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