汽車風(fēng)振噪聲已成為當前汽車NVH領(lǐng)域關(guān)注的熱點問題之一，由于風(fēng)振噪聲產(chǎn)生機理的特殊性和有效控制存在的技術(shù)難點，開展汽車風(fēng)振噪聲快速預(yù)測方法、多因素影響規(guī)律及內(nèi)在機理分析和優(yōu)化控制研究，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。中國汽研風(fēng)洞中心通過研究已形成非常實用的汽車風(fēng)振噪聲控制低成本方案，將有效助力車企汽車風(fēng)振噪聲性能整體提升。本公眾號將通過三期內(nèi)容介紹相關(guān)研究成果，特別致謝風(fēng)振噪聲專家安長發(fā)博士的突出貢獻。

作者簡介

張全周博士： 中國汽研汽車風(fēng)洞中心風(fēng)噪性能開發(fā)工程師， 長期從事風(fēng)振噪聲研究與開發(fā)工作，相關(guān)研究成果已在JVC、Applied Acoustics、汽車工程等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表。

1. 引 言

導(dǎo)流板是當前較為主流的天窗風(fēng)振噪聲控制措施，但部分型式的導(dǎo)流板在抑制天窗風(fēng)振噪聲的同時，可能引入風(fēng)阻、高頻風(fēng)噪等額外問題，且導(dǎo)流板選型、設(shè)計較為復(fù)雜，中國汽研汽車風(fēng)洞中心擬尋求一種可替代導(dǎo)流板的風(fēng)振噪聲控制方案，本期將著重進行介紹。

2. 子空腔的構(gòu)建

考慮天窗前緣前端面、雨水槽及前橫梁等結(jié)構(gòu)特點，提出基于子空腔的新型控制結(jié)構(gòu)方案，如圖1（a）所示。天窗前緣子空腔結(jié)構(gòu)形式簡單，僅需額外添加一平直擋板即可實現(xiàn)。擋板由上、下兩部分組成，下部擋板固連于天窗前橫梁，而上部擋板可在下部擋板中滑入、滑出，由此對應(yīng)天窗的關(guān)閉和開啟狀態(tài)。圖1（b）所示為天窗前緣子空腔的縱向中截面結(jié)構(gòu)示意圖。雨水槽的形式相對固定、不易更改，故子空腔的結(jié)構(gòu)形式實際上是由固連在天窗前橫梁上的擋板所決定的。擋板相關(guān)的設(shè)計參量包括：擋板高度HSC（mm）和安裝角度ASC（°）。

現(xiàn)給定兩種子空腔初步方案（見表1），后續(xù)將基于此初步設(shè)計方案，對子空腔的降噪作用進行分析。以下計算分析均在天窗風(fēng)振噪聲最嚴重的車速（V1=90km/h）工況下展開。


圖1 基于子空腔的新型控制結(jié)構(gòu)方案

表1 子空腔初步方案


2. 子空腔降噪作用分析

降噪效果分析

圖2對比了原始城堡型導(dǎo)流板和子空腔初步方案所對應(yīng)的聲壓級頻譜。結(jié)果顯示，原始城堡導(dǎo)流板對應(yīng)的風(fēng)振噪聲聲壓級峰值為142.7dB@24Hz，1#子空腔和2#子空腔所對應(yīng)的風(fēng)振噪聲聲壓級峰值分別為136.4dB@24Hz和111.4dB@24Hz。相比于原始城堡導(dǎo)流板，1#子空腔和2#子空腔所對應(yīng)的風(fēng)振主頻率均未發(fā)生變化，而其風(fēng)振噪聲聲壓級峰值Peak SPL均有一定程度下降，降幅分別為6.3dB和31.3dB?？梢?，天窗前緣子空腔確實可起到天窗風(fēng)振噪聲抑制抑制作用，但對應(yīng)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的子空腔，其降噪效果差異巨大。


圖2 原始城堡型導(dǎo)流板和子空腔初步方案所對應(yīng)的聲壓級頻譜

降噪機制分析

在明確了天窗前緣子空腔的降噪效果以后，基于時均流場結(jié)果，對其降噪機理進行探究。圖3（a）和（b）分別顯示了1#子空腔和2#子空腔所對應(yīng)的天窗區(qū)域速度云圖及Q準則云圖?？梢钥闯?，以天窗前緣子空腔替換掉原始的城堡型導(dǎo)流板后，車外來流在天窗前緣即發(fā)生第一次流動分離；由于子空腔的存在，此次流動分離被抑制，分離流近似水平的掠過子空腔開口，并在子空腔后緣發(fā)生二次分離。1#子空腔后緣壁面（即擋板）略低于天窗前緣，且傾斜角度較小，二次分離后，分離流沿斜下方侵入車內(nèi)，并在天窗中后部、后緣下方區(qū)域形成尺度較大的馬蹄渦；但是，相較于原始城堡型導(dǎo)流板（圖3（c）），該馬蹄渦的尺度有所減小，侵入深度更淺，故1#子空腔略微改進了實車的天窗風(fēng)振噪聲性能。對于2#子空腔，由于其后緣壁面略高于天窗前緣，且傾角較大，其對上游來流的阻礙作用更為明顯，相應(yīng)地，分離流仍近似沿水平方向向天窗后緣遷移，并在天窗中后部、后緣同一水平高度區(qū)域形成尺度較小的馬蹄渦；較原始城堡型導(dǎo)流板和1#子空腔，該馬蹄渦的尺度和侵入深度明顯減小，故2#子空腔風(fēng)振噪聲抑制效果更佳。





圖3 1#子空腔、2#子空腔及原始城堡型導(dǎo)流板所對應(yīng)的天窗區(qū)域速度云圖及Q準則云圖

3. 子空腔的優(yōu)化設(shè)計

天窗前緣子空腔可起到天窗風(fēng)振噪聲抑制抑制作用，但對應(yīng)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的子空腔，其降噪效果差異巨大。為達到更好的降噪效果，引入LHD-Kriging方法，結(jié)合多島遺傳算法（MIGA），對子空腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

優(yōu)化問題描述

子空腔的結(jié)構(gòu)形式由擋板相關(guān)的設(shè)計參數(shù)，即擋板高度HSC和擋板安裝角度ASC所決定；且此次優(yōu)化設(shè)計旨在改善實車天窗風(fēng)振噪聲性能。故選取為HSC和ASC作為設(shè)計變量，選取天窗風(fēng)振噪聲聲壓級峰值Peak SPL作為響應(yīng)。

設(shè)計變量HSC和ASC受到天窗前緣空間結(jié)構(gòu)的約束，且優(yōu)化后的響應(yīng)Peak SPL應(yīng)較初步方案更低。故可將子空腔的優(yōu)化設(shè)計問題描述為：



試驗設(shè)計

鑒于拉丁超立方試驗設(shè)計（LHD）方法具有良好的空間填充能力，可以使樣本點盡可能地覆蓋整個設(shè)計空間，基于該方法進行樣本空間構(gòu)造。試驗設(shè)計方案如表2所示。

表2 子空腔試驗設(shè)計方案


近似模型構(gòu)建

鑒于Kriging近似模型方法在擬合非線性及局部突變問題時的優(yōu)越性，基于該方法進行近似模型構(gòu)建。依據(jù)表2所示試驗設(shè)計方案，構(gòu)建了擬合設(shè)計變量HSC、ASC與響應(yīng)Peak SPL間關(guān)系的Kriging近似模型，其響應(yīng)面如圖4所示，可以看出設(shè)計變量與響應(yīng)之間存在明顯的非線性關(guān)系。

在設(shè)計空間上隨機選取3組樣本點作為驗證組，經(jīng)數(shù)值計算獲取相應(yīng)樣本點處的FVM計算值，相應(yīng)地，各樣本點處Kriging預(yù)測值的相對誤差如表3所示。可以發(fā)現(xiàn)，各樣本點處Kriging預(yù)測值的相對誤差均在4.1%以內(nèi)，其精度符合工程要求，可用于子空腔的優(yōu)化設(shè)計。


圖4 擬合設(shè)計變量HSC、ASC與響應(yīng)Peak SPL間關(guān)系的Kriging近似模型

表3 子空腔：隨機樣本點處Kriging預(yù)測的相對誤差


全局尋優(yōu)

鑒于多島遺傳算法魯棒性強、高效、易于進化至全局最優(yōu)解等優(yōu)點，此處選取該方法進行全局尋優(yōu)。經(jīng)50代進化，響應(yīng)Peak SPL收斂至最小值94.6dB，對應(yīng)的設(shè)計變量HSC=54mm，ASC=80°。如表4所示，對比FVM計算值，MIGA尋優(yōu)結(jié)果與之吻合良好，由此進一步證實了Kriging近似模型的準確性，以及MIGA全局尋優(yōu)的有效性。

表4 全局尋優(yōu)結(jié)果驗證


4. 子空腔優(yōu)化控制效果分析

圖5對比了原始城堡型導(dǎo)流板、2#子空腔初步方案及子空腔MIGA優(yōu)化方案所對應(yīng)的聲壓級頻譜。可知：相比于原始城堡型導(dǎo)流板，2#子空腔初步方案對應(yīng)的風(fēng)振噪聲聲壓級峰值Peak SPL由142.7dB降低至111.4dB，降幅達31.3dB；經(jīng)多島遺傳算法全局尋優(yōu)，子空腔MIGA優(yōu)選方案對應(yīng)的Peak SPL又進一步降低了15.1dB，至96.3dB，降幅高達46.4dB。至此，成功消除了該實車的天窗風(fēng)振噪聲問題。


圖5原始城堡型導(dǎo)流板、2#子空腔初步方案及子空腔MIGA優(yōu)化方案所對應(yīng)的聲壓級頻譜對比

5 總 結(jié)

圍繞汽車風(fēng)振噪聲預(yù)測方法與優(yōu)化控制問題，在風(fēng)振噪聲專家安長發(fā)博士的指導(dǎo)下，中國汽研風(fēng)洞中心開展了汽車風(fēng)振噪聲計算模型與分析、基于時變車速狀態(tài)的風(fēng)振噪聲快速預(yù)測方法及應(yīng)用、考慮車速-側(cè)風(fēng)耦合的風(fēng)振噪聲預(yù)測模型建模及應(yīng)用、抑制前緣旋渦脫落的風(fēng)振噪聲優(yōu)化控制方案，以及道路試驗驗證等一系列工作。

此次通過三期內(nèi)容系統(tǒng)總結(jié)了現(xiàn)有風(fēng)振噪聲控制方法的優(yōu)勢與不足，呈現(xiàn)了一套完整的流道-開槽導(dǎo)流板控制方案設(shè)計開發(fā)流程，并提出了一種基于子空腔的新型控制結(jié)構(gòu)方案，為改善汽車風(fēng)振噪聲問題提供了簡潔實用的低成本方案。

中國汽研風(fēng)洞中心針對汽車風(fēng)振噪聲相關(guān)問題開展了一系列工作，且取得了一定成果，后續(xù)將進一步深化相關(guān)研究內(nèi)容，并將研究成果系統(tǒng)化、實用化，以助力行業(yè)汽車風(fēng)振噪聲性能的整體提升。