汽車前部口哨音的研究與改善策略

楊飄 李燕龍 陳文 劉穎文 李濤

摘? 要：風(fēng)噪聲是汽車高速行駛時(shí)的主要噪聲源之一。本文利用流體力學(xué)與流體聲學(xué)的理論，分析了口哨的發(fā)聲原理，總結(jié)出了影響汽車前部風(fēng)噪聲中客戶不可接受的高頻口哨音的三個(gè)解決方向：改變流場(chǎng)方向、移除擾流因子、填堵諧振腔。并通過解決某項(xiàng)目車型車身前部口哨音問題，為公司及行業(yè)后續(xù)車型開發(fā)提供了解決方案。

關(guān)鍵詞：風(fēng)噪;口哨音;流場(chǎng)方向;擾流因子;諧振腔

中圖分類號(hào)：U463.83+3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2019）04-0041-06

Abstract： Wind noise is one of the main noise sources in high speed driving. In this paper， the principle of whistling is analyzed， by using hydrodynamics and fluid acoustics principle， and the three solutions that affect the customer's unacceptable high-frequency whistling in front wind noise of automobile are summarized： changing the direction of flow field， remove the spoiler factor and plug the resonator. The solution is provided for the subsequent development of the vehicle model by solving the whistling problem of the front part of a certain vehicle model.

1? ? 背景

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活品質(zhì)的追求日益提高，振動(dòng)與噪聲等影響轎車舒適性（NVH）的因素成為影響客戶選擇汽車產(chǎn)品的主要參考因子之一，因而也成為各大主機(jī)廠研制新車型的開發(fā)重點(diǎn)。中低速等速行駛時(shí)，輪胎路面滾動(dòng)噪聲占主導(dǎo);加速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)噪聲成為主導(dǎo)聲源;高速行駛時(shí)，空氣與車身之間的氣流風(fēng)噪成為主要聲源。隨著汽車的高速化，風(fēng)噪問題已成為轎車NVH的重要指標(biāo)。研究表明，當(dāng)車速達(dá)到80Km/h及以上時(shí)，風(fēng)噪聲的影響已達(dá)到驅(qū)動(dòng)噪聲和輪胎路面滾動(dòng)噪聲的程度，當(dāng)車速超過120Km/h時(shí)，風(fēng)噪完全超越其他噪聲源，成為主要的噪聲。

由于在汽車開發(fā)前期，風(fēng)洞試驗(yàn)主要識(shí)別的是汽車模型的風(fēng)阻系數(shù)以及主要的風(fēng)噪分貝的問題，關(guān)于高頻風(fēng)噪，以口哨音為主的客戶不可接受的問題是無法辨識(shí)出來的，因而，研究口哨音的發(fā)聲機(jī)理及解決方案，避免工業(yè)化階段耗費(fèi)高昂的設(shè)計(jì)變更費(fèi)用，成為當(dāng)前主要的課題之一。

本文以解決某車型車身前部口哨音問題，通過流體力學(xué)與聲學(xué)的推導(dǎo)、口哨的發(fā)聲原理的分析、 CAE流場(chǎng)圖的分析與解讀及實(shí)際方案的驗(yàn)證，總結(jié)了降低風(fēng)噪特別是消除口哨音的三個(gè)方向。

2? ? 理論介紹

2.1? ?流體力學(xué)—圓柱擾流

流體的粘性：相鄰兩層流體之間或者流體與固體表面之間在發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦作用，流體的這種特性稱為粘性。

如下是牛頓平板實(shí)驗(yàn)，描述了粘性影響流體運(yùn)動(dòng)的情況：

h——平板之間間距;F——板上施加外力;U——平板運(yùn)動(dòng)速度;A——平板面積;

運(yùn)動(dòng)的流體所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力（即粘性力）的大小與下列因素的關(guān)系如下：

與接觸面的面積A成正比;與兩平板之間的間距h成反比;與流速U成正比;與流體的物理性質(zhì)（粘度）成正比。

即理想流體中的質(zhì)點(diǎn)所處位置的壓強(qiáng)勢(shì)能與其動(dòng)能是守恒的。

當(dāng)流體繞過靜止物體流動(dòng)時(shí)，流體中即有粘性力又有慣性力，用無量綱參數(shù)雷諾數(shù)Re=UL/v（U是流體速度，L是特征長度，V是流體運(yùn)動(dòng)粘度）表征慣性力與粘性力之比。

大量試驗(yàn)表明：在大雷諾數(shù)條件下，平直物面和彎曲屋面上都會(huì)形成邊界層。當(dāng)雷諾數(shù)小于一定值時(shí)，邊界層中的流動(dòng)處于層流狀態(tài);當(dāng)雷諾數(shù)大于一定的值時(shí)，流動(dòng)處于湍流狀態(tài)。

在大雷諾數(shù)情況下，由于流體與平面之間的粘滯作用，邊界層內(nèi)的速度較外流速度減小.以圓柱擾流為例：在大雷諾數(shù)條件下，在圖3 所示，A、B兩點(diǎn)的流動(dòng)速度為0，其壓強(qiáng)勢(shì)能達(dá)到最大值，在M點(diǎn)上速度最大，動(dòng)能達(dá)到最大值，壓強(qiáng)勢(shì)能達(dá)到最小值。因而，流體從A到M，速度逐漸增大，壓強(qiáng)則由大變小，即質(zhì)點(diǎn)由A到M，是被壓強(qiáng)“推著向前進(jìn)”這部分稱為順壓區(qū)，同理由M到B這一段壓強(qiáng)由小到大，屬于逆壓區(qū)。

實(shí)際中流體是有粘性的，粘性效應(yīng)消耗流體的運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，在粘性與逆壓的共同作用下，流體質(zhì)點(diǎn)在B點(diǎn)之前的某點(diǎn)就耗盡了動(dòng)能，如果逆壓足夠強(qiáng)，流體速度就會(huì)在這一點(diǎn)開始發(fā)生反向。當(dāng)雷諾數(shù)Re由小變大時(shí)，其圓柱擾流圖案如圖4所示，當(dāng)Re>40時(shí)，形成的尾流區(qū)域會(huì)逐漸拉長，形成周期性的兩列渦，即卡門渦街。當(dāng)Re>300以后，渦街失去規(guī)律性和周期性，最終形成許多不規(guī)則的旋渦尾流區(qū)。邊界層的流動(dòng)也逐漸由層流過度為湍流狀態(tài)。

常溫常壓下的空氣的運(yùn)動(dòng)粘度v約為0.000015，汽車高速行駛時(shí)的速度范圍為54～180Km/h即15～60m/s。且高速行駛時(shí)速度在汽車表面的圓角一般為R1～R5。因而其雷諾數(shù)在1000～20000，進(jìn)一步的研究表明，當(dāng)Re在這個(gè)區(qū)間時(shí)，分離角度θ在80～100°之間。

2.2? ?氣動(dòng)聲學(xué)理論—聲就是流動(dòng)的渦

1952年，英國學(xué)者Ligthill在英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)看上發(fā)表了題為《On Sound Genertted Acrodynamically I：General Theory》的論文，描述了氣流運(yùn)動(dòng)發(fā)聲的Lighthill方程，標(biāo)志著氣動(dòng)聲學(xué)的誕生。1964年，A.Powell提出渦聲理論，為揭示湍流發(fā)聲提供了理論依據(jù)。1969年Ffowcs Williams和Hawkings提出Ffowcs Williams-Hawkings方程（簡(jiǎn)稱FW-H方程）。從FW-H方程可以看出，運(yùn)動(dòng)物體與流體相互作用產(chǎn)生的聲場(chǎng)是由四極子源、偶極子源以及由位移所產(chǎn)生的單極子源的疊加組成的。

三種線性聲學(xué)中的典型聲源——單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源組成如圖6。

單極子聲源：媒質(zhì)中流入的質(zhì)量或熱量不均勻時(shí)形成聲源（也叫簡(jiǎn)單聲源）

偶極子聲源：流體中有障礙物時(shí)，流體與物體產(chǎn)生的不穩(wěn)定的反作用力形成聲源。

四極子聲源：媒質(zhì)中既無質(zhì)量或熱量的注入也無障礙物，唯粘滯應(yīng)力可能輻射聲波。

研究表明：?jiǎn)螛O子、偶極子和四極子聲源的總聲功率分別與流速的四次方、六次方和八次方成正比。降低流速可大大減小噪聲。

針對(duì)亞音速，如汽車的氣動(dòng)噪聲這一問題而言，單極子和四極子聲源可以忽略。汽車氣動(dòng)噪聲的主要聲源為偶極子聲源。根據(jù)鮑威爾渦聲方程，存在渦的地方就會(huì)存在聲音，即渦是流動(dòng)的聲音。

1978年，Hucho在研究汽車空氣阻力時(shí)，利用實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)得到轎車周圍流普分布圖如圖7。該圖揭示了汽車周圍的流場(chǎng)及局部渦流的情形。

進(jìn)一步研究表明，在分離區(qū)內(nèi)存在兩個(gè)方向相反的渦，渦在分離區(qū)的流動(dòng)時(shí)有旋的，而在再附著區(qū)的流動(dòng)時(shí)無旋的，并且存在渦旋的地方壓力系數(shù)的負(fù)值較大，變化率也較大。研究表明，誘發(fā)氣動(dòng)噪聲的脈動(dòng)壓力同渦流逆動(dòng)是密切相關(guān)的，可以把分離區(qū)的氣流逆動(dòng)作為研究氣動(dòng)噪聲的重點(diǎn)之一。

2.3? ?口哨音的發(fā)聲原理

（1）哨聲是由空氣振動(dòng)引起的氣流紊亂造成的。氣流通過哨口，在哨體內(nèi)形成不規(guī)則的渦，并引起哨體振動(dòng)，形成哨音。

（2）哨聲的響度與空氣的濕度有關(guān)。空氣的濕度影響粘度系數(shù)，從而影響能量損失，同等條件下，空氣濕度越大，哨聲響度越小。

（3）哨子的發(fā)聲的響度受氣流的流速的影響。流過哨口的氣流速度越大，哨聲越大。

（4）哨子的發(fā)聲頻率受流場(chǎng)擾動(dòng)的影響。不同的哨口尺寸會(huì)影響氣流的轉(zhuǎn)捩，進(jìn)而影響哨音的頻率。

哨子是這樣發(fā)聲的：通過哨嘴的定向流速的氣流離開哨口后形成紊亂的氣流，沖擊哨舌，在哨舌的擾動(dòng)下，擴(kuò)大湍流范圍，并提高渦的頻率，渦的形成與哨體的振動(dòng)發(fā)出哨音。

即：哨子發(fā)聲的三個(gè)基礎(chǔ)：定向氣流（哨口）、擾流因子（哨舌）、諧振腔（哨體）

3? ? 某車型車身前部80Km/h及以上時(shí)口哨音原因解析

3.1? ?實(shí)車原因驗(yàn)證解析

某新車型在量產(chǎn)前無偽裝狀態(tài)跑高環(huán)試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)速度達(dá)到80Km/h及以上時(shí)車身前部發(fā)出口哨音，針對(duì)該問題進(jìn)行了以下原因解析工作：

首先通過主觀判斷，車身前部的哨音問題產(chǎn)生于發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前格柵保險(xiǎn)杠的區(qū)域。

進(jìn)一步原因解析如圖9，通過以下四個(gè)方案的驗(yàn)證，可以得出此處口哨音的產(chǎn)生并非由密封不良引起，而是由前部結(jié)構(gòu)形式符合口哨音的發(fā)聲機(jī)理。

3.2? ?流場(chǎng)仿真解析

針對(duì)該車型前部口哨音問題，進(jìn)行了車身流場(chǎng)CAE仿真分析

通過對(duì)比分析YO與Y=-200的流場(chǎng)圖得出以下結(jié)論：

（1）標(biāo)徽跨度區(qū)域因氣流流向的改變，使得結(jié)構(gòu)上不具備哨音三要素之一的擾流因子（哨舌，格柵平面不具備舌的特征）因而不會(huì)產(chǎn)生高頻哨音。根據(jù)機(jī)罩與格柵之間的腔體中形成逆時(shí)針氣流，可判定氣流由機(jī)罩前緣流向格柵即由上往下流動(dòng)。對(duì)比Y0與Y=-200的差異，Y0面在標(biāo)徽的作用下，氣流提前與車身面接觸，使得分離點(diǎn)提前，機(jī)罩與格柵的分縫區(qū)域在逆壓區(qū)，因而改變了氣流在機(jī)罩前緣與格柵之間的流動(dòng)方向。

（2）非標(biāo)徽跨度區(qū)域，在低速條件下，擾流因子（哨舌即機(jī)罩前緣）不在紊流區(qū)域，即不會(huì)產(chǎn)生催動(dòng)氣流的轉(zhuǎn)捩，也就不會(huì)使得風(fēng)噪聲惡化成高頻的哨音。低速狀態(tài)下，由于格柵孔的封堵，格柵前部的壓強(qiáng)勢(shì)能的作用強(qiáng)于動(dòng)能的作用，使得流場(chǎng)提前向上變相，即當(dāng)氣流與格柵結(jié)構(gòu)圓角的切線與水平方向的角度較小，根據(jù)圓柱擾流（參考圖5）與流場(chǎng)圖的顯示，機(jī)罩前緣避開了湍流區(qū)。

（3）非標(biāo)徽跨度區(qū)域，高速情況下存在高頻的哨音。高速氣流沖擊機(jī)罩前緣在機(jī)罩與格柵之間的腔體中形成渦。即同時(shí)滿足高頻哨音產(chǎn)生三大因素：滿足流向的氣流、擾流因子、諧振腔。

4? ? 改善方案實(shí)車驗(yàn)證

4.1? ?將凹陷封閉的格柵用膠帶完全封住，使得封住后的膠帶與標(biāo)徽形成一個(gè)大面，即等效為擴(kuò)大標(biāo)徽面的跨度區(qū)域，如圖18。

結(jié)論：①車速在考察范圍內(nèi)，均沒有產(chǎn)生高頻口哨音。

②證明改變流場(chǎng)方向可解決哨音問題。

4.2? ?將凹陷封閉的格柵打通，使得氣流能夠通過格柵流入，使得高壓強(qiáng)勢(shì)能的位置處于格柵網(wǎng)格后部靠風(fēng)扇與冷凝器，從而改變流場(chǎng)方向。在作用方面，現(xiàn)狀80Km/h時(shí)流線的變相點(diǎn)開始滿足哨音三要素，只有更高速度時(shí)的才能滿足三要素，如圖19。

結(jié)論;①格柵打通后，車速提高到考察的160Km/h時(shí)，沒有產(chǎn)生高頻哨音。

②證明改變流場(chǎng)方向可以解決哨音問題。

4.3? ?將機(jī)罩前緣位置前移，使得機(jī)罩前緣相對(duì)格柵位置靠前，如圖20。

結(jié)論：①機(jī)罩前緣相對(duì)格柵前移的量越大，口哨音產(chǎn)生時(shí)對(duì)應(yīng)的車速越高。當(dāng)移動(dòng)到與格柵最前點(diǎn)水平方向100°時(shí)，車速在考察范圍內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生哨音。

②證明移除擾流因子可解決哨音問題。

4.4? ?密封機(jī)罩前緣與格柵之間的縫（除開標(biāo)徽影響區(qū)域Y0±100區(qū)域），如圖21。

結(jié)論：①標(biāo)徽的出現(xiàn)改變了流向，哨音不是由標(biāo)徽區(qū)域產(chǎn)生;

②封堵哨體即機(jī)罩與格柵之間形成的諧振腔也可以解決哨音問題。

③證明諧振腔是哨音產(chǎn)生的不可或缺因素。

4.5? ?改變密封條的斷面，填堵機(jī)罩與格柵之間的空腔，如圖22。

結(jié)論：①填堵諧振腔，可以解決哨音問題。

4.6? ?驗(yàn)證方案總結(jié)

方案一、通過對(duì)比以上改善驗(yàn)證方案的實(shí)施代價(jià);變更格柵影響造型效果，且變更格柵費(fèi)用約100萬，周期三個(gè)月，成本周期不可接受。

方案二、調(diào)整機(jī)罩X向的尺寸，現(xiàn)有尺寸工程可調(diào)整的余量無法滿足要求，如需實(shí)施，需要變更機(jī)罩外板造型，變更費(fèi)用120萬，周期約5個(gè)月，成本周期不可接受。

方案三、通過改變密封條斷面，填堵諧振腔，變更費(fèi)用3萬，周期約15天，方案可行。

最終確認(rèn)采用方案三作為最后量產(chǎn)方案。

5? ? 總結(jié)

通過理論研究與車身流場(chǎng)的分析，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證，得出車身前端產(chǎn)生高頻口哨音的三個(gè)必要條件如下：定向高速氣流、湍流區(qū)有擾流因子、容納渦流的諧振腔。

解決口哨音問題的方案，至少改變?nèi)蟊匾獥l件中的一個(gè)因素：通過造型優(yōu)化，調(diào)整格柵與機(jī)罩的型面，可以改變沖擊分縫處的氣流方向;通過改變機(jī)罩前緣與格柵的X向相對(duì)位置關(guān)系，可以移除湍流區(qū)擾流因子;通過對(duì)密封條斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)與合理布置，填充結(jié)構(gòu)腔體，可以規(guī)避容納渦流的諧振腔。

在車型開發(fā)前期，可以通過結(jié)構(gòu)斷面分析與流場(chǎng)仿真分析，提前識(shí)別車型在機(jī)罩與格柵分縫處是否存在口哨音，也為車身外飾其他部位的口哨音風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別提供參考。

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