气动噪声之“狮子吼”

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在实际的工程问题中，我们会碰到很多气动噪声的问题，其中尤以单音噪声最令人讨厌。而如果把噪声中的高频啸叫比喻成变幻莫测的暗器，那么低频的共振则像极了站在你面前的“狮子吼”。暗箭难防，明吼亦难扛啊。

提到工程上的低频共振问题，汽车的天窗/侧窗风振则首当其冲。今天，我们就以风振为例，看看流体工程师们该如何对付摄人心魄的“狮子吼”。

01、狮子吼是怎样练成的

大家在平时开车的时候或许都有过这样的经历：如果单独打开天窗，随着车速的增加，会在三、四十公里/小时的时候，车内开始出现一个明显的共振现象；但如果持续加速，大概在六、七十公里/小时的时候就会慢慢消失，这个共振现象就是我们常说的风振。

那么，风振到底是什么原因导致的呢？

当高速气流流过天窗开口的前缘时，由于粘性和剪切，会在开口附近形成脱落涡->>脱落涡向下游发展的时候会和天窗开口的尾缘相互作用，产生声激励向乘员舱内辐射->>乘员舱在激励作用下会产生声压响应；当此压力响应的频率和天窗前缘涡脱落的频率一致的时候，会进一步激发涡脱落->>这样前缘涡脱落和乘员舱的声响应就形成了一个锁定的自激振荡，也就是我们常说的亥姆霍兹共振，即为天窗风振。

当然，前、后侧窗分别打开时也可能会引起风振。只是由于A柱涡流和后视镜尾流的作用，前侧窗的来流更加混乱，不易产生规则且高能的脱落涡，风振现象较弱；而后侧窗的来流相对于前侧窗更加光顺，所以更容易出现风振现象。

02、摧枯拉朽的威力

狮子吼是天下至刚至强的少林七十二绝技之一。清啸之下，犹如迅雷疾泻声闻数里，令对手肝胆俱裂，心惊胆战，具有震慑人心的威力。现实中我们虽然体会不到这武侠中的绝技，但实际感受过汽车风振的人都会明白，风振的威力不会亚于传说中的狮子吼。

基于大部分乘用车的尺寸，根据赫尔姆兹共振腔的公式计算，风振的频率为20Hz左右。虽然这个频率已经接近人耳听力阈值的下限，通过人耳很难直接听到，但我们的身体对低频的波动非常敏感，而风振的幅值又比较高，往往在100dB以上。所以风振像狮子吼一样，妥妥的是一种次声波武器，会给人一种强烈的压抑感，使人容易焦虑、烦躁。

虽然风振是典型的低频共振问题，只会在特定工况下达到最大的声压级峰值，然而风振现象会在一个相对较宽的速度范围内出现，这使得乘客对风振的感受仍非常明显。而且风振的性能对来流工况非常敏感，一言不合狮子吼就来了，这也对汽车工程师解决风振问题提出了更高的挑战。

因此，为了准确评估风振现象，我们需要计算不同车速下的声压级峰值。然后以风速为横坐标，峰值声压级为纵坐标，建立一条速度扫掠曲线来描述风振的开始、峰值以及衰退的过程。下图给出了某车型天窗风振的速度扫略曲线，可以看到风振现象出现在较低的风速，峰值声压级随风速增加而变大，达到极大值后又慢慢衰退。

03、风振特性的干扰因素

据说修炼“狮子吼”的不但需要良好的身体素质，还要尽量避免抽烟、喝酒等不良习惯，否则会气息散乱而无法发挥最大的威力。那么对于风振而言，除了来流条件以及汽车本身的构型之外，还有哪些参数会影响它的威力呢？

  · 泄露的影响：首先，汽车在高速行驶的时候，天窗或者侧窗附近流速较高而压力较低。如果打开天窗或侧窗，车身附近的一些高压区域就会有流体沿车身缝隙处泄露流入乘员舱内，并从天窗或者侧窗流出。如果泄漏量很大的时候，天窗前缘形成的脱落涡就容易被吹开，进而削弱共振现象。

  · 吸声及透射：衣服穿的太厚肯定会影响狮子吼的发挥。同样，乘员舱的内饰对于声音具有一定的吸收和透射的效果，即产生一定的阻尼效果，进而会降低风振的声压级水平。通常情况下，网眼的座椅比皮质的座椅对于声音有更好的阻尼效果。

  · 柔性壁面：更有趣的是，乘员舱内饰并不是绝对的刚体，即在声激励的作用下，会产生非常微弱的膨胀。这个膨胀就好像弹簧一样，也会对声音的传播产生一定的阻尼效果，导致声压级水平的略微降低，并导致风振峰值频率的小幅变化。

04、实验的局限

兵家说“知己知彼，百战不殆”，要想破解风振的狮子吼，首先要在实验或者仿真中将其准确的复原，然后再寻求破解之道。

通过实验重现风振问题，原则上很容易——只需在风洞或者路试中逐渐增加风（车）速，就可以准确定位风振的起始、峰值和衰退的速度区间，当然最重要的峰值声压级也能够准确的量化。

但问题在于，且不说车辆开发早期根本没有物理样车。即便有了物理样车，随着车辆开发的推进，不仅车辆构型在不断更新，密封性能和内饰也在不断调整。比如，物理样车的内饰与最终的量产车会有很大差异，且密封性也远不如量产车，这些都可能导致样车实验测出来的峰值声压级水平不高，但最终量产车的风振声压级水平超标。

05、仿真计算的关键考虑

实验满足不了要求，还是上仿真吧。

不过回归到仿真，同样面临着泄露、吸声以及柔性壁面的真实效应，那么仿真中又该如何应对呢？

  · 对于泄露的模拟，当然很简单，只要在仿真中添加尽量真实的泄漏量即可，但是泄漏的位置要尽量远离天窗/侧窗的开口处，避免直接影响开口处的实际流动；

  · 对于乘员舱内部的吸声或透射效果，可以使用带吸声属性的壁面来模拟。不过还有一个更为讨巧的办法，将乘员舱内的部分壁面设置为100%吸声，再调整这个吸声面的面积，来匹配真实的乘员舱对声音的阻尼效果。

问题是如何设置才能和真实情况一致呢？准确评估狮子吼的秘诀来了——首先，通过实验测试乘员舱的阻尼损耗因子，再通过声响应的无流动仿真来匹配该阻尼损耗因子。

没写明白？那就再来个动作分解吧：

  · 通过实验测试乘员舱实际的阻尼损耗因子；

  · 在仿真中将流速设置为0，乘员舱给定某一初始压力，并记录乘员舱的压力脉动；

  · 通过简单的信号处理即可得到乘员舱在当前状态下的共振频率和阻尼损耗因子；

  · 分别计算几种不同的吸声面积下的阻尼损耗因子，即可拟合吸声面积和阻尼损耗因子的关系曲线；

  · 将实验测试得到的阻尼损耗因子直接带入上一步获取的曲线，即可算出一个吸声面积，而这个吸声面积便对应了真实的内饰吸声效果。

那么，柔性壁面的效果又该如何考虑呢？

还记得我们在前面的文章中提到过LBM方法中有趣的马赫数加速吗？此处便应用了类似的原理，大家也可以想一想我们如何使用马赫数来实现柔性壁面的效果。再次卖（挖）个关（大）子（坑），后续的文章慢慢给大家解密。

06、如何化解狮子吼

有了准确评估狮子吼特征的大杀器，就可以针对性的寻求化解之道了。

天窗前方来流通常比较光顺，如无特殊处理，往往会产生很严重的风振现象，因此是汽车工程师解决风振问题首选的落脚点。当然，通过上面的分析，大家也能够想到，改善风振最有效的方法肯定是将开口前缘处的脱落涡赶走或者削弱，所以在天窗开口的前缘增加导流板便成为最常见的方案。

下图展示了通用汽车分别通过实验和仿真研究某型SUV有无天窗导流板的风振速度扫略曲线。可以看到，导流板改变了天窗前缘的流动轨迹，削弱了前缘脱落涡和天窗尾缘的相互作用，进而降低了风振的声压级水平。同时也可以发现，仿真结果和实验具有很好的一致性。

为了更好的改善天窗的风振性能，同时降低开窗的宽频噪声水平，越来越多的车型使用了更加复杂的导流板，如下图所示的网状导流板、天窗前缘下压、锯齿形导流板等等。

除了天窗之外，侧窗也是一个值得关心的区域，虽然侧窗的来流通常混合着复杂的A柱涡流和后视镜尾流，不易产生较强的风振问题，但是对于某些SUV，由于其特殊的构型，仍然需要特别的关注，比如福特锐界就在侧窗的三角板上增加了一个明显的翘边，来削弱侧窗的风振问题。不过需要注意的是，这种方案可能会使得侧窗的风噪性能有所恶化。因此，侧窗附近的优化方案要特别考虑风振和风噪性能的平衡。

07、结    语

狮子吼固然威力巨大，但只要掌握正确的方法和合适的工具，一样可以轻松化解。不过笔者之前在学习和推演风振的仿真流程时，也深深的体会到：复杂工程问题的解决，一定是通过对物理现象的深刻理解并寻找合理的应对之策，而盲目的进行计算和实验对标则会陷入歧途，免不了被狮子吼振得眼冒金星，晕头转向了。

来源：LBM与流体力学微信公众号（ID：LBMCFD），作者：卢比与钢蛋。