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后视镜镜柄结构形式对气动噪声的影响

2020-01-01 17:36:46·  来源：中汽中心空气动力学实验室  
　
转自：中汽中心空气动力学实验室

随着消费者对汽车舒适性要求的提高，汽车气动噪声作为汽车舒适性的重要评价指标，已引起汽车生产厂商及学者的高度关注。汽车后视镜作为汽车表面突出物，成为汽车在高速行驶时的主要噪声源之一[1]。本文选取后视镜镜柄结构形式这一关键参数，研究后视镜镜柄结构形式对汽车气动噪声的影响。

三种镜柄分别为船型镜柄、矩型镜柄和前凸型镜柄。为保证对比性，三种镜柄后视镜模型除镜柄结构形式不同外，镜柄厚度、镜壳尺寸、后视镜正投影面积等参数均相同。三种镜柄模型的截面如图1所示：
图1 镜柄模型截面图

1 平板模型结果分析

运用大涡模拟的方法进行数值模拟。将三种不同镜柄结构形式的后视镜模型安装到平板模型中，布置监测点，以便于对比分析气流流过后视镜后在平板表面产生的脉动压力。图2为监测点布置示意图：
 
图2 监测点布置示意图
 
图3 监测点平均声压级对比
 
表1 三种后视镜模型各频段声压级对比

 
图3为三种模型所取监测点三分之一倍频程平均声压级对比图，表1为各频段声压级对比。结合图3和表1可知，当风速为120km/h时，三种后视镜模型的声压级在中心频率200Hz左右达到最大值，在400~800Hz频段内略有升高，随着频率的增大，声压级逐渐降低。不同镜柄结构形式的后视镜模型在1600Hz以下声压级差距比较明显，最大差值可达2.7dB。具有前凸型镜柄的后视镜模型的声压级在2000Hz内均高于矩型与船型镜柄后视镜模型。船型镜柄后视镜模型声压级在800Hz和高于1600Hz频段内高于矩型镜柄后视镜。表2是将三种后视镜模型各监测点平均声压级数值汇总计算得到的总声压级，由此可得，前凸型型镜柄后视镜的声压级相比于船型镜柄与矩型镜柄分别增大1.4dB和1.1dB。
 
表2 监测点总声压级

2 实车模型结果分析
 
为了进一步研究三种后视镜镜柄结构形式对汽车气动噪声的影响，同样运用大涡模拟的方法进行数值模拟，数值模拟的网格设置等条件与平板模型相同。将三种后视镜安装到某自主品牌乘用车中，分析三种后视镜镜柄结构形式在实车状态下对汽车气动噪声的影响。实车模型为某自主品牌轿车模型，保留车身最大外表面及车身表面所有几何特征，去除了发动机、传动系统、冷却系统等。
 
2.1  侧窗表面监测点平均声压级对比分析
整个侧窗表面均匀布置43个监测点，用43个监测点的声压级近似代替侧窗表面声压级进行对比分析。侧窗玻璃表面监测点布置如图4所示。
 
图4 侧窗表面监测点布置图
 
图5为三种镜柄结构形式的后视镜模型安装到实车模型中侧窗表面各监测点三分之一倍频程平均声压级。
 
图5 侧窗表面监测点平均声压级对比
 
由图3与图5对比可知，在预测三种后视镜柄模型对气动噪声的影响方面，后视镜安装到平板模型与实车模型中，监测点的声压级变化趋势总体上具有一致性。但由于在实车环境中，后视镜区域的气流受车身其它部件的扰动，相比于平板模型变化较大，流动更加复杂，因此，研究实车状态下三种镜柄结构形式对气动噪声的影响具有重要的意义。将三种后视镜模型侧窗表面监测点的声压级数值做进一步处理，得到侧窗表面监测点总声压级。侧窗表面监测点总声压级如表3所示：

表3 侧窗表面监测点总声压级

 
由表3可知，船型镜柄后视镜模型相对于前凸型镜柄后视镜模型，声压级值可降低2.0dB，前凸型镜柄后视镜模型相比于矩型镜柄后视镜模型增高0.6dB。由此可见，不同后视镜镜柄结构形式对侧窗表面声压级影响较大。
 
2.2实车状态瞬态结果分析
下面选取每个模型的侧窗表面监测点1、5、10的声压级做进一步分析。
 
图6 后视镜模型各监测点声压级
 
图a、b、c分别为监测点1、5、10的声压级对比图，三个监测点位于后视镜镜柄后方。由图b、c可以看出，三种镜柄后视镜模型在监测点5与监测点10的声压级变动与图5各监测点平均声压级的变化趋势相同。在低频区域，前凸型镜柄后视镜模型声压级大于其余两种模型，船型镜柄后视镜模型的声压级在整个频段内较低。表明，后视镜镜柄结构形式对气动噪声的主要影响区域之一为监测点5与监测点10所在的区域。三种镜柄后视镜模型的声压级变化在监测点1区域趋势不明显，原因是距离后视镜三角形盖板的距离较近，受流过三角形盖板后部气流的影响较大。
 
3 侧风状态下结果分析

为了进一步探究不同镜柄结构形式对气动噪声的影响，选取汽车来流速度120km/h，研究±10°偏航角状态下三种后视镜镜柄结构形式对气动噪声的影响。图7为汽车不同偏航角状态示意图。
 
图7 不同偏航角示意图
 
3.1 侧风状态下侧窗声压级对比分析
为了对比侧风状态下驾驶员侧与副驾驶员侧两侧噪声差异，首先对左右两侧侧窗表面监测点平均声压级进行对比分析。图9为±10°偏航角状态下驾驶员侧与副驾驶员侧侧窗表面监测点平均声压级。
 
 
图8 ±10°侧侧窗表面监测点平均声压级对比图
 
由图8驾驶员侧与副驾驶员侧侧窗表面监测点平均声压级对比可知，在+10°偏航角状态下，副驾驶员侧（背风侧）三种镜柄结构形式的后视镜模型监测点平均声压级在2000Hz内普遍比驾驶员侧的声压级高10dB左右。在驾驶员侧（迎风侧），三种不同镜柄后视镜模型对侧窗气动噪声的影响有明显的差异性。在整个频段内，船型镜柄后视镜模型的侧窗表面声压级明显低于矩型镜柄与前凸型镜柄后视镜模型，最大差距达2.5dB，而矩型镜柄后视镜模型与前凸型后视镜模型的侧窗表面声压级相差较小；在副驾驶员侧，三种镜柄结构形式对后视镜区域气动噪声的影响相比于驾驶员侧较小，但声压级普遍处于较高的水平。其中矩型镜柄后视镜模型声压级在1000Hz后高于其余两种镜柄模型。
 
以由上分析可知，在±10°偏航角状态下，迎风侧的后视镜区域气动噪声相比于背风侧低；在迎风侧镜柄结构形状对气动噪声影响较大，在背风侧较小；在迎风侧，船型镜柄相比于矩型镜柄与前凸型镜柄具有较好的气动噪声性能。
 
3.2 侧风状态下流场分析
 
图9 +10°Z方向截面速度矢量图
 
图10 -10°Z方向截面速度矢量图
 
图9为+10°状态下后视镜镜柄上方20mm处Z方向截面速度矢量图。可以看出，三种后视镜模型的尾部涡流总体上具有一致性，气流在后视镜镜壳边缘分离后有两个方向相反的涡流区向后方发展。后视镜尾部涡流在驾驶员侧与副驾驶员侧因前方来流方向的不同而导致较大的差异：在驾驶员侧，尾部涡流有向侧窗偏移的趋势，在副驾驶员侧，有远离侧窗的趋势；在流动速度方面，副驾驶员侧后视镜前方、镜壳外侧和通道区域的气流速度普遍高于驾驶员侧。
 
在驾驶员侧，船型镜柄后视镜模型的尾部涡流相比于矩型镜柄与前凸型镜柄后视镜模型小且远离侧窗位置，矩型镜柄与前凸型镜柄后视镜模型尾部涡流直接作用在侧窗位置，且在侧窗位置中部再次形成涡流，引起侧窗位置强烈的压力脉动，进而导致侧窗区域噪声增大。
 
在副驾驶员侧，三种镜柄后视镜模型在镜柄与侧窗通道处及镜壳外缘区域有较为明显的加速现象，壁面偶极子声源急剧增大，致使副驾驶员侧的声压级普遍高于驾驶员一侧。另外，矩型镜柄后视镜模型在通道处的流速大于船型镜柄与前凸型镜柄后视镜模型，导致矩型镜柄后视镜模型在1000Hz后声压级增大。
 
对比±10°两种偏航角状态可以得知，在迎风侧，后视镜产生的尾部涡流有向侧窗表面偏移的趋势，导致侧窗表面压力脉动变化剧烈，气动噪声增大；在背风侧，后视镜尾部涡流有远离侧窗的趋势，但是背风侧气流速度相比于迎风侧有大幅增加，壁面偶极子声源增大，导致在总体上背风侧气动噪声明显高于迎风侧。

4 总结

本文对比分析了船型镜柄后视镜模型、矩型镜柄后视镜模型和前凸型镜柄后视镜分别安装在平板模型和实车模型中的气动噪声。结果表明，在平板模型和实车模型中，船型镜柄模型均有较好的气动噪声性能。研究了在±10°偏航角状态下三种镜柄后视镜模型对汽车气动噪声性能的影响。结果表明，背风侧侧窗表面监测点声压级高于迎风侧；在迎风侧，船型镜柄后视镜模型侧窗表面监测点声压级较低；在背风侧，三种镜柄后视镜模型侧窗表面监测点声压级接近。
 
 
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