隨著國內汽車行業設計制造水平的不斷提高，不同品牌汽車之間使用性能和安全性能上的差距已經越來越小，乘坐舒適性已成為評價汽車品質的關鍵因素。其中，汽車噪聲水平至關重要，過高的噪聲會影響駕駛員和成員的情緒，甚至會導致駕駛員分神，致使交通事故的發生。汽車噪聲從噪聲源上可分為：傳動系噪聲、發動機噪聲、路面-輪胎噪聲、進排氣噪聲以及氣動噪聲等。隨著其余噪聲持續得到控制，氣動噪聲成為汽車高速行駛時的主要噪聲源，影響車輛乘坐舒適性。因此控制汽車風振噪聲具有非常現實的意義。

風振噪聲概述

流場中理想噪聲源主要有三種：

• 單極子聲源：是媒質中流入的質量或熱量不均勻時形成的聲源。例如發動機進氣、排氣時產生的噪聲。單極子聲源的聲場，其振幅和相位在球表面的每個點都是相同的，在靜止流體中的單極子聲源 ，其指向性在各個方向上是均勻的。

• 偶極子聲源：當流體中有障礙物存在時，流體與物體產生的不穩定的反作用力形成的聲源。例如湍流沖擊物體表面。偶極子可以看作是另個相互之間十分接近但相位相差180度的單極子。

• 四極子聲源：媒質中如果沒有質量或者熱量的注入，也沒有障礙物的存在，只有粘滯應力可能輻射聲波，會形成四極子聲源。四極子可以看作是由兩個具有相反相位的偶極子形成的，也可以看作是由四個單極子組成。橫向四極子表示剪切應力，縱向四極子表示縱向應力。

風振噪聲是由空氣的二維分離流動引起的，其主要聲源類型為偶極子聲源。它是在汽車行駛過程中，由于側窗或者天窗打開而產生的。風振噪聲的頻率低但強度高，人體若長時間處于風振噪聲的環境下，很容易產生疲勞感及不愉快感。

風振噪聲機理研究

風振噪聲數值模擬需要注意兩點：

• 明顯的低頻特性；

• 氣流的可壓縮性。
  

風振噪聲是一種復雜的空腔流激勵發聲現象，是流體力學、空氣動力學、聲學等多學科的交叉，主要研究基礎是亥姆霍茲共振及空腔流自激振蕩。

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亥姆霍茲共振

亥姆霍茲共振器是一種最基本的聲共振系統，最典型的是一個帶有一個開口短管的剛性容器。汽車在側窗或天窗開啟時，車內空間類似于一個亥姆霍茲共振器，具有其基本特性。

亥姆霍茲共振器

空腔內部空氣受到外界波動P 的強制壓縮時，會引起短管內空氣段A 的振動，而空腔內的空氣對其產生恢復力，構成由短管部空氣質量和腔體內空氣彈性構成的振動系統，這對施加作用的波動會產生共振效應，其固有頻率為：

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空腔噪聲

氣流流經空腔時會產生離散和寬頻噪聲。引起空腔噪聲的主要機理有兩種：

• 壓力波反饋機制：空腔開口前緣的湍流邊界層在開口處形成不穩定的剪切層，剪切層隨來流向下游運動并失去穩定，進而產生漩渦，漩渦脫落并繼續向下游運動，當撞擊到空腔后壁面時，漩渦會破碎、耗散，產生一個向空腔開口上游擴散的脈動壓力波（即反饋壓力波），此壓力波傳播到達空腔開口前緣后會誘發新的漩渦脫落，如此循環振蕩形成反饋機制。

空腔噪聲反饋機制示意圖

• 聲共振：對于深腔而言，噪聲的產生是由于腔口非定常渦脫落誘導的聲共振。

簡單車廂風振噪聲數值模擬

采用CFD對簡單車廂進行模擬研究。

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建立幾何模型

選擇了3.2m*1.4m*1m的簡易車廂模型進行仿真分析，車窗開口位于車廂正中央，尺寸為0.1m*0.24m*0.015m，監測點位于車廂底部正中央。

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計算域確定與網格劃分

為了驗證仿真的準確性，將仿真結果和風洞試驗結果進行對比，故計算域尺寸應與風洞試驗測試時的風洞尺度相當。所采用的簡易車廂模型結構非常規則，所以采用六面體網格對其進行網格劃分。附面層第一層的厚度為0.1mm，并以1.2的比例逐層生長。

計算域示意圖

計算域的縱對稱面上的網格分布圖

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邊界條件設置

在進行瞬態計算之前，通常需要先進行穩態計算，并將穩態計算得到的結果作為瞬態計算的初始值。本文選用Reslizablek-ε模型來獲得穩態計算。

計算域邊界條件設置

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仿真結果

來流速度為25m/s時監測點的脈動壓力時序圖

監測點的聲壓頻譜圖

簡單車廂聲學風洞試驗

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低噪聲風洞介紹

試驗由課題合作研究者王怡平博士在美國普度大學的Herrick低噪聲風洞中完成。風洞為低速、直流、單試驗段的小型氣動聲學風洞，全長10.4m，高2.3m，其中試驗段長1.23m，橫截面寬0.53m，高0.58m。風速在0~28m/s范圍內連續可調。

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聲場測試系統介紹

實驗所用的噪聲測試設備為：比利時LMS公司Test.Lab系統。

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模型安裝

廂體由兩根橫梁托住，并保持其頂端開口的上表面與風洞的下地板平齊，麥克風固定于廂體的底部中心，且其頭部與廂體底面平齊。

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實驗結果分析

實驗得到的25m/s時監測點的脈動壓力時序圖

實驗得到的監測點的聲壓頻譜圖

仿真結果與試驗結果對比分析

25m/s時監測點的靜壓時序圖對比

監測點的脈動壓力頻譜圖

總體來看，數值仿真與風洞試驗所得到的結果是很吻合的，說明數值仿真方法來分析汽車風振噪聲是正確且準確的。

文章選自：

董光平. 汽車風振噪聲機理及控制研究[D]. 湖南大學, 2012.