车外后视镜造型对气动噪声影响的实验研究∗

陈 鑫，冯 晓，沈传亮，汪 硕，胡翠松，李延洋，杨昌海

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025)

车外后视镜造型对气动噪声影响的实验研究∗

陈 鑫，冯 晓，沈传亮，汪 硕，胡翠松，李延洋，杨昌海

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025)

针对车外后视镜引起的气动噪声问题，在吉林大学风洞实验室对某系列车型的5款后视镜做了实验研究。实验测量了60～120km/h 4种风速下5款后视镜尾流区域的8个监测点的气动噪声数据。结果表明，随车速的增高后视镜引起的气动噪声上升明显，且对后视镜尾流核心区域监测点处的影响最为显著。对比分析5款后视镜的造型特点，提取出5个对气动噪声有较大影响的造型因素。优化组合这些影响因素，可在满足整体造型效果的同时，有效降低气动噪声水平。

车外后视镜；气动噪声；风洞实验；造型

前言

随着汽车行业的快速发展，人们对汽车舒适性的要求越来越高。然而，随着车速的升高，汽车的气动噪声成指数级急剧增大，从而降低乘员的乘坐舒适性。因此，汽车气动噪声分析与控制的研究越来越受到人们的关注。车外后视镜是汽车表面的凸出物，使得高速行驶的汽车在A柱-后视镜尾流区域产生较为强烈的空气动力噪声，并成为汽车在高速行驶时的主要噪声源。

针对汽车外后视镜的气动噪声问题，国内外的学者开展了积极的研究工作。文献[1]中对两款安装在平板上的后视镜进行了时均静态声压等的实验研究；文献[2]中分析了对后视镜气动噪声影响较大的总体形状和角度参数；文献[3]中仿真分析了后视镜基座的厚度、长宽比、迎风角度和边缘切向角等参数对气动噪声的影响。国内学者对后视镜气动噪声的研究主要是仿真分析，国外学者对后视镜气动噪声的实验研究中涉及的后视镜数量较少，实验结果有待进一步考证。

本文中针对某系列车型的5款后视镜造型，从细部结构特点和造型因素入手，通过后视镜-平板风洞实验研究提取系列后视镜细部造型因素，并分析其对气动噪声的影响规律，优化组合这些影响因素，可有效降低后视镜引起的气动噪声，对低噪声车外后视镜的造型设计具有现实的工程指导意义。

1 气动噪声研究基础

1.1 风洞实验

汽车空气动力学噪声的研究方法主要分为实验研究法和仿真计算法，其中实验研究法又分为道路实验法和风洞实验法。目前，汽车噪声道路实验一般用于整车振动和噪声系统的测量，对汽车NVH水平进行综合评价，而汽车某一零部件气动噪声的测量主要在汽车风洞实验室中进行。

汽车风洞实验室通过人造风，模拟各种行车环境中遇到的空气阻力、噪声和热力学状态等，用以测试样车的安全性和操纵稳定性，为设计更加节能、舒适性强的汽车提供条件。相对气动噪声道路实验而言，风洞实验能剔除汽车机械噪声、路面激励噪声的影响，实现单独对一定风速条件下的气动噪声进行测量。后视镜-平板实验在吉林大学汽车风洞实验室中进行，风洞为回流式结构，实验段尺寸(长×宽×高)为8m×4m×2.2m，实验风速范围在5～60m/s。图1为吉林大学汽车风洞整体结构图。

1.2 声学基本方程

后视镜产生的气动噪声由自身表面非定常压力导致的偶极子声源和尾部旋涡激发的四极子声源组成，则后视镜-平板实验涉及的气动声学研究最基本的两大方程是Curl方程和FW-H方程[4]。

1.2.1 Curl方程

汽车气动噪声主要以偶极子声源为主导，可以利用Curl方程进行实际计算：

式中：c0为声速；n为固体表面法向；r为从固体表面点指向监测点的向量；s为固体表面。Curl方程考虑了流体与固体边界的相互作用，适用于汽车气动噪声中的偶极子声源和四极子声源计算。

1.2.2 FW-H方程

FW-H方程是以Curl方程为基础，将其扩展到运动固体边界的发声情况：

式中：右边的3项依次为Lighthill声源项、表面脉动压力产生的声源、表面加速度引起的声源；ρ′(ρ′=ρρ0)为流体密度的波动量，ρ为受扰动时周围流场的空气密度均值，ρ0为未受扰动时周围流场的空气密度均值；Tij为Lighthill的张量；δij为单位张量；ui为xi方向上的流速分量；δ(f)为迪拉克三角函数；p′(p′=p-p0)为远场声压。

1.3 噪声数据监测

风洞实验时，在后视镜尾流区域的各个监测点布置传感器，监测气动噪声数据。声压级与声压之间的关系为

式中：Lp为声压级；pe为待测声压，即时均静态声压(有效声压)，是监测点处瞬时声压p(T)在时间间隔T内的均方根值；p0为参考声压，是人耳能感觉到1kHz空气声的最低声压(可听阈声压)，p0=2× 10-5Pa。

2 实验方法与布置

建立后视镜-平板风洞实验平台[1，5]，在排除其他因素的干扰下单独分析外后视镜的气动噪声。实验使用某系列车型的5款后视镜(3款为左侧后视镜，2款为右侧后视镜)为研究对象，并依次编号为后视镜A，B，C，D和E。风洞实验时，将5款后视镜固定在加工好的底座圆盘(半径R200)上，再将圆盘固定在实验专用平板上，平板长1 200mm，宽1 000mm，此长度和宽度足够覆盖后视镜后方湍流区域，并保证流动空气的湍流特征能得到充分发展。实验时，为方便布置测压线路并使后视镜处于风洞实验段的中心区域，用6根高为1 000mm的支架将实验专用平板固定。将平板和支架边缘做磨圆角处理以降低锋利边缘对噪声的影响。图2所示为后视镜A风洞实验布置情况。

图2 风洞实验布置

图3为某系列车型的5款后视镜底座在圆盘上安装的位置关系图。

图4和图5为监测点编号与传感器安装位置示意图。7个监测点分布在后视镜后方半径为400mm的圆周上，间隔15°均布，第8个监测点在圆盘下游400mm位置，粗体数字为监测点编号。左后视镜A，B和C的监测点编号与安装位置相同，右后视镜D和E的监测点编号与安装位置相同。

将传感器安装在后视镜尾流区域的监测点位置，传感器端部与平板平面高度相等，以保证采集数据的准确性。图6和图7为后视镜B和D的监测点编号与传感器安装位置照片。

图3 后视镜底座安装位置

图4 后视镜B监测点编号和位置示意

图5 后视镜D监测点编号和位置示意

图6 后视镜B监测点编号与位置照片

图7 后视镜D监测点编号与位置照片

风洞实验时进行了15和30m/s两种风速下的背景噪声测量，每种风速下重复测量10次将结果取平均值，两种风速下分别对应的背景噪声为52和 69dB。背景噪声测试结果表明本风洞背景噪声较低，可以满足汽车气动噪声的风洞实验要求。进行后视镜-平板实验时，传感器校正完毕后启动风洞，待风洞实验段气流速度稳定至60，80，100和120km/h时，用数据采集器分别采集相应速度下0°气流斜切角时各个监测点的时均静态声压，采集频率为1Hz，采集时长60s，并通过比利时LMS-Test. Lab实验分析软件系统把时域脉动压力通过傅里叶变换转换成频域内的声压级，以便于后续处理。

3 实验数据分析

人耳听到的声音频率范围为20～20 000Hz，本次风洞实验用1/3倍频程各中心频率处对应的声压级来分析气动噪声，采集的频率范围为71～11 220Hz。

3.1 后视镜A在各风速下的气动噪声数据分析

分别采集风速为60，80，100和120km/h工况下某系列车型的5款后视镜的8个监测点实验数据，转换得到各监测点处1/3倍频程中心频率声压级。图8～图11为各个风速下后视镜A的8个监测点所对应的1/3倍频程频谱图。

图8 60km/h时后视镜A各监测点处1/3倍频程频谱图

图9 80km/h时后视镜A各监测点处1/3倍频程频谱图

图10 100km/h时后视镜A各监测点处1/3倍频程频谱图

图11 120km/h时后视镜A各监测点处1/3倍频程频谱图

从图8～图11可以看出：随着风速的增加，后视镜A各监测点处1/3倍频程中心频率声压级逐步上升。分析后视镜B，C，D和E在不同风速下的实验数据也有相似的规律；同时，随着风速的增加，监测点6，7，8和12处1/3倍频程中心频率声压级与监测点5，9，10和11处1/3倍频程中心频率声压级的差距越来越明显，从而可以看出后视镜A气动噪声水平较高的点是监测点6，7，8和12。

3.2 120km/h风速下各后视镜监测点气动噪声数据分析

图12～图15为120km/h时后视镜B，C，D和E的各个监测点1/3倍频程频谱图。

从图11～图15可以看出：某系列车型的5款后视镜对气动噪声的影响总体趋势相似；但各后视镜的监测点6，7，8和12处的1/3倍频程中心频率声压级普遍较高，而监测点5，9，10和11的1/3倍频程中心频率声压级普遍较低；监测点6位于5款后视镜基座正后方偏下，受其侧向气流的扰动，噪声水平较高；监测点8均位于后视镜罩与车身(桌面)之间的“夹缝”位置正后方，此处气流流速快、后视镜罩曲面曲率变化较大，监测点8附近形成了较剧烈的湍流区域，气动噪声水平较高；监测点7和12均处于后视镜基座的正后方，受其正后方向气流扰动影响较大，气动噪声水平相对较高；监测点5，9，10和11距离后视镜气动影响中心区域相对较远，受影响较小，因此噪声水平相对较低。

图12 120km/h时后视镜B的各监测点处1/3倍频程频谱图

图13 120km/h时后视镜C的各监测点处1/3倍频程频谱图

图14 120km/h时后视镜D的各监测点处1/3倍频程频谱图

图15 120km/h时后视镜E的各监测点处1/3倍频程频谱图

从以上分析可知，由于监测点6，7，8和12位于后视镜尾流影响的核心区域，它们监测得到的气动噪声水平相对较高。因此，这4个监测点处的后视镜气动噪声数据是本文研究分析的重点。

3.3 各后视镜的4个重点监测点气动噪声数据分析

本文中重点研究500～5 000Hz频率范围的后视镜气动噪声规律。图16～图19为120km/h风速下各后视镜监测点6，7，8和12的气动噪声的1/3倍频程频谱图。

图16 监测点6处各后视镜气动噪声的1/3倍频程频谱图

从图16～图19可以看出：监测点6和8处，后视镜A的1/3倍频程中心频率声压级明显高于其他后视镜，而后视镜C的1/3倍频程中心频率声压级较低；监测点7处，后视镜A的1/3倍频程中心频率声压级仍较高，后视镜D的1/3倍频程中心频率声压级较低；监测点12处，各后视镜的1/3倍频程中心频率声压级相差不明显，可能由于监测点12的位置距离各个后视镜较远，监测到的各个后视镜的气动噪声水平相近。

图17 监测点7处各后视镜气动噪声的1/3倍频程频谱图

图18 监测点8处各后视镜气动噪声的1/3倍频程频谱图

图19 监测点12处各后视镜气动噪声的1/3倍频程频谱图

从以上分析可知，后视镜A的气动噪声较为显著，而后视镜C和D的气动噪声相对较低，可能后视镜C和D的造型特点更有利于气动噪声的降低。

3.4 各监测点气动噪声A计权总声压级数据对比分析

进一步研究各后视镜监测点的气动噪声，在4种风速下，对某系列车型的5款后视镜的各个监测点数据做A计权声压级处理，并标记每个监测点的A计权总声压级极大值和极小值，如表1所示。

从表1可见：后视镜A各监测点处气动噪声的A计权总声压级的极大值出现最多，可认为后视镜A的气动噪声性能较差；后视镜E各监测点气动噪声的A计权总声压级的极小值出现最多，可认为后视镜E的气动噪声性能较优。

从速度角度分析，后视镜C在较低风速下(60km/h)各监测点处气动噪声的A计权总声压级极小值出现较多，即后视镜C的较低速气动噪声性能表现突出；而后视镜E在中高速(80～120km/h)时，各监测点处气动噪声的A计权总声压级极小值出现较多，但大多处于后视镜气动噪声的非核心区域。而对处于气动噪声影响核心位置的重点监测点6，7，8和12分析可知，后视镜C和D的各重点监测点处气动噪声的A计权总声压级极小值出现较多，各有5个极小值，即后视镜C和D气动噪声性能较优。

4 后视镜气动噪声影响因素分析

根据不同对比条件下得到的各后视镜对气动噪声的影响情况，对比某系列车型的5款后视镜的各自造型和结构特点，总结归纳对后视镜气动噪声有较大影响的造型因素。5款后视镜照片如图20所示。

图20 5款后视镜照片

由3.3和3.4节可知，后视镜A的气动噪声性能总体较差。由图20可知，与其他后视镜相比，后视镜A的镜罩与车身垂向角度β是正值(定义接近车身为正)，并且后视镜A与侧窗之间距离相对较小，易产生明显的气流加速现象和较大的压力变化。所以，后视镜与侧窗之间的距离和后视镜罩与车身的垂向角度是影响后视镜气动噪声的重要因素。后视镜与侧窗之间的距离增大和后视镜罩与车身垂向角度更加远离车身时，有利于后视镜气动噪声的降低。本次风洞实验与文献[6]中的结论比较一致。

在只考虑位于后视镜尾流的核心区域的监测点受气动噪声的影响时，后视镜C和D的气动噪声性能总体较优。与其他后视镜相比，图中后视镜C和D的后视镜外壳与支撑的连接处更圆滑，如图中深色线条标出的部分，此处迎风面逐渐过渡，气流均匀，气动噪声低，因此后视镜外壳与支撑之间圆滑的过渡能降低气动噪声；图中后视镜C和D的基座宽度d也明显小于后视镜A，B和E的基座宽度，此时气流的分离区域减小，因此适当的缩小后视镜的基座宽度有助于降低气动噪声。

对比某系列车型的5款后视镜镜罩的剖切截面轮廓，剖切线的位置距离后视镜罩顶端100mm。图21为后视镜E的剖切位置示意图。图22为各后视镜罩截面基本轮廓对比图。

图21 后视镜E剖切示意图

图22 各后视镜罩截面基本轮廓比较图

在引入A计权声压级并考虑所有监测点的声压级或中高速工况时，后视镜E的气动噪声性能较优。由图22各后视镜罩截面的基本轮廓对比可知：后视镜B与C的镜罩基本轮廓相似，并且接近下凸形(定义后视镜罩的凸起位置接近支撑时为下凸形)；后视镜D的镜罩基本轮廓凸出不很明显，略显下凸形，但与后视镜B和C相比，其基本轮廓的两端走势对气流的顺利通过较为不利；后视镜A和E的镜罩基本轮廓接近中凸形(定义后视镜罩的凸起位置在后视镜罩中心线位置时为中凸形)，相比于下凸形轮廓，中凸形轮廓造型使后视镜引起的涡流发生的位置下移，有利于气动噪声发生的核心位置更加远离车窗[7]。但后视镜A的镜罩与车身间距较小，并且后视镜罩与车身垂向夹角更加靠近车身，后视镜罩与支撑之间的过渡也不顺畅，这些因素导致了后视镜A的气动噪声情况较差。而后视镜E的基座尺寸比较宽，后视镜镜罩外壳与支撑之间过渡不够圆滑，这些因素使后视镜E气动噪声性能也不很理想。

5 结论

(1)以后视镜A为例，通过4种风速对其8个监测点的声压级进行对比分析，得到风速越大后视镜对气动噪声的影响越大的结论。在风速为120km/h的工况下，分别对某系列车型的5款后视镜的8个监测点的声压级进行对比分析，总结得出风速对位于后视镜尾流核心区域的4个监测点6，7，8和12处的气动噪声最为显著。

(2)在风速为120km/h的工况下，着重分析受气动影响最显著的4个监测点，总结得出后视镜A的气动噪声性能较差，后视镜C和D的气动噪声性能相对较优。在4种风速下分析某系列车型的5款后视镜，比较其8个监测点的A计权总声压级，得到的结果与上述结论基本一致。因此，后视镜C和D的造型特点更有利于气动噪声的降低。

(3)对比某系列车型的5款后视镜的各自造型和结构特点，总结得出以下5个对后视镜气动噪声影响较大的造型因素：后视镜罩与车身间距、后视镜罩与车身垂向角度、后视镜罩与支撑之间的过渡、后视镜基座的宽度和后视镜罩基本轮廓的凸起位置等。适当调整这5个造型因素，如增大后视镜罩与车身间距，后视镜罩与车身垂向角度取为负角，后视镜罩与支撑之间圆滑过渡、适当减小后视镜基座的宽度和后视镜罩基本轮廓的凸起位置上移等，有助于降低后视镜的气动噪声。

(4)本文中的实验结果和研究结论，可为汽车后视镜气动噪声的仿真分析与优化提供实验依据，为车外后视镜造型提供空气动力学设计指导。

[1] CHEN Kuo-Huey，JOHNSON Jim，DIETSCHI Urs，et al.Wind noise measurements for automotive mirrors[C].SAE Paper 2009-01-0184.

[2] 李启良，杨志刚，王毅刚.汽车后视镜气动噪声的影响参数[J].同济大学学报(自然科学版)，2011，39(8)：122-127.

[3] 刘力，陈鑫，王登峰.车外后视镜基座造型的流场分析[J].汽车技术，2011，1(1)：27-34.

[4] 张英朝.汽车空气动力学数值模拟技术[M].北京：北京大学出版社，2011：153.

[5] KHALIGHI B，JOHNSON J P，CHEN Kuo-Huey.Experimental characterization of the unsteady flow field behind two outside rear view mirrors[C].SAE Paper 2008-01-0476.

[6] 杨博，傅立敏.稳态数值模拟在轿车外气动噪声源预测中的应用[J].吉林大学学报(工学版)，2007，37(5)：1006-1008.

[7] CHEN Xin，ZHOU Junlong.Research on aerodynamic noise of base styling characteristics of car rearview cover[J].Advanced Materials Research，2012，490-495：2987-2991.

An Experimental Study on the Effects of Exterior Rearview Mirrors Styling on Aerodynamic Noise

Chen Xin，Feng Xiao，Shen Chuanliang，Wang Shuo，Hu Cuisong，Li Yanyang＆Yang Changhai
Jilin University，State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control，Changchun130025

Aiming at the issue of aerodynamic noise caused by exterior rear-view mirror，an experimental study on 5 kinds of rearview mirrors for a car series is conducted in the wind tunnel laboratory of Jilin University，in which the aerodynamic noise data at 8 monitoring points in wake areas of 5 rearview mirrors are measured under 4 wind speeds from 60km/h to 120km/h.The results show that the rearview mirror induced aerodynamic noise obviously increases with the rise of vehicle speed，and the effects are most apparent at monitoring points in the wake core area of rearview mirror.By comparative analysis on the styling features of 5 rear-view mirrors，5 styling factors having most significant effects on aerodynamic noise are extracted.Optimal combination of these factors can effectively reduce aerodynamic noise level with satisfactory overall styling effects.

exterior rearview mirrors；aerodynamic noise；wind tunnel tests；styling

∗国家重点研发计划项目(2016YFB0101601-7)和国家自然科学基金(51175214)资助。

原稿收到日期为2016年5月19日，修改稿收到日期为2016年9月16日。

沈传亮，副教授，E-mail：shencl＠jlu.edu.cn。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.014