背景

由于道路和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的顯著降低以及不斷推進(jìn)的電氣化，風(fēng)噪聲對(duì)汽車發(fā)展越來越重要。在汽車前期開發(fā)中企業(yè)對(duì)于風(fēng)噪也愈發(fā)重視，對(duì)于許多車輛， 在較高車速下，風(fēng)噪聲是車內(nèi)噪聲的主要貢獻(xiàn)者，除了風(fēng)噪聲的典型寬帶噪聲特征外，窄帶噪聲現(xiàn)象的破壞性更強(qiáng)；窄帶噪聲通常是由于流過尖銳的邊緣和共振間隙而發(fā)生的，但也可能是由聲波反饋到流場(chǎng)中造成的。

早在1973年，有學(xué)者首次通過低湍流風(fēng)洞中的機(jī)翼（NACA0012）對(duì)這些窄帶成分噪聲研究；此外許多其他作者也證實(shí)了前人的研究結(jié)果，并達(dá)成了一個(gè)共識(shí)：速度相關(guān)的音調(diào)頻率是按照一般的u3/2比例排列的階梯式結(jié)構(gòu)，隨著速度的增加，頻率從一個(gè)梯級(jí)跳到另一個(gè)梯級(jí)，每個(gè)梯級(jí)的比例為u0.8；


圖1 NACA 0012機(jī)翼

這種現(xiàn)象的發(fā)生與湍流和層狀邊界層或分離氣泡，以及一些能夠產(chǎn)生噪聲的障礙物有關(guān)，亦或是邊界層的不穩(wěn)定性導(dǎo)致的邊界層的頻率選擇性增長(zhǎng)。如圖1所示，通過對(duì)機(jī)翼以及后視鏡的分析，這種現(xiàn)象也可以發(fā)生在車輛的前后視鏡上。因?yàn)樗斜匾獥l件得到滿足：

（1）首先在沒有風(fēng)和前車的情況下，自由流的湍流很低，加上光滑的油漆和較短的車身，使得整車處于低雷諾數(shù)下；

（2）由于不利的壓力梯度或造型風(fēng)格/空氣動(dòng)力學(xué)特征，表面層狀邊界層分離；

（3）Tollmien-Schlichting不穩(wěn)定性在分離邊界層中被放大；

（4）后緣噪聲或與其他功能障礙物（如雨槽）的相互作用。導(dǎo)致邊界層對(duì)不穩(wěn)定性的頻率選擇性強(qiáng)化。

如果機(jī)翼上的航空聲反饋是由于不穩(wěn)定的層狀邊界層以及層狀脫離相結(jié)合而產(chǎn)生的，那么這種現(xiàn)象可以很容易地可以很容易地轉(zhuǎn)移到汽車外后視鏡上；在沒有流動(dòng)影響的情況下 （幾何障礙物、湍流器）的情況下，外后視鏡出現(xiàn)嘯叫聲的風(fēng)險(xiǎn)非常高；假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)化的典型的駕駛速度為140公里/小時(shí)，將鏡子的幾何形狀簡(jiǎn)化是一個(gè)半圓柱體，典型尺寸為直徑小于20厘米，根據(jù)得出的雷諾數(shù)可以清晰的發(fā)現(xiàn)其表面的層狀邊界層分離。

通過以上分析，為了解決汽車中類似的聲學(xué)反饋問題，人們迫切需要聲學(xué)和流場(chǎng)的雙向耦合?？蓧嚎s大渦流模擬（LES）原則上是合適的，因?yàn)樗紤]了聲學(xué)和流場(chǎng)的相互作用。但它必須照顧到數(shù)值偽影（numerical artifacts），這可能會(huì)干擾整個(gè)聲場(chǎng)。對(duì)聲學(xué)反饋的研究已經(jīng)有了幾十年的歷史，由于計(jì)算能力的穩(wěn)步增長(zhǎng)，已經(jīng)有可能通過以下方式解決反饋現(xiàn)象，在NACA 0012機(jī)翼上可以進(jìn)行直接數(shù)值模擬（DNS）來解決反饋現(xiàn)象；第一個(gè)關(guān)于汽車側(cè)后視鏡窄帶噪聲的數(shù)值研究是由斯圖加特大學(xué)發(fā)表的：將一個(gè)孤立的后視鏡安裝在平板上，并在平板上對(duì)齊，這樣的方式下，流場(chǎng)和壓力分布是與全車的DES相適配的。在此基礎(chǔ)上采用一個(gè)區(qū)域性的RANS/LES的方法，將其應(yīng)用于安裝在梅賽德斯-奔馳客車上的汽車側(cè)后視鏡，并將其和其他的數(shù)值模擬方法以及風(fēng)洞測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。通過對(duì)結(jié)果的分析，從中得出了四個(gè)改型方案，并通過CFD和風(fēng)洞進(jìn)行了測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)

為了確認(rèn)在開發(fā)新的外后視鏡的過程中能過觀測(cè)到嘯叫聲的問題，在各種工況（速度、偏航角）下，在位于辛德芬根的梅賽德斯-奔馳公司的航空聲學(xué)風(fēng)洞中對(duì)不同的幾何支架進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖2顯示了其中一個(gè)在梅賽德斯-奔馳乘用車上有明顯窄帶噪聲的開發(fā)幾何體。在大約1500赫茲處可以看到超過10分貝的強(qiáng)音峰，它隨著速度的增加而轉(zhuǎn)移到更高的頻率上。另外，在坎貝爾圖中，可以看到階梯式的音調(diào)結(jié)構(gòu)，這驗(yàn)證了航空聲學(xué)的跡象反饋 。


圖2

CFD模型建立

由于對(duì)整個(gè)車身進(jìn)行壁面分辨的LES會(huì)使計(jì)算量過大。因此出現(xiàn)了一個(gè)問題，那就是如何計(jì)算正確的流動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為此，采用了分區(qū)RANS/LES方法。圖3顯示了各自建模的區(qū)域分布。對(duì)車輛流場(chǎng)通過ke湍流模型進(jìn)行穩(wěn)定的RANS模擬求解，對(duì)后視鏡周圍提供局部執(zhí)行的LES邊界條件。


圖3

實(shí)驗(yàn)以及仿真結(jié)果

風(fēng)洞中測(cè)量的聲學(xué)頻譜代表了流動(dòng)部分外的傳聲器的平均PSD。在計(jì)算中傳聲器的位置被放置在接近于域邊界，與風(fēng)洞不同的是，它離外部鏡子只有幾分米的距離。

實(shí)驗(yàn)和模擬之間的第一個(gè)定性比較繪制在圖4中， 分析時(shí)速60公里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 可以看到五個(gè)頻率的異常。兩個(gè)主要的峰值出現(xiàn)在1340赫茲和1500赫茲，第五個(gè)峰值在2680赫茲是第一個(gè)峰值的諧波。在這之間，有兩個(gè)較弱的峰值，分別在1780赫茲和2220赫茲。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的兩個(gè)主要的峰值（1270赫茲，1430赫茲）在模擬中都有體現(xiàn)，第二個(gè)峰值明顯占優(yōu)勢(shì)。此外，有一個(gè)大約70赫茲的頻率轉(zhuǎn)移到較低的頻率。由于第一個(gè)峰值更弱，它的諧波不可見，但因此第二個(gè)峰值的諧波在2860 Hz。


圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

中間的峰值（1770 Hz, 2190 Hz）只有在進(jìn)一步的網(wǎng)格細(xì)化和x+, z+值小于20后才可見，看起來，由這是由于于后視鏡的三維結(jié)構(gòu)需要比準(zhǔn)2D機(jī)翼流更精細(xì)的表面分辨率。然而，與壁面平行的分辨率只能在StarCCM中細(xì)化但StarCCM+中各向同性，這不允許在流動(dòng)和橫向方向進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置。

仿真與與風(fēng)洞測(cè)量的偏差可視為為很小，但依然存在，這可能是由不同的邊界條件造成的。在風(fēng)洞測(cè)量中，即使是后視鏡上最小的幾何形狀差異以及其表面粗糙度的差異和流動(dòng)強(qiáng)度的變化都會(huì)導(dǎo)致或多或少的類似偏差；


圖5 截面渦流

為了更好地理解窄帶噪聲，觀察平行于流向的垂直截面上的渦流（見圖5），在圖中可以看到?；旧?，三種不同的邊界層現(xiàn)象是可以識(shí)別的，所有這些現(xiàn)象都始于設(shè)計(jì)邊緣的層狀邊界層的脫離；

（a）在面向車輛的一側(cè)，只形成了一個(gè)小的分離泡，但分離氣流立刻再次附著，最后在鏡子蓋的邊緣處分離。

（b）在鏡蓋的中間，有一個(gè)更大的層狀分離氣泡存在。剪切層變得不穩(wěn)定，發(fā)生湍流再附著。

（c）在外面，這種重新附著明顯向下游轉(zhuǎn)移，在鏡蓋的整個(gè)長(zhǎng)度上都存在。這也是二維Tollmien-Schlichting不穩(wěn)定性開始發(fā)展的地方，并最后與鏡柄相互影響；

根據(jù)實(shí)驗(yàn)以及仿真結(jié)果，為了減弱窄帶噪聲，鏡面幾何形狀必須被修改，以使分離的和不穩(wěn)定的層流剪切層可以不再與障礙物相互作用 ，或者由于長(zhǎng)度的原因，導(dǎo)致的湍流重新附著。然而，最簡(jiǎn)單的方法是避免任何層流分離或強(qiáng)迫早期過渡,但由于造型和空氣動(dòng)力學(xué)的要求，這通常是不可行的。

幾何修改

對(duì)于在開發(fā)過程中使用模擬方法，具有可靠地預(yù)測(cè)嘯叫聲的能力是至關(guān)重要的。因此，對(duì)后視鏡幾何形狀做了四個(gè)小的修改 （見圖6），然后通過仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)行檢查。在 V1和V2，設(shè)計(jì)邊緣向游移動(dòng)，以使分離的氣流在整個(gè)寬度上重新附著。此外，V2有一個(gè)更尖銳的設(shè)計(jì)邊緣。V3降低了設(shè)計(jì)邊緣，以減少頂部的分離。在V4中，鏡架被抬高并置于流場(chǎng)中，以迫使氣流在上游重新附著。


圖6 改型

四種幾何修改都取得了預(yù)期的成功，將平均光譜繪制在圖7中。所有強(qiáng)音調(diào)的噪聲成分都完全消失了。只有V3工況在風(fēng)洞中實(shí)驗(yàn)中有一個(gè)小的增長(zhǎng)，但是由于其強(qiáng)度低（<3dB），在車輛內(nèi)部不明顯。


圖7 光譜圖

結(jié)  論

展示了用商業(yè)二/三階有限體積CFD代碼解決空氣聲學(xué)反饋的可能性。用NACA 0012測(cè)試案例進(jìn)行的初步驗(yàn)證和進(jìn)一步的收斂性研究，使LES有可能應(yīng)用于真實(shí)的汽車后視鏡；為了確保安裝在梅賽德斯-奔馳客車上的后視鏡周圍的真實(shí)流動(dòng)條件，采用了分區(qū)的 RANS/LES方法。這解決了外部后視鏡表面流動(dòng)，其流動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與風(fēng)洞中的油流圖像非常一致，與機(jī)翼相類似，它顯示了層狀分離（氣泡）的存在。層狀分離（氣泡）的存在是空氣聲反饋發(fā)生的必要條件。與風(fēng)洞測(cè)量相比，在外后視鏡鏡處計(jì)算出的音調(diào)噪聲非常符合。根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，得出了四種幾何形狀的修改。所有這些修改在風(fēng)洞和模擬中都沒有顯示出更明顯的窄帶噪聲。故所提出的方法提供了一種有效的分析方法，可以有效避免在未來的汽車側(cè)后視鏡開發(fā)中出現(xiàn)類似航空聲學(xué)反饋的問題。

來源文獻(xiàn)：Numerical Investigation of Tonal Noise at Automotive Side Mirrors due to Aeroacoustic Feedback，Published September 30, 2020 by SAE international in United States.