摘要

在設計過程的早期，通過評估密封結構產生內部噪音的能力對汽車制造商來說是非常重要的。當密封設計不充分時，產生的內部噪聲會使車輛的風噪聲性能不被接受。使用傳統(tǒng)的實驗過程設計密封件是具有挑戰(zhàn)性的，因為在計劃密封件時，不知道低噪聲源的位置和強度。在模具確定后改變密封件對制造商來說是昂貴的。因此，在設計過程的早期，人們需要使用可靠的計算能力來預測通過密封傳輸的內部噪聲。

目前的研究提出了一種計算方法可用于預測通過密封件傳輸的內部噪聲。該計算方法采用基于晶格玻爾茲曼方法（LBM）的計算流體動力學（CFD）求解器來預測瞬態(tài)流場和外部噪聲源。使用統(tǒng)計能量分析（SEA）求解器通過玻璃面板和密封件將這些聲源的噪聲傳輸到機艙。實驗通過玻璃面板、窗密封和門密封傳遞的噪聲進行了量化，允許驗證計算預測。通過詳細的流量分析，深入了解密封件和玻璃面板上的噪聲源和外部負荷。該計算過程可以在車輛開發(fā)過程的早期用于設計有效的密封件，以改善風噪聲性能。

介紹

實現(xiàn)低水平的風噪對汽車制造商來說很重要，特別是對高端汽車行業(yè)的制造商。雖然通過車身底部面板傳播的風噪是造成艙內噪音的主要原因，但如果不仔細處理這些噪音路徑，通過門窗密封系統(tǒng)的噪音路徑可能會成為主導地位。因此，實現(xiàn)正確預測風噪水平的一個重要方面是通過車輛內密封件的適當設計。實驗測試不同密封方案的空氣聲學性能，通常包括原型設計，原型密封的制造和昂貴的風洞實驗。原型測試相對較晚的性質可能導致后期的設計變更和重新制造費用。為了降低成本和開發(fā)時間，我們希望在車輛開發(fā)過程的早期階段使用仿真技術來評估性能。模擬汽車內部噪音，預測客戶在路上行駛時將體驗到的噪音。通過結合計算流體動力學（CFD）預測外部壓力，結合統(tǒng)計能量分析（SEA）模型預測傳播到乘員耳朵的噪音。實驗驗證是在空氣風洞中獲得的，采用門和玻璃密封，以減弱密封對內部噪聲的貢獻。為了滿足現(xiàn)代產品開發(fā)過程的時間要求，需要一個密封傳輸的簡化表示。選擇的方法是用聲音傳輸損失的頻譜（TL）來描述密封噪聲傳輸，這種方法允許有限元方法的模擬精度，也可以很好地適應以前研究中描述的玻璃面板的SEA建模方法。本文詳細描述了在風洞中測試的SUV車輛的細節(jié)，并且描述了相應的流體（CFD）和結構聲學（SEA）模擬過程，對使用不同車輛配置的結果進行了比較。

實驗研究法

氣動風洞

由捷豹路虎（JLR）生產的路虎運動版在德國斯圖加特的FKFS全尺寸風洞中進行了實驗測試。該車輛安裝在該設施中的照片如圖1所示。

圖1  風洞測試設施密封線被粘在外部，以減少來自非模擬區(qū)域的噪音。車輛進行測試時，所有的玻璃面板的內部覆蓋了隔音面板，以減弱面板傳輸，增加傳輸路徑的信噪比。所有的膠帶和支撐都在內部。通過應用與以往研究中相同的窗口貢獻方法，詳細研究了左前門的貢獻。這涉及交替阻塞和疏通門密封線、側玻璃和玻璃密封，以便評估不同的貢獻。在密封件的內部應用了模型粘土，以進一步減弱聲學傳輸。圖2顯示了定制的左前側玻璃絕緣安裝與膩子阻塞玻璃密封變速器。此配置用于突出門密封的貢獻。請注意，此車輛設計在整個車門周圍的邊緣密封。

圖2  左正面玻璃保溫細節(jié)與玻璃密封膩子

一個雙耳頭被放置在左前座位置，記錄每個耳朵位置的內部噪音。本文評估了流速和偏航角的范圍，本文給出了130km/h，0度偏航情況下的結果。圖3顯示了在門密封系統(tǒng)內部側應用的面板絕緣、雙耳頭和堵塞膩子。在這種配置中，交替去除側玻璃絕緣或玻璃密封膩子，以強調這些噪聲源和路徑。當密封路徑被堵塞時，外部密封線也被膠帶密封，如圖1所示。

圖3   用雙耳頭和門密封膩子處理內部

為了與模擬的SEA聲學模型進行比較，在頻譜中對左右耳麥克風的平均方波動壓力進行平均。

密封傳輸實驗

在JLR半無回聲聲學測試設施中進行了測試，以估計密封傳輸系數。麥克風放置在外部密封位置附近表面。這些麥克風與密封線的距離被記錄下來，平均為25毫米。在每個密封段周圍的半圓柱形虛擬表面上集成輻射聲強，以估算輻射聲功率Wr。密封系統(tǒng)內部的入射聲強度是由點聲源引起的SEA混響壓力估計的，并輔以從該點源到密封段中心的直接場計算。使用CFD模型中每個密封段的外部流體面積作為參考，估計入射聲功率Wi，每個頻段中每個密封段的分貝傳輸損失計算為：

數值方法

通過圖4所示的過程，對車輛內部的風噪聲進行了仿真。瞬態(tài)、可壓縮的CFD代碼模擬車輛外部面板和密封表面的波動壓力負荷。在頻域對這些瞬態(tài)壓力進行了分析，以開發(fā)結構聲學車輛模型的載荷。對于模型中的每個主動面板，計算了結構和聲學負荷，作為車輛模型面板的振動和內部機艙噪聲提供輸入。在這個模型中，密封作為附加面板，與TL光譜實驗指定的機艙聲學耦合。

圖4  室內風噪聲的仿真過程

外部流量

采用PowerFLOW計算非定常流以及相應的流誘導噪聲的產生和在車輛表面的傳播?；诰Ц竦姆椒ㄊ秋@式的、瞬態(tài)的和可壓縮的。LBM的基本思想是跟蹤流體粒子的平流和碰撞。由于具有代表性的流體體積中粒子的平均數量大大超過了單獨跟蹤它們所需的計算能力，這些粒子被分組為指數為i的整數離散方向。計算遵循粒子分布函數fi，它表示每單位體積的粒子數，也稱為體素，在一個特定的時間和位置隨速度ci移動。就像在統(tǒng)計物理學中一樣，流動變量，如密度和速度，是通過在粒子分布函數的離散方向集合上取適當的矩（和）來確定的。該LBM求解器在汽車風噪聲應用中得到了廣泛的應用和驗證。

噪聲傳播

統(tǒng)計能量分析（SEA）是一種模擬中高頻動態(tài)的方法框架，它考慮了模式群的統(tǒng)計集合和它們之間的動態(tài)能量交換。湍流激發(fā)結構用湍流壁壓力波動來描述，在每個面板上提供一個隨機分布的力。湍流也會輻射聲場，即使是在作用于剛性結構或自由剪切層上。在高速公路速度下，這個聲場大約是湍流波動的速度的10倍，比湍流更有效地與典型的結構波長耦合。因此，在激發(fā)公式中，利用低通波數濾波器將外部聲場與湍流分離。前側玻璃被建模為一個層壓的SEA面板，并連接到聲學子系統(tǒng)。密封段被創(chuàng)建為特殊的傳輸損失面板，并耦合到適當的內部子系統(tǒng)。圖5顯示了密封件管段的布局。這些劃分是基于流動結構引起的激勵變化，以及密封部分或密封數量的潛在變化。

圖5   門密封（Dn）和玻璃密封（Gn）分段

客艙聲學建模

在后分析軟件PowerACOUSTICS中實現(xiàn)該方法，該SUV的內部體積被劃分為20個SEA聲學子系統(tǒng)，以模擬內部聲壓級（SPL）的梯度。對于左右兩側，有上、中、下聲學子系統(tǒng)，以及擋風玻璃儀表板上方的空間。選擇麥克風位置以匹配駕駛員頭部位置。

結果

風噪聲計算過程的總體目標是設計出更好、更安靜的產品。這首先是識別外部設計的特征，可以修改以減少內部風噪聲。為了對重要的外部特征進行優(yōu)先排序，首先使用內部噪聲模型來定位超過目標的頻率范圍和在這些頻率范圍內有貢獻的頻率范圍。對于在零偏航下運行的車輛，在2kHz處的最高貢獻密封區(qū)域是前側玻璃密封G1和G2。對于本技術論文的邏輯進展，將首先給出外部噪聲模擬的結果，然后將內部噪聲模擬與實驗數據進行比較。

外部來源

在左前門區(qū)域模擬的瞬態(tài)湍流如圖6所示，顯示了渦旋核的快照，用渦旋度的大小著色。從前輪和輪井、罩流渦、鏡面尾流和A柱渦中可以識別出主要的分離流區(qū)。

圖6   流動快照中的瞬態(tài)湍流渦旋，表示渦度大?。t色為高渦度）

我們選擇了2kHz波段進行檢查，作為來自前側玻璃上的玻璃密封件產生內部噪音的一個重要貢獻者。雖然湍流是面板外部壓力波動的很大因素，但由于聲場中波長和玻璃的彎曲模式的空間耦合，聲路徑在較高的頻率下通常占主導地位。在這里使用的簡化TL傳輸模型中，密封件的貢獻僅來自聲源。集中聲負荷的位置由圖7所示的聲功率譜的熱點表示。該結果是通過應用聲波數（空間）濾波器從面板和密封上的瞬態(tài)波動壓力計算出來的，然后對每個外表面測量元件（surfel）進行功率譜計算。

圖7   聲波數過濾壓力，2kHz波段，30dB比例從紅色到藍色

雖然側鏡后面的區(qū)域的聲負荷通常很高，但不清楚是哪個幾何形狀在玻璃密封上產生了這些熱點。當聲源可以突出時，表面聲載荷的原因會更加明顯。在圖8中，由流體中的聲學功率密度計算了2kHz的波段。這種顯示體積區(qū)域內的源的可視化技術已經被非常有效地跟蹤面板熱點產生的噪聲。在這款SUV中，流動后面的鏡子基座和三角形面板顯然是聲源。相比之下，鏡子尾流中的噪聲源和來自A柱后渦流的噪聲源離這個熱點更遠，因此不太可能是原因。

圖8   空氣中的流動誘導噪聲源（鉻色），聲波數過濾表面壓力，所有在2kHz波段

內部噪聲驗證

使用從315Hz到8kHz的內部噪聲譜提出了三種配置：

1、只有側邊玻璃；

2、門的密封件和側邊玻璃；

3、玻璃密封、門密封和側玻璃。

所有內部SPL結果繪制在40dB范圍內，在圖中每個劃分為5dB。側玻璃內部噪聲的實驗配置如圖3所示，如圖2所示的玻璃面板阻塞器被拆除，所有密封線都粘在外部。在模擬結果的情況下，玻璃的貢獻是在沒有其他面板或密封件載荷的情況下計算的。相關性在1000Hz以上表現(xiàn)良好。

圖9  內部駕駛員頭部聲壓級，A加權，僅側玻璃

通過去除門密封帶和膩子，實現(xiàn)了門密封加側玻璃配置，如圖10所示。在圖11中，只繪制了門密封加上側玻璃和僅加側玻璃之間的分貝差異，顯示了來自門密封的額外分貝貢獻的頻譜。這些是在1-3dB范圍內，在1250Hz以下的頻段。有一種模擬過度預測這些貢獻的趨勢，被認為是由于基線實驗中未模擬的貢獻，在這種情況下，圖9中只有側玻璃的SPL。

圖10  內部駕駛員頭聲壓級，A加權，側玻璃和門密封

圖11  門密封的分貝貢獻譜；側玻璃和門密封的內部駕駛員頭聲壓級減去僅側玻璃的聲壓級 

圖12  內部駕駛員頭聲壓級，A加權，側玻璃，門密封和玻璃密封

圖12顯示了側玻璃、門密封和玻璃密封的內部SPL光譜，圖13顯示了超過基線（僅限側玻璃）的分貝貢獻，即門和玻璃密封的額外組合貢獻。

圖13  玻璃密封和門密封的分貝貢獻光譜；內部駕駛員頭部三八度聲壓級減去側玻璃的聲壓級

玻璃密封的貢獻有明顯的頻率趨勢，在2kHz左右上升到峰值，然后再次下降和上升。這是由于4-5kHz左右的側玻璃重合引起的（見圖9）。玻璃密封模擬的最差相關性發(fā)生在2500Hz。原因是在G2腰部密封的“下降”。雖然對實驗數據質量進行了審查，發(fā)現(xiàn)這是可以接受的，但觀察到不同玻璃密封段的TL之間的散射相當高。這可能表明，在進行TL計算之前，在點對點測量中增加平均量是可取的。

對玻璃密封傳輸損耗的靈敏度

利用SEA模型中實驗玻璃密封TL譜的平均值，模擬SPL譜變化為圖14所示和圖15所示的delta dB貢獻。在2500 Hz時的最大誤差已減少到僅3.3 dB，但在低頻段和高頻段的精度有所下降。在實踐中，預計在源位置、多個車輛和頻帶的增加上，需要進一步平均密封TL。

圖14  內部駕駛員頭聲壓級、A加權、側玻璃、門密封和玻璃密封（平均TL)

圖15  玻璃密封（平均TL)和門密封的分貝貢獻譜；內部駕駛員頭聲壓級減去側玻璃的聲壓級

總結

汽車產品開發(fā)過程面臨的挑戰(zhàn)很多。精確的風噪聲可以在測試之前節(jié)省時間和成本。由于內部風噪聲通常由動態(tài)密封所主導，因此在設計過程中，需要盡早使用可靠的計算能力來預測通過密封傳輸的內部噪聲。本文描述了一種計算過程，可用于預測在設計過程的早期通過密封傳遞的內部噪聲。該過程采用了基于晶格玻爾茲曼方法（LBM）的計算流體動力學（CFD）求解器來預測瞬態(tài)氣流和外部噪聲源。使用統(tǒng)計能量分析（SEA）求解器通過玻璃面板和密封將這些源的噪聲傳輸到機艙。通過車載聲傳遞函數測試，對密封件的噪聲傳遞性能進行了特征分析。在空氣聲學風洞中進行了實驗，以量化通過玻璃板、門密封和玻璃密封傳遞的噪聲，從而驗證計算預測。未來的改進將致力于加強門和玻璃密封的密封傳輸損失光譜數據庫，并可能將該過程擴展到后提升門密封。通過密封對車輛聲傳遞函數進行空間采樣和平均，有望提高精度。