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SUV A柱造型对气动噪声影响的分析与控制
2022-02-03 21:28:01· 来源：汽车NVH云讲堂
【摘要】市场调研客户集中反映某SUV在车速100km/h以上，且有横向风的工况下，车内前排能明显感知A柱区域有“呼啦”声。通过主观评价，客观测试及整车CFD分析，得
【摘要】市场调研客户集中反映某SUV在车速100km/h以上，且有横向风的工况下，车内前排能明显感知A柱区域有“呼啦”声。通过主观评价，客观测试及整车CFD分析，得出引起“呼啦”声的主要原因是A柱区域分离区大及前车门玻璃隔声差。运用CFD对A柱装饰条关键结构参数进行优化，结合玻璃隔声方案，设计多方案对比验证，最终达到明显减小“呼啦”声的目的。最后本文提出了控制A柱气动噪声的设计原则，为SUV A柱气动噪声的工程设计与控制提供参考。
关键词：气动噪声，A 柱造型，隔音玻璃
1.引言
根据J. D. Power and Associates 2012年中国新车质量研究报告显示：风噪问题位居客户抱怨前五，且有逐年上升趋势。在车辆高速行驶时，一般车速超过80km/h时，风噪声对车内有重要的影响，成为乘客抱怨和不舒适感的主要因素[1]。汽车风噪声[2][3]中起主导作用的是由车身表面压力脉动产生的气动噪声，通过车身和玻璃向车内四周辐射，这与车身的外造型直接相关。相关的研究表明车速每增加1倍，气动噪声增加18dB。在此背景下，各汽车公司投入大量的人力、物力、财力用于汽车风噪性能开发。
国外学者在关于气动噪声方面做了大量的研究工作， A.R.George[2]阐述了汽车风噪声产生的理，指出汽车车身表面的脉动压力对汽车车内的气动噪声有着重要影响，而A柱、外后视镜等区域是产生气动噪声的关键区域。国内对汽车外气动的研究已经取得了一定进展，但仍存在不足，如江苏大学曾采用比例模型进行风洞试验实现对汽车气动噪声的研究，但比例模型尺寸较小，无法反应造型设计的细节，对指导工程实践存在局限性[4] [5]。
本文针对某SUV车内前排乘客感知A柱区域“呼啦”声的问题，通过主观评价，客观测试及整车CFD仿真分析，得出引起“呼啦”声的主要原因。运用CFD仿真对A柱气动噪声大的关键影响因数进行优化，结合玻璃隔声方案，设计多方案对比验证，最终确定采用减小A柱段差和增强前侧窗玻璃的隔音性能，达到明显减小“呼啦”声的目的，并提出了控制A柱气动噪声的一般原则。
2.问题描述及确认
市场调研客户集中反映：某SUV 100km/h以上的匀速工况下，车内前排在前挡风区域总能听到一阵阵的“呼啦”声，尤其是在横向风影响下，“呼啦”声明显加重。风噪工程师对客户提出的问题从主观评价、CFD仿真分析以及客观测试三方面进行了确认。
2.1主观评价
将问题车与标杆车进行对比评价，评价结果如下：高速巡航时，标杆车和问题车前排车门密封系统密封良好，无明显的泄露声。标杆车前排A柱区域气动噪声比较线性，无杂乱的扰流声，车内隔声效果好，语音通话质量高；而问题车前排A柱区域存在较多杂乱的扰流声，听起来让人烦躁，且车内的隔声效果明显差于标杆车，语音通话质量差。
2.2风噪客观测试
对问题车在车速120km/h 0°偏角工况下的时域信号进行FFT变换，再应用滤波回放技术，认定“呼啦”声的频率在3000-6000Hz。
2.3CFD仿真分析
由主观评价可知，“呼啦”声主要是在A柱和前侧窗区域，为了找出前排乘客感知“呼啦声”具体的位置，对问题车进行CFD仿真计算，并与标杆车进行比对。
从流场对比看，在120km/h 0°偏角时问题车流过侧窗的气流主要集中在前侧窗上段，而流向标杆车前侧窗的气流比较均匀，如图2示 ；在10°偏角工况下，问题车流向前侧窗的气流比标杆车要多且杂乱，如图3示。从A柱的分离区上看，问题车在A柱的分离区的长度、宽度分别比标杆车长800mm，83mm，分离区明显大于标杆车，如图4示。
从主观评价、客观测试及CFD仿真可知，造成前排乘客所感知的“呼啦”声主要原因是气流在A柱分离区大，从而造成分离区强烈的脉动压力，产生大的气动噪声，且问题频段在3000-6000Hz。
3.风噪性能优化目标
根据风噪性能提升的要求，优化后问题车高速风噪性能达到标杆车水平，制定优化目标如下表1所示。
4. A柱CFD仿真优化
针对问题车在A柱区域分离区大的问题，在不更改A柱造型的基础上，可以优化的结构参数只有A柱与前挡风玻璃之间的段差和迎风面的宽度，如图5所示。选择A柱与前挡风玻璃之间的段差12-20mm（兼顾A柱的造型风格），迎风面宽度10-25mm（兼顾驾驶员的障碍角），进行CFD仿真优化，得出最优方案是A柱与前挡风玻璃之间的段差18mm，迎风面宽度20mm。优化结果如表2所示： 120km/h时，0°工况下最优方案比原状态优化幅度达到25%；120km/h时，10°工况下最优方案比原状态优化幅度达到60%，但仍然与标杆车存在差距。
表2 优化方案与原状态分离区进行比较表
5.多方案优化设计
为了弥补A柱优化方案与标杆车的差距，达到标杆车风噪性能水平。从增加A柱装饰件（与前挡风之间的段差18mm，迎风面宽度20mm），增强前侧窗的隔声性能出发，制定以下四种优化方案，如下表3所示。
6.试验验证
在道路上对Case 1~4进行验证和主观评价， 120km/h时，0°工况下，声压级频谱曲线比较如图6示，语言清晰度曲线如图7示。
Case 1：单方案验证，仅增加A柱装饰件；与原状态相比，在3000-6000Hz声压级都有不同程度的降低，尤其是4000-5000Hz声压级改善明显，车内总声压级降低1.1dB，语言清晰度提升2.9%，主驾位置A柱区域噪声改善较明显，尤其是车速120km/h以上改善明显；但前侧窗有大量杂乱的扰流声，主观评价不可接受，这和前侧窗玻璃的隔音效果有直接的关系。
Case 2：单方案验证，仅增加前车门玻璃厚度（前车门玻璃厚度由3.5mm加厚至4.0mm）；相比原状态，高速巡航车内总声压级最高改善0.4dB，语言清晰度提升1.4%AI；在频率4000-6000Hz之间声压级有改善。前排整体风噪声略微降低，但杂乱的扰流声仍然明显，Case 2效果不理想。
Case 3：单方案验证，仅将前侧窗玻璃更换为隔音夹层玻璃（厚度为4.0mm）；相比原状态，总声压级降低2.6dB，语言清晰度提升6%AI；3000Hz以上高频成分均有所下降，车内整体的隔音效果大幅提升，隔绝了前排大部分杂乱的扰流声，车内变得很安静，但在横向风较大的环境下，A柱的气动噪声仍然明显。
Case 4：组合方案验证，增加A柱装饰件，并将前侧窗玻璃更换为隔音夹层玻璃（厚度为4.0mm）；相对于原状态，声压级降低1.3-2.7dB，语言清晰度提升6.1%AI-8.2%AI，具体的客观测试数据如表4所示，侧窗的杂乱的扰流声很少，很轻微，在横向风较大的情况下，车内的气动噪声变得很轻微。车内的整体舒适感很好，且达到了预期的优化目标。
综合考虑改善效果，最终确定采用增加A柱装饰条，前侧窗采用隔音夹层玻璃的组合方案（Case 4方案）。
7.A柱气动噪声设计原则
（1）一般在造型阶段尽量将A柱与前挡风玻璃之间的段差控制在12mm以内，如果因造型限制，造成段差过大，可以通过增加A柱装饰条的方法来减小段差，一般情况下装饰条与A柱的段差控制在2mm以内，装饰条宽度控制在10-22mm，更有利于降低A柱区域的气动噪声。（2）A柱对改善4000-5000Hz频段噪声效果较好，玻璃加厚对4000-6000Hz频段噪声效果好，隔音玻璃对3000-6000Hz频段噪声改善明显。
8.结论
本文针对某SUV车内前排乘客感知A柱区域“呼啦声”问题，通过主观评价，客观测试及整车CFD仿真分析，得出引起“呼啦”声的主要原因。通过CFD优化得出增加A柱装饰条最优方案，结合前侧窗玻璃隔声性能设计多方案优化试验验证，达到明显降低车内前排“呼啦”声的效果，得出以下结论：
（1）在造型阶段应高度关注A柱与前挡风玻璃之间的段差、A柱的迎风面宽度，而在产品上市后如果A柱局部气动噪声大，在不影响造型风格的前提下可以通过增加A柱装饰件方案减小噪声源。
（2）应用CFD仿真手段能够找出气动噪声产生的原因及影响区域，为试验方案的设计提供优化方向。
（3）对改善高速风噪而言，隔音玻璃方案改善的频段要大于玻璃加厚方案的频段，玻璃加厚方案改善的频段要大于A柱装饰件方案的频段。
（4）SUV因造型比轿车高，在前侧窗的扰流声要明显大于轿车，因此在中高档SUV上采用侧窗隔音玻璃能够极大地改善前排扰流声，提高乘客的舒适。
作者：张涛1,2 ，董国旭1,2 ，张军1,2 ，贾文宇1,2 ，刘华1,2，王俊11
作者单位：长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院 NVH 所，重庆，401120 2汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆，401120
来源：2017汽车NVH控制技术国际研讨会论文集
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