摘要

對于大多數(shù)汽車制造商來說，空氣動(dòng)力噪聲正在成為高速公路速度下的主要高頻噪聲源。氣動(dòng)聲學(xué)相關(guān)問題的設(shè)計(jì)優(yōu)化和早期檢測仍然主要是一門實(shí)驗(yàn)藝術(shù)，這意味著高成本的原型、昂貴的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，以及潛在的后期設(shè)計(jì)變更。為了減少相關(guān)成本和開發(fā)時(shí)間，開發(fā)可靠的數(shù)值預(yù)測能力具有強(qiáng)大的動(dòng)力。本文的目的是提出一種計(jì)算方法，用于預(yù)測溫室風(fēng)噪聲對車輛乘客所聽到的車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)。該方法基于將用于風(fēng)噪聲激勵(lì)的非定常計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）求解器與用于結(jié)構(gòu)聲學(xué)行為的統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）求解器耦合?；静呗允菍⒚姘迳螩FD產(chǎn)生的時(shí)域壓力信號轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)功率輸入，然后將其用作SEA模型的輸入，從而產(chǎn)生機(jī)艙內(nèi)的噪聲。這種方法量化了來自車內(nèi)不同位置（駕駛員和乘客頂部）的不同面板（例如側(cè)窗、擋風(fēng)玻璃）的風(fēng)噪聲貢獻(xiàn)。本文介紹了該方法的關(guān)鍵技術(shù)和數(shù)值方面，并將實(shí)際汽車情況下的車內(nèi)噪聲預(yù)測與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行了比較。作為使用實(shí)例，本文介紹了一項(xiàng)汽車外形設(shè)計(jì)研究和一項(xiàng)聲學(xué)組件優(yōu)化研究。

介紹

統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）是一種成熟的技術(shù)，通常用于汽車行業(yè)的車輛開發(fā)過程中，以提供設(shè)計(jì)建議。SEA在弱路徑分析、目標(biāo)設(shè)定、概念評估甚至設(shè)計(jì)敏感性分析的早期階段最具體地實(shí)現(xiàn)，并且可以輕松地與其他模擬工具或測量程序相結(jié)合。早期文獻(xiàn)表明，目標(biāo)設(shè)定和概念評估都需要對總成組進(jìn)行貢獻(xiàn)分析，將其定義為直接影響車廂聲學(xué)的主要車身部件，考慮到所有激勵(lì)類型。這種貢獻(xiàn)分析首先需要建立一個(gè)通用的結(jié)構(gòu)聲學(xué)模型，其次是定義和識(shí)別每個(gè)組件組的臨界激勵(lì)，第三是涉及半實(shí)驗(yàn)或模擬程序的激勵(lì)特征，作為結(jié)構(gòu)聲學(xué)模型的輸入。通用是指在這種情況下，模型參數(shù)被定義為變量，可以與設(shè)計(jì)變更一起修改。

車輛溫室自然與風(fēng)噪聲有關(guān)，是涉及各種激勵(lì)的重要組件示例。車門、車頂、擋風(fēng)玻璃、后窗和側(cè)窗是通常定義的裝配組，即使可以對該細(xì)分進(jìn)行細(xì)化，以更好地處理特定的系統(tǒng)分析。對于目標(biāo)設(shè)定，溫室組件組與其臨界激勵(lì)相關(guān)：車門、車頂、擋風(fēng)玻璃、后窗和側(cè)窗的交通噪音；側(cè)窗和車門的輪胎噪音；擋風(fēng)玻璃發(fā)動(dòng)機(jī)噪音

；后窗排氣噪聲；側(cè)窗的風(fēng)噪，以及擋風(fēng)玻璃、車頂和全景天窗的風(fēng)噪（較?。?/span>

然后，為了考慮艙內(nèi)風(fēng)噪聲的影響，并設(shè)置與之相關(guān)的適當(dāng)裝配組目標(biāo)，需要建立帶側(cè)窗的車內(nèi)聲學(xué)模型。此外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，側(cè)窗對座艙聲學(xué)的影響在500 Hz以下很小，并且考慮到這與玻璃結(jié)構(gòu)的中頻相對應(yīng)，因此使用SEA建模是合理的。一個(gè)重要的問題仍然存在于風(fēng)噪聲源本身的特性描述中，這需要空氣聲學(xué)領(lǐng)域的特定專業(yè)知識(shí)和工具。

氣動(dòng)聲學(xué)團(tuán)隊(duì)原則上與NVH團(tuán)隊(duì)合作，有時(shí)作為同一組織的一部分。他們負(fù)責(zé)新車外部幾何設(shè)計(jì)或部件建議。在早期設(shè)計(jì)階段，必須進(jìn)行不同的重要評估，以正確設(shè)置問題。由于沒有任何CFD工具來模擬形狀變化對風(fēng)噪聲的影響，這些活動(dòng)主要局限于為一組風(fēng)噪聲激勵(lì)定義的一般座艙聲學(xué)目標(biāo)的測量，在現(xiàn)有或競爭對手的車輛上以及原型上進(jìn)行。當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，將對經(jīng)過設(shè)計(jì)修改的車輛進(jìn)行額外測量，并根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇性更改。由于試驗(yàn)車輛和新設(shè)計(jì)之間的形狀差異，很少調(diào)查外部形狀的變化。CFD的使用允許在早期階段進(jìn)行設(shè)計(jì)修改評估和概念比較，從而更好地規(guī)劃風(fēng)洞測量和汽車項(xiàng)目信息流。理想情況下，人們會(huì)優(yōu)化外部形狀，以降低風(fēng)噪聲源水平和空氣動(dòng)力阻力，然后調(diào)整溫室面板和內(nèi)部聲音包，以滿足風(fēng)噪聲內(nèi)部目標(biāo)。

如果沒有CFD和聲學(xué)/SEA解算器的精確耦合，客艙內(nèi)部的貢獻(xiàn)分析仍然是一項(xiàng)非常困難的任務(wù)。氣動(dòng)聲學(xué)組件目標(biāo)很難與NVH部門為特定車輛定義的座艙噪聲目標(biāo)保持一致。這是由于正確評估車廂外部設(shè)計(jì)變化影響的能力有限，因?yàn)椴煌嚿聿考挠绊懮形创_定。預(yù)計(jì)夾層玻璃等結(jié)構(gòu)變化不會(huì)對氣動(dòng)聲學(xué)激勵(lì)產(chǎn)生影響，但會(huì)對座艙聲學(xué)產(chǎn)生重大影響。相反，A柱上的小型外部特征線對氣動(dòng)聲學(xué)激勵(lì)非常重要，但對內(nèi)部聲學(xué)可忽略不計(jì)。在工業(yè)環(huán)境中，耦合CFD和SEA的方法對于在氣動(dòng)聲學(xué)團(tuán)隊(duì)中實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)設(shè)定具有更高的重要性。之前的風(fēng)噪聲模擬研究使用SEA模型測量的外部源水平，以及SEA模型的時(shí)間平均CFD。Bremner和Zhu在2003年發(fā)表的一篇評論文章中討論了之前的工作，并強(qiáng)調(diào)了主要問題： 湍流激勵(lì)和面板振動(dòng)/聲學(xué)之間的長度尺度（波數(shù)譜）差異很大、湍流激勵(lì)與SEA飛行器模型之間的功率接口、對時(shí)間精確的CFD壓力模擬的信心。

測量外部湍流壓力的另一個(gè)限制是，較小的長度尺度會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)功率譜中存在非常強(qiáng)的空間梯度?？磥恚捎糜跍y量湍流壓力的傳感器數(shù)量有限，可能很容易錯(cuò)過響應(yīng)增強(qiáng)的區(qū)域。報(bào)告了一個(gè)最近的例子，即車輛車底流的高分辨率測量關(guān)聯(lián)與流體壓力譜的CFD模擬。先前對側(cè)窗上外部壓力波動(dòng)的時(shí)間精確CFD驗(yàn)證表明，現(xiàn)在可以估計(jì)車輛形狀對風(fēng)噪聲源的影響。有待證明的是，CFD壁面壓力波動(dòng)可以成功地耦合到車輛噪聲模型，以分析預(yù)測風(fēng)引起內(nèi)部噪聲。

本文討論了一種新的數(shù)值工具，將CFD和SEA模型耦合起來，以提供由風(fēng)引起的內(nèi)部噪聲的完整分析模擬。本文的目的是提出一種適用于SEA氣動(dòng)聲學(xué)開發(fā)項(xiàng)目的建模方法。在下一節(jié)中，將討論SEA激勵(lì)源的建模。接下來，將通過比較各種邊界條件下的SEA模態(tài)密度和有限元分析（FEA）確定性結(jié)果，證明在風(fēng)噪聲頻率下使用SEA進(jìn)行側(cè)窗響應(yīng)是合理的。并將介紹生產(chǎn)車輛的內(nèi)部預(yù)測和座艙SPL測量之間的比較。最后，將顯示幾項(xiàng)車輛設(shè)計(jì)變更的趨勢預(yù)測。

模型描述和風(fēng)噪聲輸入

湍流對振動(dòng)結(jié)構(gòu)的激勵(lì)由湍流壁面壓力脈動(dòng)描述，該脈動(dòng)被視為一個(gè)隨機(jī)過程，取決于時(shí)間和空間變量。通常假設(shè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)對氣流的影響可以忽略不計(jì)，風(fēng)湍流只會(huì)在側(cè)窗上提供隨機(jī)分布力的激勵(lì)。然而，即使作用在剛性結(jié)構(gòu)上的湍流漩渦也會(huì)產(chǎn)生聲場。聲場聲傳輸對內(nèi)部的貢獻(xiàn)對于考慮聲/結(jié)構(gòu)重合頻率附近的特別重要，其中彎曲波數(shù)與聲波數(shù)匹配。即使湍流壁面壓力波動(dòng)超過聲壓25-35分貝，外部聲學(xué)的貢獻(xiàn)似乎是顯著的。這種明顯的悖論是由結(jié)構(gòu)抵抗短波（高波數(shù)）湍流壓力激發(fā)的極高（剛度）阻抗引起的。湍流場輻射的長波聲場與側(cè)窗玻璃上的彎曲波長耦合得更強(qiáng)烈。

本研究的目的是提出一種有效的結(jié)構(gòu)聲學(xué)模型，該模型包含最基本的子系統(tǒng)，以提供溫室風(fēng)噪聲激勵(lì)的真實(shí)機(jī)艙預(yù)測。SEA模型本身由不同的座艙子腔和玻璃面板子系統(tǒng)組成，其他裝配組面板的貢獻(xiàn)被忽略。應(yīng)用的新功能是使用時(shí)間精確的CFD來表示車輛形狀對壁壓波動(dòng)的影響。

從表面壓力場施加到面板上的輸入功率（在給定頻帶內(nèi)）的一般表達(dá)式可以寫成：

其中，積分占據(jù)面板表面區(qū)域。通過擴(kuò)展速度響應(yīng)V，輸入功率可以用空間二重積分中的壓力交叉功率譜和轉(zhuǎn)移遷移率表示：

對于空氣中的車輛結(jié)構(gòu)，這兩個(gè)參數(shù)基本上是獨(dú)立的，因?yàn)榻徊婀β首V來自流體動(dòng)力學(xué)，而傳遞導(dǎo)納是一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以在真空中確定。方程式（2）的完整數(shù)值計(jì)算非常難以直接執(zhí)行。因此，在當(dāng)前過程中，采用模型形式進(jìn)行簡化，以自動(dòng)功率譜和流向和展向流動(dòng)方向的相干衰減率來表示壓力交叉譜。在結(jié)構(gòu)的類似近似水平下，轉(zhuǎn)移遷移率的一般表達(dá)式被簡化為無限長板的表達(dá)式。為了便于以后進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，輸入功率隨后轉(zhuǎn)化為側(cè)窗上的等效點(diǎn)力激勵(lì)：

輸入功率表示成電導(dǎo)（點(diǎn)遷移率的真實(shí)部分)和結(jié)構(gòu)輸入功率的時(shí)間均方等效點(diǎn)力。電導(dǎo)可以表示為面板面積、面板模態(tài)密度和面板表面密度有關(guān)函數(shù)。

聲場也必須被視為SEA模型的激勵(lì)。在一般情況下，對于直接耦合和間接耦合，由純聲場激勵(lì)產(chǎn)生的輸入功率可以表示為：

對于低馬赫數(shù)(Ma<0.3)，可以通過從壁壓波動(dòng)（WPF）導(dǎo)出聲場來進(jìn)行一次近似。對流壓力和聲壓之間的比率是根據(jù)“湍流層荷載”和“聲近場”之間的標(biāo)度面積來解釋的，后者被視為代表空氣傳播路徑。輸入功率計(jì)算在所謂的風(fēng)噪聲輸入模塊中進(jìn)行（圖1）。

圖1 將CFD壁面壓力波動(dòng)（WPF）耦合到SEA的概念圖

為了演示車輛側(cè)玻璃上的壓力交叉譜的計(jì)算，首先考慮CFD模型中，表面壓力被捕獲為每個(gè)表面單元的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。由于給定模型中可能有數(shù)十萬個(gè)這樣的“曲面”，因此完整形式的交叉壓力譜可以被想象為一個(gè)具有真實(shí)自功率對角線和厄米對稱非對角結(jié)構(gòu)（厄米表示復(fù)雜共軛轉(zhuǎn)置）的方陣。圖2顯示了2000 Hz左右窄頻帶的計(jì)算表面自功率（Sxy矩陣的對角線）的表示。

圖2 左側(cè)玻璃自動(dòng)電源為2000 Hz窄帶，鏡面呈現(xiàn)透明，藍(lán)色到紅色輪廓范圍為20 dB，十字位于最高壓力波動(dòng)處

在這種情況下，左側(cè)玻璃測量區(qū)域被裁剪為僅靠近側(cè)視鏡的區(qū)域。劇烈壓力波動(dòng)區(qū)域（紅色）是從左側(cè)后視鏡三角窗面板分離出的氣流的再附著線，就在玻璃前面?？梢暬o定一對點(diǎn)的壓力交叉譜的一種方法是考慮其平方大小，由兩點(diǎn)的自動(dòng)功率歸一化。這被稱為相干光譜。通過在自動(dòng)功率最高的曲面上固定一個(gè)參考點(diǎn)，可以在類似于圖2的彩色地圖中顯示與所有其他曲面的一致性。圖3所示的相干圖表示交叉譜矩陣的單個(gè)行或列的幅度歸一化。

通過考慮更長的時(shí)間平均或更寬的頻帶，遠(yuǎn)離紅點(diǎn)的中等（淺藍(lán)色）相干區(qū)域趨向于向零減小。相干衰減模型考慮了紅點(diǎn)周圍的區(qū)域，作為一種簡化全壓互譜矩陣的方法。參考曲面位于高相干性實(shí)心紅點(diǎn)的中間。

圖3 最高自動(dòng)功率點(diǎn)的相干圖，18 Hz帶寬約2000 Hz

邊界條件和模態(tài)密度的作用

從關(guān)系式（4）和（5）可以看出，對于結(jié)構(gòu)和聲學(xué)輸入功率，模態(tài)密度都是一個(gè)明確的線性因子。通過對艙室傳遞函數(shù)的簡單分析可以看出，如果忽略聲學(xué)間接耦合的貢獻(xiàn)，模態(tài)能量與側(cè)窗模態(tài)密度成正比。此外，在低頻和中頻范圍內(nèi)，該參數(shù)對邊界條件明顯敏感。側(cè)玻璃的邊界條件很難在實(shí)驗(yàn)上以一定的精度知道。重要的是考慮不同的邊界條件來驗(yàn)證SEA的使用，并使模型在中頻范圍內(nèi)具有更好的精度。

考慮一種具有以下特征的通用側(cè)玻璃：密度2300 千克每立方米、楊氏模量62000000千帕、 泊松比0.24、 模型厚度4毫米、面積0.35平方米。有限元分析提供了以下特征頻率。通過模式計(jì)數(shù)，可以很容易地確定模式密度。現(xiàn)在，SEA中常用的模態(tài)密度可以寫為：

該表達(dá)式通常用于SEA理論中的板子系統(tǒng)，并應(yīng)提供中高頻范圍內(nèi)的真實(shí)模態(tài)密度值。需要注意的是，對于薄平板，理論模態(tài)密度與頻率無關(guān)。在當(dāng)前情況下，模態(tài)密度為0.0283每赫茲。然后，在帶寬為100 Hz的頻率范圍內(nèi)，最多可能找到3種模式。

圖4 通用側(cè)窗模型的模態(tài)密度

圖4顯示了側(cè)窗系統(tǒng)的模態(tài)密度，與理論公式（6）相比，對于夾緊和支撐邊界條件，以及側(cè)窗的一個(gè)邊緣被視為自由，而其他邊緣被視為夾緊的特定邊界條件。在500 Hz以下，SEA不太可能用于真正的預(yù)測可行性，除非實(shí)際側(cè)窗邊界條件介于自由和一側(cè)自由夾緊的FEA結(jié)果之間。理想情況下，F(xiàn)EA模態(tài)密度或電導(dǎo)率可用于改善低頻下的SEA結(jié)果，但本文中的結(jié)果是在不修改SEA彎曲子系統(tǒng)的情況下獲得的。

預(yù)測和測量之間的車內(nèi)噪聲比較

在BMW氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中，對生產(chǎn)車輛進(jìn)行了全膠帶狀態(tài)下的測量。兩個(gè)麥克風(fēng)分別位于駕駛員的外耳和內(nèi)耳位置。圖5顯示了內(nèi)部麥克風(fēng)的布置。此次測量的風(fēng)速為140 kph，偏航角為零。為了強(qiáng)調(diào)側(cè)視鏡和車外后視鏡的作用，在車輛周圍的風(fēng)洞地板上貼了一條裙子。這有效地消除了車底氣流，消除了這種低頻對車內(nèi)噪音的影響。在單獨(dú)的測量中，生產(chǎn)（a）鏡替換為不同的（b）鏡，允許從模擬中評估形狀設(shè)計(jì)方向。

圖5 內(nèi)耳和外耳位置有兩個(gè)內(nèi)置話筒

對于這種配置的氣動(dòng)聲學(xué)模擬，車輛幾何結(jié)構(gòu)是在水密表面網(wǎng)格中準(zhǔn)備的，緊跟著全膠帶車輛的形狀，包括車身底部裙板。CFD案例的流體網(wǎng)格尺寸和測量區(qū)域與Senthooran等人描述的風(fēng)噪聲模板相似。在橫擺角為零的情況下，通過垂直/軸向中平面使用對稱平面來減小模型尺寸。對于模擬中高頻下的側(cè)玻璃壁壓力波動(dòng)，這種近似方法通常是令人滿意的。入口邊界條件設(shè)置為風(fēng)洞速度，出口邊界條件設(shè)置為環(huán)境靜壓。

在Exa PowerFLOW lattice Boltzmann程序中進(jìn)行CFD模擬，在初始瞬態(tài)充分衰減后開始表面測量。側(cè)面玻璃表面的壓力-時(shí)間歷史數(shù)據(jù)以高采樣率實(shí)時(shí)保存約1秒。在模擬之后，對自頻譜“dB圖”（如圖2所示）和車輛聲學(xué)SEA模型的功率輸入，將表面時(shí)程分析為頻譜。在本研究中，SEA模型的頻率帶寬為1/3倍頻程。

基線1/3倍頻程內(nèi)部噪聲驗(yàn)證如圖6所示。兩個(gè)內(nèi)部麥克風(fēng)為紅色，模擬為黑色。兩個(gè)麥克風(fēng)頻譜之間的差異很大，可能是由于源方向性和近場效應(yīng)。之前的一篇文章也報(bào)道了類似的測量差異。SEA模型模擬是兩個(gè)麥克風(fēng)周圍的平均能量，但還不具備任何特殊的方向性或近場建模。

在大多數(shù)頻帶上都發(fā)現(xiàn)了良好的一致性。630至800 Hz頻帶之間的差異可能是由具有邊界條件的側(cè)玻璃的模態(tài)行為引起的。符合頻率峰值正確位于3.15 kHz?？赡苡捎贑FD WPF截止、來自鏡子的聲音方向性或當(dāng)前分析中未考慮的不同面板的貢獻(xiàn)，高頻范圍未被完美捕獲。

圖6 測量的座艙SPL與預(yù)測值比較，風(fēng)速140kph，（a）2個(gè)麥克風(fēng)，（b）麥克風(fēng)上的平均能量

潛在分析類型示例

兩種后視鏡設(shè)計(jì)的比較

風(fēng)噪聲模擬的最重要用途可能是幫助車輛外部形狀的早期設(shè)計(jì)。車外后視鏡形狀通常是車內(nèi)風(fēng)噪聲的來源，因此我們想用分析工具展示良好的設(shè)計(jì)方向。鏡（a）和鏡（b）在外部壓力波動(dòng)和室內(nèi)噪聲方面的差異都很小。圖7顯示了基于兩種鏡像形狀模擬的500Hz倍頻帶的WPF dB圖。

為了強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)趨勢，通過減去生產(chǎn)（系列）后視鏡的聲壓級，對后視鏡（b）的內(nèi)部噪聲譜進(jìn)行歸一化。圖8顯示了每個(gè)麥克風(fēng)和預(yù)測的電平差異。

圖7 500 Hz倍頻程CFD自動(dòng)頻譜，用于30 dB色階的系列后視鏡（a）和后視鏡（b）

圖8 后視鏡（a）和后視鏡（b）的SPL差異

比較兩種結(jié)構(gòu)變化：普通玻璃與層壓玻璃

側(cè)窗采用較厚的玻璃并不總是一個(gè)優(yōu)勢，因?yàn)榕R界頻率被轉(zhuǎn)移到較低的頻率范圍（厚度為4.5mm時(shí)為2500 Hz，厚度為4mm時(shí)為3000Hz），如圖9所示。層壓解決方案提高了中高頻范圍，這是因?yàn)樵黾恿俗枘?，同時(shí)降低了傳輸。

圖9 不同側(cè)窗厚度和夾層玻璃的座艙SPL比較

結(jié)論

討論了一種耦合CFD和SEA的顯式方法。成功地將車輛的CFD/SEA解算器預(yù)測結(jié)果與機(jī)艙SPL的風(fēng)洞測量結(jié)果進(jìn)行了比較。然后，只涉及側(cè)窗的方法可以提供預(yù)測，從而提供實(shí)質(zhì)性的設(shè)計(jì)方向。這種完全分析的風(fēng)噪聲過程依賴于對溫室壁壓力波動(dòng)進(jìn)行時(shí)間精確的CFD模擬，該波動(dòng)在對風(fēng)噪聲非常重要的頻率范圍內(nèi)，然后進(jìn)行后處理，以計(jì)算產(chǎn)生內(nèi)部噪聲譜的車輛-SEA模型的適當(dāng)激振。

這種方法是開發(fā)過程的第一步。輸入功率確定過程可能會(huì)得到改進(jìn)，因?yàn)檫€包括其他改進(jìn)： 擋風(fēng)玻璃、車身底部和其他面板的貢獻(xiàn)； 鏡子和側(cè)玻璃輻射的聲音方向性；這引出了最后一個(gè)開發(fā)主題，涉及確定性技術(shù)的使用，以及SEA和CFD方法。

該工具的一個(gè)潛在用途是支持目標(biāo)設(shè)定和部分貢獻(xiàn)分析，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，以確定每個(gè)頻率范圍的基本參數(shù)。

文章來源：

Moron, P., Powell, R., Freed, D., Perot, F. et al., "A CFD/SEA Approach for Prediction of Vehicle Interior Noise due to Wind Noise," SAE Technical Paper 2009-01-2203, 2009, https://doi.org/10.4271/2009-01-2203.

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