沈沉+王洋+劉斌+陶澤平

摘 要：通過(guò)近場(chǎng)測(cè)量法獲得實(shí)車空調(diào)出風(fēng)口嘯叫的聲壓數(shù)據(jù)，并分析其頻譜，又通過(guò)耦合氣動(dòng)-聲學(xué)數(shù)值計(jì)算研究流場(chǎng)結(jié)構(gòu)并探究嘯叫機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，嘯叫的發(fā)生與空調(diào)出風(fēng)口的風(fēng)門(mén)位置和內(nèi)外壓差聯(lián)系密切。當(dāng)幅值-頻域信號(hào)中2 kHz以上部分存在明顯的頻譜峰值時(shí)，嘯叫明顯。嘯叫產(chǎn)生的機(jī)理在于擬序渦結(jié)構(gòu)脫落引發(fā)的有規(guī)律的壓力脈動(dòng)，輻射后形成較為規(guī)則的聲壓脈動(dòng)。為預(yù)測(cè)嘯叫、改進(jìn)設(shè)計(jì)、預(yù)防嘯叫提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：NVH；噪聲辨識(shí)；數(shù)值模擬；氣動(dòng)噪聲；嘯叫

中圖分類號(hào)：U463.85+1文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.03.11

乘用車噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness，NVH）性能直接影響到乘坐舒適性，空調(diào)出風(fēng)口嘯叫是一種常見(jiàn)的NVH問(wèn)題，會(huì)引起乘客不適與疲勞[1]，越來(lái)越多的主機(jī)廠和供應(yīng)商開(kāi)始關(guān)心并設(shè)法解決該問(wèn)題。汽車空調(diào)出風(fēng)口嘯叫是一種主觀感受，定義并辨識(shí)嘯叫在出風(fēng)口研發(fā)和認(rèn)證過(guò)程中十分重要。相關(guān)研究已經(jīng)表明：車內(nèi)舒適性與響度、尖銳度、粗糙度、波動(dòng)度等因素相關(guān)[2]，而出風(fēng)口嘯叫對(duì)車內(nèi)噪聲的響度、尖銳度、粗糙度都有明顯的影響，所以研究并改善出風(fēng)口嘯叫具有重要的工程意義。目前對(duì)于出風(fēng)口嘯叫的評(píng)估主要采取臺(tái)架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)兩種方式，而對(duì)嘯叫產(chǎn)生的機(jī)理缺少有效的分析方法。嘯叫的成因較為復(fù)雜，其影響因素包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)門(mén)、風(fēng)道、葉片等。運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析嘯叫形成機(jī)理對(duì)識(shí)別影響因素、改進(jìn)設(shè)計(jì)、預(yù)防嘯叫具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)的主客觀評(píng)價(jià)

以某中型SUV車型的出風(fēng)口為研究對(duì)象，圖1為該車型中控臺(tái)出風(fēng)口數(shù)模。風(fēng)道內(nèi)部包含有葉片、風(fēng)門(mén)等結(jié)構(gòu)，當(dāng)風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)到接近關(guān)閉的最小出風(fēng)狀態(tài)（即撥輪開(kāi)啟一格）時(shí)會(huì)產(chǎn)生嘯叫現(xiàn)象。如果同時(shí)關(guān)閉其它出風(fēng)口，則單個(gè)出風(fēng)口壓降增加，嘯叫更為明顯。實(shí)車出風(fēng)口的內(nèi)外壓差由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，當(dāng)風(fēng)門(mén)關(guān)閉時(shí)，風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)壓升為250 Pa。

采用近場(chǎng)測(cè)量法測(cè)量噪聲，利用麥克風(fēng)實(shí)車采集出風(fēng)口噪聲并記錄聲壓變化，測(cè)點(diǎn)位置距離出風(fēng)口100 mm。麥克風(fēng)避開(kāi)氣流并布置在射流剪切層外，以避免測(cè)得的數(shù)據(jù)被假聲信號(hào)干擾。記錄了9組聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，涵蓋了儀表板出風(fēng)口、中控臺(tái)出風(fēng)口、副儀表板出風(fēng)口3種出風(fēng)口類型，其中包含1組無(wú)嘯叫聲、5組有較弱嘯叫聲以及3組有非常明顯嘯叫聲的數(shù)據(jù)。9組數(shù)據(jù)的快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）得到的頻域信號(hào)，截取長(zhǎng)度為10 s，加窗方式為漢寧（Hanning）窗[3]。

圖2為無(wú)嘯叫一段時(shí)域信號(hào)和FFT后的頻域幅值信號(hào)。從頻域信號(hào)來(lái)看，這種能量隨頻率增加而衰減的趨勢(shì)比較接近棕色噪聲[4]。

圖3為嘯叫較弱的一段時(shí)域信號(hào)和幅值頻域信號(hào)。從頻域信號(hào)來(lái)看，能量隨頻率增加而衰減，但在3.4 kHz和7.5 kHz附近存在較明顯的峰值。主觀上能夠識(shí)別出這種嘯叫，但并不十分明顯。

圖4為有非常明顯嘯叫的一段時(shí)域信號(hào)和幅值頻域信號(hào)。從時(shí)域信號(hào)來(lái)看，可以發(fā)現(xiàn)明顯的主信號(hào)趨勢(shì)，附近存在“毛刺”狀的脈動(dòng)特性，從頻域信號(hào)來(lái)看，在5.7 kHz和11.3 kHz兩個(gè)特征頻率附近存在明顯的峰值，說(shuō)明能量在這兩個(gè)頻率十分集中，主觀上能夠聽(tīng)到十分明顯而尖銳的嘯叫聲。

圖5選取了6組典型出風(fēng)口噪聲信號(hào)所得到的幅值頻域結(jié)果。通過(guò)對(duì)頻譜的分析并總結(jié)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)有嘯叫聲的頻譜中存在共同點(diǎn)：在2 kHz以上區(qū)域存在較明顯的峰值。因此可以以“2 kHz以上部分存在明顯的頻譜峰值”作為量化的定義嘯叫的方式，并以此準(zhǔn)則來(lái)辨識(shí)嘯叫。

2 數(shù)值計(jì)算

以該車出風(fēng)口作為數(shù)值模擬對(duì)象。由前文所述的實(shí)車測(cè)試發(fā)現(xiàn)：風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)對(duì)嘯叫具有決定性影響，而葉片調(diào)節(jié)對(duì)嘯叫幾乎沒(méi)有影響，無(wú)論葉片處于何種角度都幾乎不會(huì)改變嘯叫性質(zhì)和峰值頻率，由此可以判斷：嘯叫的成因與風(fēng)門(mén)附近的流場(chǎng)有著密切聯(lián)系，風(fēng)門(mén)設(shè)計(jì)和風(fēng)門(mén)位置對(duì)嘯叫具有決定性作用。試驗(yàn)表明：當(dāng)風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)到接近關(guān)閉的最小出風(fēng)狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生嘯叫聲，而風(fēng)門(mén)撥輪繼續(xù)調(diào)大一格則沒(méi)有嘯叫發(fā)生，因此以這兩種狀態(tài)為計(jì)算對(duì)象作對(duì)比分析。

采用有限體積法對(duì)出風(fēng)口附近的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以重整化群（RNG）k-ε湍流模型[5]結(jié)合（Scalable）壁面函數(shù)[6]得到初始流場(chǎng)后，采用代數(shù)壁面建模的大渦模擬（Algebraic Wall-Modeled LES Model）方法[7]，最大的局部邊界層Y+控制在10以內(nèi)。邊界條件采用壓力入口設(shè)定為設(shè)計(jì)壓降250 Pa（與試驗(yàn)時(shí)的邊界條件吻合），出口設(shè)置為壓力出口，計(jì)算域截面網(wǎng)格如圖6所示。采用雙精度的數(shù)值精度，二階格式SIMPLE算法計(jì)算[8]。

求解穩(wěn)定后的某一時(shí)刻時(shí)的非定常風(fēng)門(mén)附近的速度云圖如圖7所示，兩種風(fēng)門(mén)狀態(tài)下局部最大流速分別為21.5 m/s和34.1 m/s。從其速度分布可以發(fā)現(xiàn)，最小出風(fēng)狀態(tài)下氣流主要從風(fēng)門(mén)頂端流出，而繼續(xù)調(diào)大風(fēng)門(mén)后，風(fēng)門(mén)下方逐漸成為主要的氣流出口。

3 機(jī)理分析

出風(fēng)口嘯叫屬于典型的氣動(dòng)噪聲，因此需要從流場(chǎng)結(jié)構(gòu)角度加以分析。由圖7（a）可以看出兩股射流在A區(qū)域交匯，由于存在相對(duì)速度差，兩股射流之間存在剪切層，隨著流場(chǎng)的發(fā)展，剪切層附近不斷產(chǎn)生擬序渦結(jié)構(gòu)并脫落[9]，渦量云圖如圖8所示。對(duì)比圖8（a）和（b），雖然只是風(fēng)門(mén)開(kāi)啟的角度不同，但整個(gè)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)差異巨大，流場(chǎng)呈現(xiàn)出兩種完全不同的狀態(tài)。

圖8（a）表明脫落的擬序渦結(jié)構(gòu)隨流場(chǎng)向后移動(dòng)并且不斷擴(kuò)散、破裂、融合，這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較為規(guī)則的壓力脈動(dòng)，如圖9（a）所示，輻射到遠(yuǎn)場(chǎng)后形成較為規(guī)則的聲壓變化，因此會(huì)在頻域上的某些固定頻率產(chǎn)生峰值，這就是嘯叫產(chǎn)生的機(jī)理。而風(fēng)門(mén)開(kāi)大狀態(tài)下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)更不規(guī)則，整個(gè)流場(chǎng)不存在明顯起主導(dǎo)作用的擬序結(jié)構(gòu)，如圖8（b）所示，無(wú)法在某些特定的特征頻率下形成有效的噪聲輻射，所以整個(gè)氣動(dòng)噪聲接近于棕色噪聲。需要指出：圖9（b）中的標(biāo)尺比圖9（a）大一個(gè)數(shù)量級(jí)，且壓力分布不規(guī)則，說(shuō)明了風(fēng)門(mén)調(diào)大后無(wú)法在某一特定頻率輻射噪聲，輻射的噪聲必然占據(jù)寬廣且較低的頻率范圍，故無(wú)法產(chǎn)生明顯嘯叫。

使用FW-H聲類比模型[10]可以模擬遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓脈動(dòng)信號(hào)，并得到氣動(dòng)噪聲的頻譜，但由于現(xiàn)今氣動(dòng)噪聲的數(shù)值模擬通常與試驗(yàn)結(jié)果在低頻區(qū)域存在一定的誤差，用此方法預(yù)測(cè)出風(fēng)口嘯叫頻率并不是十分理想的方法?；谏鲜鲈颍@里僅對(duì)流場(chǎng)中20個(gè)固定測(cè)點(diǎn)記錄壓力脈動(dòng)信號(hào)，并針對(duì)壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。以圖6中的點(diǎn)1為例，獲得了如圖10所示的頻譜。從中發(fā)現(xiàn)超過(guò)2 kHz的位置上也存在明顯的峰值，這與試驗(yàn)結(jié)果是統(tǒng)一的，印證了數(shù)值模擬的有效性。需要注意的是由于圖10是壓力脈動(dòng)的頻域信號(hào)，而非輻射后的聲壓信號(hào)，故圖10與圖4并非直接相關(guān)，因此不能將它們直接對(duì)比，但頻譜分析仍然具有參考意義。

由于這種嘯叫并非由單純的繞流或狹縫射流引發(fā)，而是帶壁面效應(yīng)和剪切層效應(yīng)的相對(duì)復(fù)雜的流動(dòng)，因此無(wú)法使用狹縫或繞流的半經(jīng)驗(yàn)公式（1）計(jì)算峰值頻率[11]，工程中使用數(shù)值模擬的方式預(yù)測(cè)嘯叫可行實(shí)用。

。

基于上述嘯叫機(jī)理，通過(guò)改變風(fēng)門(mén)框邊緣的設(shè)計(jì)（圖11），有效改善了風(fēng)門(mén)附近的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，使出風(fēng)口的聲品質(zhì)得到了提升，消除了嘯叫現(xiàn)象。圖11所示增加的鋸齒結(jié)構(gòu)相當(dāng)于渦流發(fā)生器，起到擾流的作用，從而破壞了擬序的渦結(jié)構(gòu)，從根源上解決了嘯叫問(wèn)題。

4 結(jié)論與展望

通過(guò)試驗(yàn)研究以及數(shù)值計(jì)算，獲得以下結(jié)論：

（1）嘯叫與風(fēng)門(mén)位置、內(nèi)外壓差聯(lián)系密切，與葉片位置等因素關(guān)系不大。

（2）幅值頻域信號(hào)中2 kHz以上部分存在明顯的頻譜峰值時(shí)，嘯叫明顯。

（3）嘯叫產(chǎn)生的機(jī)理在于剪切層附近不斷產(chǎn)生擬序渦結(jié)構(gòu)并脫落，脫落的擬序渦結(jié)構(gòu)隨流場(chǎng)向后移動(dòng)并且不斷擴(kuò)散、破裂、融合，這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較規(guī)則的壓力脈動(dòng)，輻射到遠(yuǎn)場(chǎng)后形成較為規(guī)則的聲壓變化，因此會(huì)在頻域上的某些固定的頻率產(chǎn)生峰值，從而產(chǎn)生嘯叫現(xiàn)象。

（4）這種嘯叫的成因是帶壁面效應(yīng)和剪切層效應(yīng)的相對(duì)復(fù)雜的流動(dòng)，數(shù)值模擬的方式可以用于工程中預(yù)測(cè)嘯叫。

（5）數(shù)值模擬中，可以通過(guò)觀察流場(chǎng)中測(cè)點(diǎn)壓力的脈動(dòng)及其頻譜來(lái)預(yù)測(cè)嘯叫頻率。

（6）通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可以有效消除嘯叫現(xiàn)象。

綜上所述，解決嘯叫問(wèn)題主要在于優(yōu)化風(fēng)門(mén)較小時(shí)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，今后可以研究從優(yōu)化風(fēng)道和風(fēng)門(mén)設(shè)計(jì)入手，從根源上解決嘯叫問(wèn)題。也可以研究更多的空調(diào)出風(fēng)口結(jié)構(gòu)和噪聲，總結(jié)出降低噪聲的規(guī)律，以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。今后還可以對(duì)風(fēng)門(mén)轉(zhuǎn)角、鋸齒形狀、鋸齒密度做參數(shù)化的研究分析，以達(dá)到優(yōu)化的目的。

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