前言

車輛高速行駛下的動力總成噪聲、輪胎/路面噪聲得到一定控制之后，氣動噪聲已成為高速行駛車輛的主要噪聲源，受到汽車企業(yè)和研究人員的重視。風(fēng)洞試驗(yàn)、道路試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算是整車風(fēng)噪研究的主要技術(shù)手段。路試經(jīng)濟(jì)易于實(shí)施，其缺點(diǎn)是無法避免引入發(fā)動機(jī)噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲、胎噪等干擾噪聲。風(fēng)洞試驗(yàn)更精確，認(rèn)可度高，目前國內(nèi)風(fēng)洞資源緊張、費(fèi)用高。

 

采用CFD/SEA方法進(jìn)行整車風(fēng)噪數(shù)值仿真技術(shù)近年來興起，在國外得到廣泛應(yīng)用，某些車企用這種方法部分甚至全部替代風(fēng)噪的風(fēng)洞試驗(yàn)。圖1為艙內(nèi)噪聲預(yù)測精確性做的互相關(guān)分析[9]，風(fēng)洞試驗(yàn)和仿真預(yù)測的對比最大誤差為0.8dB(A)，表明了這種方法噪聲預(yù)測的準(zhǔn)確性。

 

 

圖1內(nèi)部噪聲數(shù)值預(yù)測與試驗(yàn)自相關(guān)分析

 

國內(nèi)整車風(fēng)噪研究起步晚，艙內(nèi)噪聲性能改進(jìn)方面取得的成果有限。本文針對整車風(fēng)噪性能提高，開展仿真、改型和試驗(yàn)的研究工作。

 

1氣動噪聲仿真方法

整車風(fēng)噪仿真分為兩步，第一步通過瞬態(tài)外流場計(jì)算，得到壓力脈動作為氣動噪聲源；第二步噪聲源輸入進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算，得到艙內(nèi)噪聲。

 

1.1瞬態(tài)外流場計(jì)算方法

瞬態(tài)外流場計(jì)算采用格子玻爾茲曼法軟件PowerFLOW。與傳統(tǒng)CFD的NS方程不

同，玻爾茲曼方程如下：

 

 

 

是粒子在時(shí)間t，速度時(shí)的概率分布方程，Θ是滿足守恒定律的粒子碰撞算子。流體密度ρ和速度均通過瞬時(shí)總和來獲得:

 

 

 

湍流方程采用VLES（VeryLargeEddySimulation）方法，得到如下方程：

 

 

 

1.2艙內(nèi)噪聲計(jì)算方法

圖2為艙內(nèi)噪聲計(jì)算流程。聲學(xué)計(jì)算模型采用統(tǒng)計(jì)能量法。整車風(fēng)噪有兩種輸入功即壓力脈動的兩種聲源：（1）近壁面湍流壓力脈動作用在結(jié)構(gòu)件壁面上，形成振動對艙內(nèi)產(chǎn)生噪聲；（2）空間聲波以輻射的形式穿透結(jié)構(gòu)件（如側(cè)風(fēng)窗玻璃），進(jìn)入艙內(nèi)。

 

 

圖2SEA方法用于艙內(nèi)聲學(xué)示意圖

 

1.2.1.湍流壓力脈動聲源

湍流壓力脈動直接作用在結(jié)構(gòu)壁面上，聲場的脈動壓力對整車面板的時(shí)平均輸入功為。

 

 

 

對式（5）簡化處理，輸入功率可以轉(zhuǎn)換為等效點(diǎn)力加載到側(cè)窗玻璃上，表達(dá)如下[6]：

 

 

 

G是輸入導(dǎo)納的實(shí)部，與時(shí)間相關(guān)的節(jié)點(diǎn)力等效均方根值，重構(gòu)結(jié)構(gòu)表面的輸入功率。輸入導(dǎo)納實(shí)部的表達(dá)式如下：

 

 

 

其中，面板面積；面板的模態(tài)密度；面板的面密度。

 

1.2.2.聲學(xué)輻射聲源

輻射聲源進(jìn)入車內(nèi)的聲能為：

 

 

 

其中，為聲壓的均方根；為聲速；為面板輻射效率。

 

2仿真模型

2.1瞬態(tài)外流場計(jì)算

數(shù)值仿真車速為120km/h，全細(xì)節(jié)模型如圖3，總網(wǎng)格量約為2.4億，最小尺寸為0.5mm。

 

 

圖3.原狀態(tài)整車圖

 

2.2艙內(nèi)噪聲計(jì)算

不考慮聲泄露情況下，玻璃的隔聲性能遠(yuǎn)低于金屬車身部件，認(rèn)為車外部聲源僅經(jīng)由側(cè)窗玻璃和前風(fēng)擋玻璃傳遞到艙內(nèi)。需要求解輸入功與玻璃的相互作用，以及輸入功在玻璃中傳播時(shí)的衰減，得到艙內(nèi)測點(diǎn)位置的聲壓級。表1，2為側(cè)窗玻璃參數(shù)，表3為混響時(shí)間。

 

表1SEA艙內(nèi)噪聲計(jì)算玻璃參數(shù)

 

 

3仿真結(jié)果和分析

圖4為車艙內(nèi)部1/3倍頻A計(jì)權(quán)聲壓級曲線，包括總聲壓級曲線、以及經(jīng)過側(cè)窗和前風(fēng)擋傳遞到艙內(nèi)的聲壓級曲線。從圖中可以看出，艙內(nèi)噪聲總聲壓級以左側(cè)窗的貢獻(xiàn)值為主。

 

 

圖4.原狀態(tài)仿真艙內(nèi)聲壓級曲線圖

 

圖5為原車dB著色車外流場渦心圖，從圖中可知聲源的位置和強(qiáng)度，主要聲源包括后視鏡尾渦、落水槽尾渦、雨刮尾渦和A柱脫落渦。

 

圖6為這些聲源在側(cè)窗和前風(fēng)擋上dB云圖，側(cè)窗湍流載荷源于后視鏡三角臺階尾渦、后視鏡支架尾渦和A柱尾渦（圖6a）。側(cè)窗輻射聲波載荷源于后視鏡三角臺階尾渦、后視鏡支架尾渦(圖6b)。雨刮和落水槽引起的湍流壓力脈動作用在前風(fēng)擋上（圖6c），落水槽尾渦撞擊在A柱上，在前風(fēng)擋上產(chǎn)生輻射聲波（圖6d）。

 

 

圖5原車dB著色車外流場渦心圖

 

 

圖6.側(cè)窗和前風(fēng)擋玻璃dB云圖

 

4氣動噪聲優(yōu)化方案

對原車風(fēng)噪仿真結(jié)果分析，從聲源和聲傳播兩個(gè)方面進(jìn)行改型，即（1）降低聲源，減小壓力脈動，提高流動貼體性；（2）使聲源遠(yuǎn)離聲傳播的衰減較弱部件（如側(cè)風(fēng)窗玻璃）。提出了2個(gè)改型方案，改型一對后視鏡做了優(yōu)化，改型二在改型一基礎(chǔ)上對雨刮做了隱藏，如圖7。

 

 

圖7.原狀態(tài)與改型狀態(tài)對比圖

 

5改型仿真與試驗(yàn)對比分析

5.1改型仿真結(jié)果對比與分析

改型一對后視鏡支架和本體做了貼體性設(shè)計(jì)，支架減薄下移等。結(jié)果如圖8a和b，對比圖6a和b可知，湍流載荷和聲波載荷在強(qiáng)度上和分布區(qū)域上均有減小。改型二避免雨刮對來流的阻擋，使落水槽附近流動更平順，減少落水槽分流對后視鏡區(qū)域的作用，降低側(cè)窗玻璃的聲壓級，如圖8c和d。

 

 

圖8改型車型仿真結(jié)果

 

5.2試驗(yàn)說明

采用路試的方式驗(yàn)證，測試儀器為西門子LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在駕駛員頭部附近布置麥克風(fēng)，如圖9。

 

 

 

 

圖9.路試測試相關(guān)圖

 

5.3試驗(yàn)與仿真對比分析

圖10為原車型和改型，駕駛員頭部區(qū)域聲壓級曲線的路試和仿真對比。從圖中可知：

（1）在整體趨勢上，各數(shù)據(jù)結(jié)果是一致的，路試低頻段出現(xiàn)起伏，是干擾噪聲源的影響。

 

（2）從仿真聲壓級曲線可知，與原車對比改型一全頻段都有改進(jìn)，中高頻段改進(jìn)量大于1dB(A)，部分頻段高達(dá)3~4dB(A)。改型二改進(jìn)更大，部分頻段達(dá)到5.6dB(A)?？偮晧杭壉容^，改型一降噪值為1.5dB(A)，改型二降噪為1.8dB(A)，風(fēng)噪性能改進(jìn)明顯。

 

（3）從路試結(jié)果可知，低頻段聲壓級沒有改進(jìn)，這是因?yàn)槁吩嚂r(shí)存在發(fā)動機(jī)噪聲等干擾噪聲，這些干擾噪聲主要分布在中低頻段，且其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于風(fēng)噪，測試設(shè)備記錄聲壓級為干擾噪聲源，風(fēng)噪改型效果在中低頻段無法體現(xiàn)。在高頻段有較大的改善，部分高頻段改型一相對于原狀態(tài)有3.99dB(A)的改進(jìn)，改型二有5.1dB(A)的改進(jìn)?？偮晧杭壏謩e降低0.2dB(A)和0.7dB(A)。

 

（4）125~2500Hz頻段，三種工況下試驗(yàn)得到的聲壓級明顯高于數(shù)值模擬，偏差在8~14dB(A)之間，這個(gè)頻段路試聲壓級主要來自于發(fā)動機(jī)噪聲等干擾聲源。

 

（5）2500~6300Hz頻段干擾源較少，試驗(yàn)與模擬的偏差在5dB(A)以內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果高于仿真結(jié)果，其可能的原因有（a）密封問題：數(shù)值仿真為完全密封下的結(jié)果，路試實(shí)車存在著密封不良導(dǎo)致的聲泄露，提高艙內(nèi)聲壓級；（b）工況不同：數(shù)值仿真是“車不動，空氣流過”，路試時(shí)，外部風(fēng)環(huán)境不穩(wěn)定，無法精確定速巡航，車行顛簸等使壓力脈動偏大，提高了聲壓級；（c）發(fā)動機(jī)噪聲等干擾源在高頻段還是有較小的影響；（d）路試側(cè)窗玻璃厚度小于仿真的玻璃厚度所致。路試聲壓級曲線顯示，其吻合頻率在4600Hz左右，而數(shù)值模擬得到的聲壓級曲線顯示，吻合頻率在4000Hz左右，說明路試車側(cè)風(fēng)窗玻璃的厚度可能小于數(shù)值模擬的玻璃厚度，玻璃較薄，其隔音效果較差，引起聲壓級較高。

 

（6）對6300Hz以上頻段，在工程上關(guān)注較少，不做過多討論。

 

圖10.仿真與路試測試聲壓級曲線對比圖

 

6結(jié)論

采用數(shù)值模擬對原車進(jìn)行風(fēng)噪仿真，在分析流場和聲場結(jié)果基礎(chǔ)上，以降低艙內(nèi)噪聲為目標(biāo)，從聲源降低和傳遞路徑控制兩個(gè)方面出發(fā)，提出兩個(gè)改型方案，并對改型方案進(jìn)行數(shù)值研究和路試研究，可得到結(jié)論如下：

 

（1）仿真和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，在高頻段偏差較小，說明仿真結(jié)果是有效的。

 

（2）從仿真結(jié)果可知，改型一后視鏡優(yōu)化的總聲壓級降噪達(dá)到1.5dB(A)，改型二在改型一基礎(chǔ)上隱藏雨刮，總聲壓級降噪達(dá)到1.8dB(A)。從路試看，中低頻段干擾噪聲源影響較大，改型一降噪0.2dB(A)，改型二降噪0.7dB(A)?？傮w上降噪明顯，說明改型方案是可行的。

 

（4）數(shù)值結(jié)果顯示，部分高頻段降噪最大達(dá)到5.6dB(A)。路試結(jié)果顯示高頻段艙內(nèi)降噪最大達(dá)到5.1dB(A)，有效減低了風(fēng)噪。

 

（5）采用CFD/SEA進(jìn)行整車風(fēng)噪仿真技術(shù)手段是可行的，改型方案從風(fēng)噪機(jī)理出發(fā)降低艙內(nèi)噪聲的方法是有效的。

 

資料來源：達(dá)索官方