摘 要：某款 SUV 車型設(shè)計(jì)過(guò)程中，為體現(xiàn)造型特征而設(shè)計(jì)鏤空式尾翼。通過(guò)聲學(xué)風(fēng)洞中油泥模型評(píng)估，發(fā)現(xiàn)鏤空式尾翼對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪非常不利。進(jìn)一步通過(guò)仿真分析研究鏤空式尾翼對(duì)風(fēng)噪性能的影響機(jī)理，研究表明尾翼中的鏤空區(qū)域使高速氣流直接沖擊后風(fēng)擋而產(chǎn)生風(fēng)噪。通過(guò)分析提出三種優(yōu)化方案，并通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。最終結(jié)果表明優(yōu)化方案有效，且與仿真分析結(jié)果一致。采用該優(yōu)化方案，既滿足了造型特征要求，又保證整車風(fēng)噪性能沒(méi)有明顯惡化。本研究為汽車尾翼設(shè)計(jì)的前期開(kāi)發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。

引言

汽車噪聲按照來(lái)源可以分為：發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲、行駛時(shí)的輪胎噪聲、以及氣動(dòng)噪聲等。研究發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)噪聲的聲源強(qiáng)度跟汽車速度的六次方成正比，而其它聲源強(qiáng)度僅隨速度的一到三次方增加[1]。當(dāng)車速達(dá)到 100 km/h 時(shí)，氣動(dòng)噪聲就成為汽車的主要噪聲源[2]。汽車尾翼作為空氣動(dòng)力學(xué)附加裝置，能夠降低汽車升力提高抓地力，同時(shí)改善汽車尾部流場(chǎng)降低行駛阻力。部分 SUV車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中為了提高造型的運(yùn)動(dòng)性和品牌個(gè)性，會(huì)采用鏤空尾翼設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)對(duì)整車風(fēng)噪的影響需要進(jìn)行深入研究。大部分學(xué)者主要研究 A 柱后視鏡區(qū)域氣動(dòng)噪聲通過(guò)前側(cè)窗玻璃傳播到車內(nèi)[3~5],本文將此方法運(yùn)用到汽車尾翼上將后風(fēng)擋玻璃作為噪聲的傳遞路徑，運(yùn)用流體仿真與統(tǒng)計(jì)能量分析模型（statistical energy analysis ，SEA）結(jié)合計(jì)算方法，模擬車外流體噪聲向車內(nèi)的傳播[6]。本文首先通過(guò)試驗(yàn)方法，對(duì)尾翼鏤空造型對(duì)風(fēng)噪性能的影響進(jìn)行評(píng)估。然后基于仿真分析的方法，分析鏤空尾翼對(duì)風(fēng)噪的影響機(jī)理。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出優(yōu)化方案，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證方案的有效性，提高整車風(fēng)噪水平。同時(shí)為汽車尾翼設(shè)計(jì)的前期開(kāi)發(fā)提供了一種仿真優(yōu)化方法。

1 鏤空式尾翼風(fēng)噪性能評(píng)估

整車造型設(shè)計(jì)中，為體現(xiàn)品牌個(gè)性和造型特征，某 SUV 車型提出采用鏤空式尾翼，需要評(píng)估該造型對(duì)整車風(fēng)噪的影響。本次風(fēng)噪評(píng)估基于整車油泥模型聲學(xué)艙（如圖 1），在全尺寸整車聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行。該車油泥模型通過(guò)數(shù)控機(jī)床銑削保證整體精度，同時(shí)為了真實(shí)的反應(yīng)車內(nèi)噪聲情況，在模型內(nèi)部掏出真實(shí)的駕駛艙并粘貼吸聲材料。試驗(yàn)時(shí)將人工頭放置在車內(nèi)前后排座椅上采集車內(nèi)風(fēng)噪數(shù)據(jù)，通過(guò)車外聲陣列捕捉車身外表面的聲源信息。

為了定量的評(píng)估尾翼鏤空對(duì)風(fēng)噪性能的影響，試驗(yàn)中將尾翼鏤空處填平（如圖 2）進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比兩組試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)差異，來(lái)衡量尾翼鏤空對(duì)車內(nèi)風(fēng)噪水平的貢獻(xiàn)量。

車內(nèi)噪聲的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)有 A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和語(yǔ)音清晰度( articulation index，AI)。A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)采用 A 計(jì)權(quán)對(duì)測(cè)得聲壓級(jí)信號(hào)進(jìn)行修正從而更好的反映人耳對(duì)噪聲的感受，用聲壓在整個(gè)頻帶上的總均方根值（Overall level(A),OA）衡量噪聲強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于噪聲測(cè)量當(dāng)中，是噪聲的常用評(píng)價(jià)指標(biāo)單位是 dB（A）。語(yǔ)音清晰度主要評(píng)價(jià)車內(nèi)噪聲對(duì)于駕乘人員信息交流的影響，將測(cè)得聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為 1/3 倍頻程曲線然后查找標(biāo)準(zhǔn) AI 頻譜得到各頻帶權(quán)重，通過(guò)各頻帶求和得到語(yǔ)音清晰度，該值越高表示車內(nèi)噪聲水平越好。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，首先分析尾翼鏤空與封閉外場(chǎng)聲源的區(qū)別。采用高精度外場(chǎng)聲學(xué)陣列進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別尾翼封閉與鏤空尾翼外聲場(chǎng)如圖 3 所示，可以看出，尾翼鏤空后，在尾翼處外場(chǎng)聲源明顯增大。

2 鏤空式尾翼風(fēng)噪機(jī)理分析

利用仿真軟件建立流場(chǎng)分析模型，為了分析尾翼問(wèn)題在尾翼地區(qū)進(jìn)行了局部加密。所建立的計(jì)算域長(zhǎng)為 11L（L 為車長(zhǎng)），高為 5H（H 為車高），寬為 9 W (W 為車寬)。流體仿真計(jì)算網(wǎng)格如圖 4所示。為了控制網(wǎng)格數(shù)量，在計(jì)算域內(nèi)車身周圍建立網(wǎng)格加密區(qū)，車身整體建立了三層加密區(qū),網(wǎng)格大小分別為 16 mm、32 mm、128 mm。同時(shí)為了更好地捕捉尾翼區(qū)域流場(chǎng)變化，在此處建立大小為2 mm 的局部加密區(qū)，最終生產(chǎn)約 5000 萬(wàn)體網(wǎng)格。

穩(wěn)態(tài)計(jì)算選用 Realizeble k-ε湍流模型。分離渦模擬（detach-eddy simulation，DES）結(jié)合了 RANS與 LES 優(yōu)點(diǎn)，本文采用基于 menter k-ε SST 湍流模型求解 Navier-Stokes 方程的 IDDES（improveddelayed detached eddy simulation ）方法[3]，兼顧網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算精度。計(jì)算瞬態(tài)時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為 0.1ms，采樣頻率 10000 Hz，可獲得 5000 Hz 以內(nèi)的聲壓信息，采樣時(shí)間設(shè)為 0.5s，能充分反映流動(dòng)特性。車外流場(chǎng)計(jì)算的邊界條件設(shè)置如表 2 所示。

氣流在通過(guò)后視鏡等車身突出物后會(huì)產(chǎn)生類似卡門渦街的渦流，會(huì)在車窗玻璃上產(chǎn)生脈動(dòng)壓力，導(dǎo)致車窗振動(dòng)向車內(nèi)傳遞噪聲（流致噪聲）。同時(shí)紊亂的氣流之間相互碰撞本身也會(huì)產(chǎn)生聲源通過(guò)聲輻射的方式向車內(nèi)傳遞（聲致噪聲）。

參照對(duì)后視鏡的仿真方法，瞬態(tài)計(jì)算后提取后風(fēng)擋玻璃處壓力、速度、密度等流場(chǎng)信息，采用LIGHTHILL 聲類比方法計(jì)算噪聲源傳播。通過(guò)波束分解[7]將提取的流場(chǎng)信息分為流致噪聲與聲致噪聲結(jié)果如圖 5，分別將兩者作為激勵(lì)源加載到 SEA 模型上得到車內(nèi)噪聲響應(yīng)。

通過(guò)尾翼封閉和鏤空的流場(chǎng)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)尾翼鏤空后，氣流直接沖擊后風(fēng)擋產(chǎn)生風(fēng)噪，相當(dāng)于增加了額外的聲源，直接通過(guò)后風(fēng)擋玻璃傳入車內(nèi)。流場(chǎng)仿真結(jié)果如圖 7 所示，該切片圖用速度染色，可以看到鏤空尾翼后風(fēng)擋上氣流速度明顯更大，即氣流沖擊后風(fēng)擋上更激烈，使車內(nèi)噪聲更大。

3 鏤空式尾翼風(fēng)噪優(yōu)化

對(duì)于鏤空尾翼風(fēng)噪優(yōu)化的思想主要是“疏”和“堵”。“疏”就是改變氣流的方向讓原本沖擊到后風(fēng)擋上的氣流向上抬高，從后風(fēng)擋上方流過(guò)；“堵”就是之間減少通過(guò)鏤空尾翼的氣流量，減少?zèng)_擊在后風(fēng)擋上的氣流從而改善風(fēng)噪性能。根據(jù)氣動(dòng)噪聲源的產(chǎn)生機(jī)理和物理模型，流場(chǎng)中的聲源可以分為如圖 8 所示的三類噪聲源：①單極子聲源，一個(gè)閉合系統(tǒng)內(nèi)由于不穩(wěn)定的系統(tǒng)體積增加或減少產(chǎn)生的，例如活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲。單極子聲源的輻射聲功率可以用公式 1 計(jì)算；②偶極子聲源，是由流體的非定常壓力作用在剛性表面上產(chǎn)生的，例如脈動(dòng)噪聲、風(fēng)振噪聲，偶極子聲源的輻射聲功率可以用公式 2 計(jì)算；③四極子聲源，是由在湍流剪切層中的兩個(gè)流體單元的互相碰撞，使得在流動(dòng)中產(chǎn)生了波動(dòng)的粘性力而產(chǎn)生，四極子聲源可以等效為兩個(gè)彼此平行的相距很近的偶極聲源。四極子聲源的輻射聲功率可以用公式 3 計(jì)算。

3.1 尾翼前加導(dǎo)流條

在鏤空尾翼的正前方設(shè)計(jì)一高度為 19mm 的導(dǎo)流條如圖 9 所示，使車頂氣流盡可能從尾翼上表面流過(guò)。

優(yōu)化方案的流場(chǎng)仿真結(jié)果如圖 10 所示，從四極子聲源可以發(fā)現(xiàn)安裝導(dǎo)流條使得尾翼前方來(lái)流向上抬升，從而流過(guò)尾翼后向上抬高增大了與后風(fēng)擋的距離減少噪聲源向車內(nèi)輻射。從偶極子聲源上看安裝導(dǎo)流條后風(fēng)擋玻璃上聲源明顯減少，偶極子聲源主要表示壓力脈動(dòng)的強(qiáng)度因此裝導(dǎo)流條使得后風(fēng)擋玻璃上壓力脈動(dòng)減少通過(guò)振動(dòng)傳遞的噪聲減小。

3.2 尾翼中部支柱加寬

將鏤空尾翼中部支撐向兩側(cè)分別加寬 100mm，減少通過(guò)尾翼沖擊到后風(fēng)擋上的氣流，具體情況如圖 11 所示。

流場(chǎng)仿真結(jié)果如圖 12 所示，加寬中部支撐以后，尾部分離渦開(kāi)始朝后風(fēng)窗玻璃兩側(cè)擴(kuò)展，湍動(dòng)能不再只集中于后風(fēng)窗中部。后風(fēng)擋表面偶極子聲源（尤其是在中部支撐下方）明顯減小，在鏤空處四級(jí)子聲源明顯減弱。

3.3 尾翼進(jìn)口加寬

將鏤空尾翼進(jìn)口處沿 X 向填充，減小 X 向開(kāi)口尺寸，使尾翼開(kāi)孔進(jìn)氣減少如圖 13 所示。

流場(chǎng)仿真結(jié)果如圖 14 尾翼進(jìn)口加寬后使附著在后風(fēng)擋上的氣流向后發(fā)展，從而原先沖擊到后風(fēng)擋上的部分氣流現(xiàn)在繞過(guò)風(fēng)擋直接進(jìn)入了汽車尾渦區(qū)使得后風(fēng)擋上的偶極子聲源與四極子聲源均降低。

以上三種優(yōu)化方案的聲學(xué)仿真效果對(duì)比如表 3 所示。

3.4 優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果，選取效果最優(yōu)的方案 1 加工樣件，基于油泥模型聲學(xué)艙在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果車內(nèi) AI 提升 3.0%，OA 降低 3.9dB(A)，與仿真結(jié)果基本一致。且與尾翼鏤空處封閉的方案效果接近。表明尾翼前加導(dǎo)流條的方案，整車風(fēng)噪水平?jīng)]有明顯惡化。

4 結(jié)論

首先在聲學(xué)風(fēng)洞中評(píng)估了某款 SUV 鏤空式尾翼對(duì)風(fēng)噪性能的影響。針對(duì)尾翼鏤空使風(fēng)噪性能惡

化的問(wèn)題，建立 CFD 仿真模型以及 SEA 模型模擬車內(nèi)風(fēng)噪響應(yīng)，對(duì)鏤空尾翼關(guān)于風(fēng)噪的影響機(jī)理進(jìn)行深入分析。進(jìn)而針對(duì)鏤空尾翼提出了三種優(yōu)化方案。通過(guò)“疏”“堵”的氣流優(yōu)化思想改善了鏤空尾翼處流場(chǎng)。然后制作樣件評(píng)估，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性。在滿足尾翼鏤空造型的要求下，保證整車風(fēng)噪沒(méi)有明顯惡化。同時(shí)為汽車尾翼設(shè)計(jì)的前期開(kāi)發(fā)提供了一種仿真優(yōu)化方法，對(duì)后續(xù)尾翼造型設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)作用。