汽车外后视镜挡水条气动噪声分析及测试

龚健

（上海交通大学；沃尔沃汽车技术有限公司）

随着汽车产业的飞速发展，汽车的性能越来越优越，再加上近些年国家大力建设高速公路，如今驾驶汽车高速行驶的情况变得非常频繁，随之而来对于整车噪声的要求也在逐步提高。汽车行驶噪声主要包括：发动机噪声、轮胎噪声及气动噪声等，当车速超过80 km/h时[1]，气动噪声将成为最大的噪声来源。根据市场调研,大多数的客户对于某车型外后视镜附近的气动噪声比较敏感。作为车身上突出在外的零件，通常来说外后视镜对于整车气动噪声的影响非常大。文章着重研究了某车型外后视镜挡水条对气动噪声的影响，通过模拟计算，对比3种状态的外后视镜挡水条对整车气动噪声的影响，并通过风洞测试选出了其中能够有效降低整车气动噪声的方案。

1 模拟计算

1.1 气动噪声形成原因

汽车高速行驶时，由外部造型引起的流场区域的波动能量是引起气动噪声的主要原因，这种波动能量分为气压波动和声压波动。外部激励源将共同作用并主要通过前风挡玻璃以及侧窗向车内传递噪声[2]。汽车气动噪声传播原理，如图1所示。

根据气动噪声传播原理，模拟计算分为两步进行[3]：1）基于格子波尔兹曼理论的非稳态汽车外流场计算，分别获得结构输入激励以及声学输入激励；2）基于统计能量分析法[4]的车内声场计算。

1.2 模型建立与网格划分

文章研究的车型已经批量生产，因此可以将已有的整车三维数模导入CAE前处理软件中，然后对模型进行网格划分，如图2所示。为了保证计算精度，尽可能的将整车网格贴合实际情况，总计面网格899万个，空间体网格5 126万个。

图2 整车网格划分模型图

除了对模型进行网格划分外，还需要建立虚拟风洞，也就是说计算模拟时，将整车模型放置在一个长方体的虚拟空间中，虚拟风洞长约25倍车长，宽约40倍车宽，总高为30倍车高，如图3所示。

图3 虚拟风洞-空间计算域图

1.3 非稳态汽车外流场计算

文章中的计算模拟主要针对驾驶员两耳中间位置的气动噪声，为了提高计算效率，所有的计算模拟均不考虑底盘噪声的影响。

非稳态汽车外流场计算使用PowerFlow软件进行求解。边界条件设置：入口设置为速度；风速：120 km/h；风向角：0°；出口设置为压力出口；仿真时间：1 s；仿真精度：18×104次 /s。

图4示出驾驶员处的侧窗玻璃外表面压力波动分贝云图（颜色越深，压力波动越大）。从图4可以看出，在外后视镜附近，侧窗玻璃表面存在较大的压力波动，这些压力波动是由气流高速通过外后视镜区域时所产生的涡流引起的[5]。为了降低气动噪声，就必须更改外后视镜造型以减少压力波动。

图4 驾驶员处侧窗外表面压力脉动分贝云图

1.4 车内声场计算

车内声场计算采用Power Acoustic软件。边界条件：车内空腔体积约2.5 m3；混响时间：0.223 s（试验测得）；全车玻璃厚度：前门3.85 mm，后门3.5 mm，前挡风玻璃4.96 mm，后挡风玻璃3.5 mm，玻璃阻尼损耗因子由试验在实车上测得。图5示出车门玻璃阻尼损耗因子曲线，其最大值出现在160 Hz，幅值约为0.11，图6示出前挡风玻璃阻尼损耗因子曲线。

图5 车门玻璃阻尼损耗因子曲线

图6 前挡风玻璃阻尼损耗因子曲线

1.5 气动噪声初始状态分析

通过模拟得到了车辆初始的气动噪声状态，如图7所示。该曲线就是汽车以120 km/h行驶时，驾驶员两耳之间的位置所能听到的气动噪声（采用A计权声压级和1/3倍频程）。从图7可以发现，该车在4 000 Hz左右存在一个较大的峰值，幅值约为40 dB。通常来说，人耳对于1 000～4 000 Hz的声音比较敏感，因此为了改善该车气动噪声，必须尽量降低4 000 Hz的这个峰值，这也是文章的研究目标。

图7 驾驶员头部A计权声压级模拟计算曲线

1.6 后视镜挡水条优化模拟

如图8所示，挡水条位于后视镜的底部，其主要作用是在雨天行驶时，引导水流向后视镜下方流动，这样可以大大降低雨水对于后视镜镜面的污染，减少对后视镜可视度的影响，以保证雨天行车安全。然而挡水条的存在通常会引起后视镜区域的气动噪声，因此文章着重研究挡水条造型对气动噪声的影响。

图8 初始状态外后视镜挡水条模型图

从图9可知，挡水条分为两部分，一部分位于后视镜的镜头上，另一部分位于后视镜的镜脚上。由于此车型已经量产，用于生产后视镜的模具已制造完毕，因此对于挡水条的更改应该尽可能小，这样可以降低修改模具的费用和时间，而且不会影响批量生产，从这个角度出发，选取了3种更改方案，如图10所示。图10中Mirror-0：初始状态的挡水条；Mirror-1：初始状态挡水条向前延伸；Mirror-2：去除挡水条；Mirror-3：保留镜头上的挡水条，去除镜脚上的挡水条。

图9 初始状态外后视镜总成模型图

图10 3种挡水条更改方案剖面图

1.7 后视镜挡水条更改方案模拟分析

图11示出挡水条模拟计算结果。从图11可以看出，3种方案均对气动噪声有较大的改善（可以在120km/h时，在4000Hz附近，降低约5dB），但是3种方案差别不大，无法判断哪种方案较好。因此需要对3种方案进行实车风洞测试[6]，根据测试结果，选取较好的方案。

图11 挡水条模拟分析结果（车速120 km/h）

2 风洞测试

2.1 风洞实验室简介

一般来说，风洞实验室是用来研究汽车车身空气动力学和气动噪声性能的地方。通过风洞测试，研究人员可以判断一款车的外形设计在空气动力学和气动噪声上是否合理，哪些零部件需要进行优化调整。

如图12所示，风洞实验室通常会由一个较大的管道回路构成，里面有一枚巨型风扇，气流经过风扇加速，通过一些风格栅，以减少涡流，并经过一系列消声弯头，以减少背景噪声，最终喷射在静止在风洞中的测试车上。整个过程测试车发动机并没有启动，因此该测试可以在排除发动机噪声和轮胎噪声的情况下，对气动噪声进行精确测量。

图12 风洞实验室剖面图

2.2 整车气动噪声测试方法

在风洞中对气动噪声进行测试分析经常采用“窗口法”[7]，即首先将汽车上所有与密封性相关的地方（例如：车门缝、车窗缝、天窗缝、前风挡缝及前后盖缝隙等）使用胶带进行密封，此状态一般认为是该车气动噪声最好的状态（如图13所示），由于已经排除了可能的泄漏噪声，因此状态基本可以代表汽车造型引起的气动噪声。测试时，从全部密封状态开始，然后逐一去除某处的密封措施进行测试，并与全部密封状态对比，两者之间的差别就是该密封区域对于气动噪声的贡献。

图13 整车全密封状态示意图

文章的测试方法借鉴了“窗口法”，由于主要关注于外后视镜挡水条的影响，因此一共测试4个状态的后视镜（Mirror-0、Mirror-1、Mirror-2、Mirror-3）。测试时，将全车用胶带进行密封，排除泄露噪声的影响，然后分别更换不同状态的后视镜进行测试，并将除了后视镜以外的其它区域均用胶带进行密封。

2.3 测试采集设备

为了与模拟结果进行对比，测试时主要采集驾驶员侧两耳之间的气动噪声。如图14所示，人工头（麦克风）放置在驾驶员座位上。测试所用的采集设备：1）采集麦克风（Artificial Head HMSⅢ）；2）数据采集器（36-Channel data acquistition Frontend SQlab Ⅲ）；3）分析软件（ArtemiS）。

图14 测试驾驶员侧两耳之间的气动噪声人工头放置位置示意图

2.4 测试结果

文章的数据分析均采用A计权，将风洞试验结果（如图15所示）与模拟结果（图11）进行对比可以发现，Mirror-0无论是模拟还是实车测试，在4 000 Hz左右都存在尖峰。从图15可以看出，在实车测试中，Mirror-1和Mirror-2比较接近，Mirror-3表现最佳（在4 000 Hz处，可以降低约5 dB），尖峰基本消除。因此，最终选择Mirror-3方案，如图10所示。

图15 风洞测试结果（车速120 km/h）

3 结论

通过模拟分析可以发现：该车初始状态在4 000 Hz左右存在一个尖峰（约 40 dB），Mirror-1，Mirror-2，Mirror-3这3种方案均可以减少4000Hz的尖峰，但是3种方案互相之间差别不是很大；通过实车风洞测试可以发现：Mirror-3在4 000 Hz处，可以降低约5 dB，比其它2个方案表现要好。选取Mirror-3作为最终方案，该方案不仅能够最大程度地降低整车气动噪声，而且该方案对外后视镜的改动量较小，此外保留了镜头上的挡水条，这样仍然可以保证雨天行驶时后视镜镜面不会被雨水污染。

综上，外后视镜挡水条对整车气动噪声影响很大，在今后外后视镜的设计开发中，为了减少挡水条对气动噪声的影响，应该尽量避免将挡水条设计在外后视镜镜脚处。