汽车风振噪声机理及研究

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  随着国内汽车行业设计制造水平的不断提高,不同品牌汽车之间使用性能和安全性能上的差距已经越来越小,乘坐舒适性已成为评价汽车品质的关键因素。其中,汽车噪声水平至关重要,过高的噪声会影响驾驶员和成员的情绪,甚至会导致驾驶员分神,致使交通事故的发生。汽车噪声从噪声源上可分为:传动系噪声、发动机噪声、路面-轮胎噪声、进排气噪声以及气动噪声等。随着其余噪声持续得到控制,气动噪声成为汽车高速行驶时的主要噪声源,影响车辆乘坐舒适性。因此控制汽车风振噪声具有非常现实的意义。

  ①单极子声源:是媒质中流入的质量或热量不均匀时形成的声源。例发动机进气、排气时产生的噪声。单极子声源的声场,其振幅和相位在球表面的每个点都是相同的,在静止流体中的单极子声源 ,其指向性在各个方向上是均匀的。

  ②偶极子声源:当流体中有障碍物存在时,流体与物体产生的不稳定的反作用力形成的声源。例湍流冲击物体表面。偶极子可以看作是另个相互之间十分接近但相位相差180度的单极子。

  ③四极子声源:媒质中如果没有质量或者热量的注入,也没有障碍物的存在,只有粘滞应力可能辐射声波,会形成四极子声源。四极子可以看作是由两个具有相反相位的偶极子形成的,也可以看作是由四个单极子组成。横向四极子表示剪切应力,纵向四极子表示纵向应力。

  风振噪声是由空气的二维分离流动引起的,其主要声源类型为偶极子声源。它是在汽车行驶过程中,由于侧窗或者天窗打开而产生的。风振噪声的频率低但强度高,人体若长时间处于风振噪声的环境下,很容易产生疲劳感及不愉快感。

  风振噪声是一种复杂的空腔流激励发声现象,是流体力学、空气动力学、声学等多学科的交叉,主要研究基础是亥姆霍兹共振及空腔流自激振荡。

  (1)亥姆霍兹共振:亥姆霍兹共振器是一种最基本的声共振系统,最典型的是一个带有一个开口短管的刚性容器。汽车在侧窗或天窗开启时,车内空间类似于一个亥姆霍兹共振器,具有其基本特性。

  空腔内部空气受到外界波动P的强制压缩时,会引起短管内空气段A的振动,而空腔内的空气对其产生恢复力,构成由短管部空气质量和腔体内空气弹性构成的振动系统,这对施加作用的波动会产生共振效应,其固有频率为:

  (2)空腔噪声:气流流经空腔时会产生离散和宽频噪声。引起空腔噪声的主要机理有两种:

  ①压力波反馈机制:空腔开口前缘的湍流边界层在开口处形成不稳定的剪切层,剪切层随来流向下游运动并失去稳定,进而产生漩涡,漩涡脱落并继续向下游运动,当撞击到空腔后壁面时,漩涡会破碎、耗散,产生一个向空腔开口上游扩散的脉动压力波(即反馈压力波),此压力波传播到达空腔开口前缘后会诱发新的漩涡脱落,如此循环振荡形成反馈机制。

  (1)建立几何模型:选择了3.2m*1.4m*1m的简易车厢模型进行仿真分析,车窗开口位于车厢正中央,尺寸为0.1m*0.24m*0.015m,监测点位于车厢底部正中央。

  (2)计算域确定与网格划分:为了验证仿真的准确性,将仿真结果和风洞试验结果进行对比,故计算域尺寸应与风洞试验测试时的风洞尺度相当。所采用的简易车厢模型结构非常规则,所以采用六面体网格对其进行网格划分。附面层第一层的厚度为0.1mm,并以1.2的比例逐层生长。

  (3)边界条件设置:在进行瞬态计算之前,通常需要先进行稳态计算,并将稳态计算得到的结果作为瞬态计算的初始值。本文选用Reslizablek-ε模型来获得稳态计算。

  (1)低噪声风洞介绍:试验由课题合作研究者王怡平博士在美国普度大学的Herrick低噪声风洞中完成。风洞为低速、直流、单试验段的小型气动声学风洞,全长10.4m,高2.3m,其中试验段长1.23m,横截面宽0.53m,高0.58m。风速在0~28m/s范围内连续可调。

  (2)声场测试系统介绍:实验所用的噪声测试设备为:比利时LMS公司系统。

  (3)模型安装:厢体由两根横梁托住,并保持其顶端开口的上表面与风洞的下地板平齐,麦克风固定于厢体的底部中心,且其头部与厢体底面平齐。

  总体来看,数值仿真与风洞试验所得到的结果是很吻合的,说明数值仿真方法来分析汽车风振噪声是正确且准确的。

  文章选自:董光平. 汽车风振噪声机理及控制研究[D]. 湖南大学, 2012.

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