為了有效改善汽車的風(fēng)噪聲性能，在車輛開發(fā)過程的早期對密封件噪聲進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測和流動(dòng)分析是非常重要的。本文描述了在氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中測試的SUV車輛的詳細(xì)信息，以將密封性能與車窗玻璃的密封性能區(qū)分開來。然后描述了相應(yīng)的流體（CFD）和結(jié)構(gòu)聲學(xué)（SEA）模擬過程，并使用不同的車輛配置對結(jié)果進(jìn)行了比較。從以下幾個(gè)方面對本文的研究內(nèi)容進(jìn)行介紹。

一、實(shí)驗(yàn)方法

1. 氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞

在德國斯圖加特的 FKFS 全尺寸氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中，對捷豹路虎(JLR)生產(chǎn)的攬勝運(yùn)動(dòng)型(Range Rover Sport)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。安裝在該設(shè)施中的這款車的照片如圖 1 所示。


圖1 路虎攬勝運(yùn)動(dòng)型在風(fēng)洞測試設(shè)施中

密封線被粘貼在外部，以減少來自非模擬區(qū)域的噪音。對車輛進(jìn)行測試，所有玻璃面板從內(nèi)部覆蓋了隔音板，以降低面板的透射率并增加目標(biāo)透射路徑的信噪比。通過應(yīng)用窗口貢獻(xiàn)方法，詳細(xì)研究了左前門貢獻(xiàn)。模擬粘土應(yīng)用于密封的內(nèi)側(cè)，以進(jìn)一步減弱聲音傳播。圖2顯示了定制的左前側(cè)玻璃絕緣體，其中安裝的膩?zhàn)訒枞Ａ芊獾膫鬏敗?br />

圖2 帶玻璃密封膩?zhàn)拥淖笄皞?cè)玻璃隔熱層詳圖

一個(gè)雙耳聲學(xué)測試裝置被放置在左前排座位的位置，記錄每個(gè)耳朵位置的內(nèi)部噪音。評估了一系列的流速和偏航角度，本文給出了130km/h，0°偏航情況的結(jié)果。圖 3 顯示了面板絕緣、雙耳聲學(xué)測試裝置和阻塞膩?zhàn)討?yīng)用在門密封系統(tǒng)的內(nèi)側(cè)。在這種配置中，側(cè)面玻璃絕緣體或玻璃密封膩?zhàn)咏惶嬉瞥?，以?qiáng)調(diào)這些噪音來源和路徑。


圖3 帶雙耳聲學(xué)測試裝置和門密封膩?zhàn)拥慕?jīng)過處理的內(nèi)部

為了與乘員艙內(nèi)部的模擬SEA聲學(xué)模型進(jìn)行比較，將左耳和右耳麥克風(fēng)的均方脈動(dòng)壓力在三分之一倍頻程頻譜中進(jìn)行平均。

2. 密封傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)

來自風(fēng)洞的同一輛汽車在 JLR 半消聲聲學(xué)測試設(shè)備中進(jìn)行了測試，以估計(jì)密封傳輸系數(shù)。聲學(xué)互易性是通過將體積速度源的噴嘴放置在駕駛員的耳朵位置，同時(shí)測量放置在外部密封位置附近的許多表面麥克風(fēng)和1/2麥克風(fēng)的聲頻響應(yīng)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。記錄這些麥克風(fēng)與密封線之間的對峙距離，平均為25 毫米。通過在外部采用圓柱形擴(kuò)展模型，在每個(gè)密封段周圍的半圓柱形虛擬表面上積分輻射聲強(qiáng)度，估算輻射聲功率 Wr。

根據(jù)點(diǎn)聲源引起的 SEA 混響壓力估算密封系統(tǒng)內(nèi)部的入射聲強(qiáng)，并輔以從點(diǎn)聲源到密封段中心的直接場計(jì)算。利用 CFD 模型中每個(gè)密封段的濕潤外部流體面積作為估算入射聲功率Wi的參考，每個(gè)頻帶中每個(gè)密封段的傳輸損耗以分貝為單位計(jì)算如下：



為了減少空間變化，采用了多個(gè)點(diǎn)源位置，并在聲音傳輸損失（TL）計(jì)算之前對結(jié)果進(jìn)行了功率平均。

二、數(shù)值方法

利用圖 4 所示的過程對車內(nèi)的風(fēng)噪聲進(jìn)行模擬。一個(gè)瞬態(tài)的、可壓縮的CFD代碼可快速模擬車輛的外部面板和密封表面上波動(dòng)的壓力負(fù)載。在頻域中對這些瞬態(tài)壓力進(jìn)行了分析，以開發(fā)結(jié)構(gòu)聲學(xué)車輛模型的載荷。對于模型中的每個(gè)主動(dòng)面板，結(jié)構(gòu)和聲學(xué)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，為車輛模型面板振動(dòng)和內(nèi)部艙室噪聲提供輸入。在該模型中將密封件作為附加面板并入，并與實(shí)驗(yàn)TL譜所指定的艙室聲音進(jìn)行聲學(xué)耦合。


圖4 室內(nèi)風(fēng)噪聲仿真過程

1. 外部流動(dòng)

采用基于格子 Boltzmann 方法(LBM)的計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)(CAA)CFD 求解程序 PowerFLOW 5.4 b，計(jì)算非定常流場以及相應(yīng)的流場誘導(dǎo)噪聲的產(chǎn)生和傳播。LBM 的基本思想是跟蹤流體粒子的運(yùn)動(dòng)和碰撞。由于在一個(gè)具有代表性的流體體積中，顆粒的平均數(shù)量大大超過了單獨(dú)跟蹤它們所需的計(jì)算能力，因此顆粒被分組成指數(shù)為i的離散方向的整數(shù)數(shù)目。計(jì)算遵循粒子分布函數(shù) fi，該函數(shù)表示在特定時(shí)間和位置隨速度 ci 移動(dòng)的每個(gè)體積單位的粒子數(shù)，也稱為體素。與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)非常類似，流量變量例如密度和速度是通過對粒子分布函數(shù)的離散方向集進(jìn)行適當(dāng)?shù)木兀ㄇ蠛停﹣泶_定的。這個(gè) LBM 求解器在汽車風(fēng)噪聲應(yīng)用中被廣泛使用和驗(yàn)證。

2. 噪聲傳播

統(tǒng)計(jì)能量分析(SEA)是通過考慮模態(tài)群的統(tǒng)計(jì)集合以及它們之間的動(dòng)態(tài)能量交換來模擬中高頻動(dòng)力學(xué)的方法框架。湍流對結(jié)構(gòu)的激勵(lì)作用是通過湍流壁壓力波動(dòng)來描述的，該波動(dòng)在每個(gè)面板上提供了隨機(jī)分布的力。湍流也輻射聲場，即使作用于剛性結(jié)構(gòu)或自由剪切層。這種聲場的傳播速度大約是高速公路上湍流起伏速度的十倍，與典型結(jié)構(gòu)波長的耦合效率高于湍流。因此，利用低通波數(shù)濾波器，在激勵(lì)公式中將外部聲場與湍流分離。

前側(cè)玻璃被建模為層壓SEA面板，并連接到上部前聲學(xué)子系統(tǒng)。密封段創(chuàng)建為特殊的傳輸損耗面板，并耦合到適當(dāng)?shù)膬?nèi)部子系統(tǒng)。圖5顯示了密封段的布局。


圖5 門密封條（Dn）和玻璃密封條（Gn）的分段

3. 艙內(nèi)聲學(xué)模型

將該方法應(yīng)用于后分析軟件 PowerACOUSTICS 4.2 中，將SUV 的內(nèi)部體積劃分為 20 個(gè) SEA 聲學(xué)子系統(tǒng)，以模擬車內(nèi)聲壓級(SPL)的梯度。對于左側(cè)和右側(cè)，在左右兩側(cè)，都有用于三排座位區(qū)的上、中、下聲學(xué)子系統(tǒng)，在擋風(fēng)玻璃處的儀表板上方還有一個(gè)空間。在車輛實(shí)驗(yàn)中，麥克風(fēng)的位置被選擇來匹配駕駛員頭部的位置。

三、結(jié)果

1. 外部來源

在左前門區(qū)域上模擬的瞬態(tài)湍流流動(dòng)如圖6所示，圖中顯示了渦旋核的快照，并用渦度大小進(jìn)行了著色。主要分離的流動(dòng)區(qū)域可以從前輪和輪艙、整流罩渦、鏡面尾跡和 A柱后渦流中識別出來。


圖6 流動(dòng)快照中的瞬態(tài)湍流渦，由渦度大小著色（紅色表示高渦度）

選擇2 kHz第三倍頻帶進(jìn)行檢查，作為導(dǎo)致正面玻璃上的玻璃密封條產(chǎn)生內(nèi)部噪聲的重要因素。雖然湍流是造成面板外部壓力波動(dòng)的一個(gè)重要因素，但由于聲場中波長的空間耦合和玻璃的彎曲模式，聲路徑在較高頻率時(shí)通常占主導(dǎo)地位。在此處使用的簡化TL傳輸模型中，密封件貢獻(xiàn)完全來自聲源。圖7所示的聲功率譜熱點(diǎn)表示了集中聲學(xué)負(fù)荷的位置。這個(gè)結(jié)果是通過應(yīng)用聲學(xué)波數(shù)濾波器，然后對每個(gè)外表面測量元件進(jìn)行第三倍頻段的功率譜計(jì)算，由面板和密封件上的瞬態(tài)波動(dòng)壓力計(jì)算得出的。


圖7 聲波數(shù)濾波壓力

雖然在后視鏡后面的區(qū)域中的聲負(fù)載通常很高，但可能無法立即弄清楚是哪種幾何形狀在玻璃密封件上形成了這些熱點(diǎn)。當(dāng)流動(dòng)中的聲源被突出顯示時(shí)，表面聲學(xué)負(fù)荷的原因會更加明顯。分析軟件包括執(zhí)行流量感應(yīng)噪聲檢測的功能，通?？s寫為它的首字母縮寫：FIND。在圖8中，聲學(xué)dB映射由流體中聲功率密度的等值面補(bǔ)充，該等值面也針對2 kHz的第三倍頻程頻帶進(jìn)行了計(jì)算。這種在體積區(qū)域顯示聲源的可視化技術(shù)被發(fā)現(xiàn)在追蹤面板熱點(diǎn)回到產(chǎn)生噪音的流動(dòng)特征方面非常有效。在這輛 SUV 中，鏡面底座和三角形面板后面的流動(dòng)顯然是產(chǎn)生的原因。相比之下，鏡面尾流中的噪聲源和A柱渦旋中的噪聲源遠(yuǎn)離這個(gè)熱點(diǎn)。因此造成這種現(xiàn)象的可能性較小。


圖8 空氣中的流動(dòng)感應(yīng)噪聲源

2. 室內(nèi)噪聲驗(yàn)證

使用從315Hz至8kHz的第三倍頻程內(nèi)部噪聲頻譜，提出了三種配置：1.僅側(cè)面玻璃2.門密封條和側(cè)面玻璃3. 玻璃密封條、門密封條和側(cè)面玻璃

所有內(nèi)部SPL結(jié)果在40 dB范圍內(nèi)繪制，圖中每格5 dB。圖9顯示了側(cè)面玻璃內(nèi)部噪聲的實(shí)驗(yàn)配置，圖3所示的配置，其中圖2所示的玻璃面板阻隔器已拆下，并且所有密封線都粘貼在外部。在模擬結(jié)果的情況下，玻璃的貢獻(xiàn)是在沒有其他面板或密封件負(fù)載的情況下計(jì)算的。相關(guān)性在 1000hz 以上很好。對于低于 1000 hz的頻率，實(shí)驗(yàn)中的底部氣流可能會有一些貢獻(xiàn)，可能會導(dǎo)致這些頻率下的3dB的預(yù)測不足。


圖9 內(nèi)部駕駛員頭部三倍頻程SPL，僅側(cè)面玻璃

通過去除車門密封膠帶和膩?zhàn)?，?shí)現(xiàn)了車門密封和側(cè)玻璃的配置，如圖 10 所示。在圖 11 中，門密封加側(cè)面玻璃和僅有側(cè)面玻璃之間的分貝差異被繪制出來，顯示了來自門密封的額外分貝貢獻(xiàn)的頻譜。在1250hz以下的頻帶內(nèi)，這些都在1-3db的實(shí)驗(yàn)和模擬范圍內(nèi)。如圖9所示的SPL，在這種情況下，有一個(gè)觀察到的趨勢是模擬過度預(yù)測這些貢獻(xiàn)，這就是認(rèn)為是由基線實(shí)驗(yàn)中的未模擬貢獻(xiàn)引起的。


圖10 內(nèi)部駕駛員頭部三倍頻程SPL，側(cè)面玻璃和門密封條


圖11 車門密封件的分貝貢獻(xiàn)光譜

圖 12 顯示了側(cè)面玻璃、門密封件和玻璃密封件的內(nèi)部SPL 光譜，圖 13 顯示了產(chǎn)生的分貝超過基線(僅側(cè)面玻璃)的貢獻(xiàn)，即門和玻璃密封件的額外聯(lián)合貢獻(xiàn)。

玻璃密封的貢獻(xiàn)有一個(gè)明顯的頻率趨勢，在 2 kHz左右上升到一個(gè)峰值，然后下降，再上升。這是由 4-5 kHz左右的側(cè)面玻璃重合效應(yīng)引起的(見圖 9)。玻璃密封模擬最差的相關(guān)性發(fā)生在 2500hz。發(fā)現(xiàn)原因是在此頻率下G2腰部密封在實(shí)驗(yàn)性TL中出現(xiàn)“下降”。雖然對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了審查并發(fā)現(xiàn)是可以接受的，但可以觀察到，不同玻璃密封條之間的TL之間的散射非常高。這可能意味著在執(zhí)行TL計(jì)算之前，建議在點(diǎn)對點(diǎn)測量中進(jìn)行更多平均。


圖12 內(nèi)部駕駛員頭部三倍頻程SPL，側(cè)玻璃，門密封條和玻璃密封條


圖13 玻璃密封條和門密封條的分貝貢獻(xiàn)光譜

四、對玻璃密封件傳輸損耗的敏感性

一個(gè)交替的玻璃密封 TL 光譜，然后形成作為所有玻璃密封段的功率平均值，實(shí)際上作為每個(gè)波段的透射系數(shù)的平均值。使用SEA模型中實(shí)驗(yàn)玻璃密封件TL光譜的平均值，模擬SPL光譜變?yōu)閳D14所示的值和圖15所示的增量dB的值。2500hz 的最大誤差已經(jīng)減少到只有3.3 分貝，但在較低和較高頻段的精度有所下降。在實(shí)踐中，預(yù)計(jì)在源位置、多個(gè)車輛和頻帶數(shù)量增加的情況下，有必要對密封TL進(jìn)行進(jìn)一步平均。


圖14 內(nèi)部駕駛員頭部三倍頻程SPL，側(cè)玻璃，門密封條和玻璃密封條（平均TL）


圖15 玻璃密封件和門密封件（平均TL）的分貝貢獻(xiàn)譜

總  結(jié)

由于室內(nèi)風(fēng)噪聲通常主要來自動(dòng)態(tài)密封，因此在設(shè)計(jì)過程中盡早使用可靠的計(jì)算能力來預(yù)測通過密封傳播的室內(nèi)噪聲具有很強(qiáng)的動(dòng)機(jī)。

本文描述了一個(gè)計(jì)算過程，可以用來預(yù)測在設(shè)計(jì)過程的早期通過密封傳輸?shù)膬?nèi)部噪音。該方法采用基于格子Boltzmann 方法(LBM)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)求解器來預(yù)測瞬態(tài)氣流和外部噪聲源。統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）求解器用于將這些來源的噪聲通過玻璃面板和密封墊傳輸?shù)綑C(jī)艙中。密封件的噪聲傳輸性能通過車內(nèi)聲傳遞函數(shù)測試進(jìn)行了表征。在氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以量化通過玻璃板、門封條和玻璃封條傳遞的噪聲，從而驗(yàn)證計(jì)算預(yù)測的有效性。進(jìn)行了詳細(xì)的流動(dòng)分析，以深入了解噪聲源以及密封件和玻璃板上的外部負(fù)載。預(yù)測的準(zhǔn)確性雖然還沒有達(dá)到以前僅用于玻璃面板的同一水平，但足以用于產(chǎn)品開發(fā)，以協(xié)助密封位置和密封結(jié)構(gòu)決策，這是產(chǎn)品開發(fā)過程早期所需要的。一些額外的工作將有助于識別密封TL的目標(biāo)，為每種架構(gòu)的密封傳輸提供通用光譜。此外，將密封作用納入室內(nèi)風(fēng)噪聲預(yù)測中將提高形式變化的預(yù)測效果的準(zhǔn)確性。流動(dòng)結(jié)構(gòu)可以通過設(shè)計(jì)進(jìn)行管理，以避免在敏感的密封區(qū)域產(chǎn)生過多的激勵(lì)。




來源文獻(xiàn)：

Oettle, N., Powell, R.,Senthooran, S., and Moron, P., "A Computational Process to EffectivelyDesign Seals for Improved Wind Noise Performance," SAE Int. J. Adv.& Curr. Prac. inMobility 1(4):1690-1697, 2019,doi:10.4271/2019-01-1472.