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汽车气动阻力与气动声学开发的区别与联系
2021-02-23 21:36:02· 来源：汽车NVH充电宝 作者：汽车NVH充电宝
让我们先从几个问题说起： ①风阻系数较低的流线型的汽车是不是就有较好的气动声学性能？ ②在汽车流体开发领域，气动工程师和声学工程师是否存在矛盾的地方？ ③汽车性能开发中，是否存在方案是否既有利于减阻，也有利于降噪？ 上述的这一类问题是汽车性能开
让我们先从几个问题说起：
①风阻系数较低的流线型的汽车是不是就有较好的气动声学性能？
②在汽车流体开发领域，气动工程师和声学工程师是否存在矛盾的地方？
③汽车性能开发中，是否存在方案是否既有利于减阻，也有利于降噪？
上述的这一类问题是汽车性能开发工程师常常遇到的疑惑，在工作中也经常遇到。我们要回答上诉的问题，首先要弄明白两者的产生机理，以及两个学科领域的历史发展和理论依据。
今天就抛砖引玉，简单谈一谈，汽车减阻和降噪的区别与联系。
一、汽车空气动力开发-气动阻力
汽车的空气动力开发是一个多维度集成的开发，涉及到气动阻力、行驶稳定性、水管理、防污等等，高速行驶的操控性能主要是高性能汽车，比如方程式赛车重点考虑的，对于家用的轿车，人们主要关注的还是日常行驶的油耗，跟它最相关的就是气动阻力。降低行驶阻力，能够给用户带来实实在在的收益，那就是省油，同时还能减少排放。同时具有低风阻的造型一般具有流线型，还具有美学造型，也能获得用户的青睐。
汽车匀速行驶的阻力主要来自轮胎和空气，随着车速的提高，空气阻力占主要贡献。
举个例子：
对于Cd*A=0.8m2的汽车
V=65km/h，55%的能量用于克服空气阻力
V=90km/h，70%的能量用于克服空气阻力。
当然在阻碍汽车行驶的阻力因素中，有形状阻力、诱导阻力，摩擦阻力、内部阻力等等，机理复杂，为了简化问题，抓住主要矛盾，占比最大的还是形状阻力。
在形状阻力中，前部阻力占比65%，主要是汽车前部造型的迎风面的正压引起，减阻的方向就是减少前脸的正压，减少压差；35%来自于气流在尾部分离引起的压差阻力，减阻的方向就是增加尾部的负压，减少压差。还有极少的一部分来自车身顶部、侧部和底部的剪切力。
二、理论基础-伯努利方程
从产生机理来看，汽车形状阻力的根本原因在于空气的压差，这一切的要归功于瑞士流体物理学家丹尼尔·伯努利所作的贡献。
在流体动力学，伯努利原理指出，无黏性的流体的速度增加时，流体的压强能或势能（势能）总和将减少，用公式表达就是：
当气流流速不高，密度可视为不变，且气体的重量又很小，所以这一项可以忽略不记。那么方程就变为静压和动压之和为定常数。
根据伯努利方程可以得出结论：
在气流中，流速越快，动压力就越大，静压就越小。
同时可以推出压力系数的表达式：
进一步推导，可以得到跟流速的关系：
从表达式上看，它是一个小于等于1的数，理论上可以为负无穷大。当Cp=1时，V=0，此时静压最大，叫做驻点，相当于气流在此处相对静止。
压力系数Cp是减去环境压力、除去密度、除去速度影响的无量纲参数。它是气动工程师进行气动造型优化的法宝。
三、汽车空气动力开发-气动噪声
汽车气动噪声开发是NVH开发的内容，它产生的机理可以用源-路径-响应模型解释。能跟气动阻力有联系就是外形噪声，传递路径和响应就单纯是声学领域的内容。咱们重点来介绍下气动声源的问题。
在古老的经典的力学学科中，气动声学算是比较年轻的一个分支。因为直到1952年，在英国曼彻斯特大学任教的詹姆斯莱特希尔教授，推导出了莱特希尔声学方程，从此奠定了现代气动声学的基础。
它将流体的运动方程和经典的波动方程结合起来，将流体的运动声源放在方程的左边，而将声学波动方程放置于方程右边，将控制可压缩粘性流体流动的Navier-Stokes方程不均匀的波动方程，从而在流体力学和声学之间建立了联系。
借助于莱特希尔方程中的源项，可以首次从物理上理解自由湍流产生声音的本质，从而极大的推动了气动声学的发展。
根据声学的简化关系，根据流体动力学，质量定律和力学关系，推导出了该方程声类比方程，并且得到简化的解法。
方程的解有多项式组成。分别是单极子声源，偶极子声源和四极子声源。单极子声源的特性，跟速度的四次方成正比。偶极子各速度的六次方成正比，四极子跟速度的六次方成正比。
所以控制气动噪声，根本就是控制流速。当然汽车的行驶速度是没法控制的，这里主要是抑制局部气流加速，气流容易产生加速的地方，就是气动声源发生的地方。
四、两者的区别与联系
至此，气动阻力与气动声学在经典力学大厦下联系起来，降低气动阻力，就是要降低压差；降低气动噪声，就是要降低流速。根据前面的伯努利方程，静压（跟压差相关）与动压（跟流速相关）之和为常数。所以从这个角度，两者是有千丝万缕的联系的，但是也是有区别的。
区别在于压差的控制：对于前部压差阻力，来自于前脸的过压，因此需要加速气流流速来降低静压，这是与气动噪声控制违背的；对于尾部的压差阻力，来自于尾部分离的欠压，需要降低流速来提高提高静压，这是与气动噪声控制一致的。
所以具体的问题需要具体的对待，没有放之四海而皆准的原则，但有一点不变的就是只有掌握两者的学科原理，才能在面对具体问题时，该如何分析与选择。
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