摘要

本研究以電動汽車（BEV）底盤結(jié)構(gòu)中底盤風噪聲的傳播機制為研究對象，利用耦合的氣動、振動和聲學分析方法進行探索。通過建立模擬模型，并進行計算流體動力學（CFD）和振動聲學分析，揭示了BEV底盤結(jié)構(gòu)中底盤風噪聲的復雜傳播路徑和影響機制。研究發(fā)現(xiàn)，在底盤結(jié)構(gòu)中，振動從不同的輸入位置傳播到車廂內(nèi)，形成了復雜的聲傳播路徑，并導致聲壓波動和聲輻射。特別是在電池和外部表面之間的有限空間中，振動和聲波的相互作用使得傳播路徑更加復雜。這些發(fā)現(xiàn)對于改善車輛的靜音性能、優(yōu)化車內(nèi)噪聲控制和提升駕駛體驗具有重要意義。

簡介

該研究的結(jié)果有助于揭示底盤結(jié)構(gòu)中底盤風噪聲產(chǎn)生與傳播的關(guān)鍵因素，為設(shè)計和優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)和技術(shù)指導。減少底盤風噪聲的傳播對于提高車輛的整體靜音性能尤為重要，尤其是在電動汽車普及和自動駕駛技術(shù)發(fā)展的背景下。在智能駕駛系統(tǒng)越來越普遍的情況下，降低風噪可以提升駕駛員的乘車舒適度和安全感。此外，隨著電動汽車市場的擴大，低噪音的駕駛體驗也是吸引消費者的一個重要因素。因此，對底盤風噪聲傳播機制的深入研究具有重要的工程應用和經(jīng)濟意義。

在本文中，我們描述了本研究中模擬模型的建立以及計算流體動力學（CFD）和振動聲學分析的方法。隨后，我們討論了CFD和振動聲學分析的結(jié)果。最后，給出了研究的結(jié)論。

數(shù)值方法

模型總覽

圖1展示了仿真中使用的BEV的底盤結(jié)構(gòu)。研究確定了兩個底盤風噪聲導致的壓力漲落的輸入位置。其一是直接暴露在底盤風噪聲下的車輛外表面，如保護板和懸掛裝置，其二是底盤風噪聲下的地板板塊。圖1中顯示的底盤空間包括地板板塊下方的空間，包括電池盒外側(cè)與地板板塊或保護板之間的間隙、電機室內(nèi)的空間以及外表面到地面的空間。

通過兩個步驟來研究底盤風噪聲的傳輸機制：第一步是使用計算流體動力學（CFD）模擬在外表面和地板板塊上由底盤風噪聲引起的壓力漲落；第二步是以CFD計算結(jié)果作為負載輸入，分析振動聲學傳輸?shù)杰噹麅?nèi)部。分析假設(shè)外表面和地板板塊在CFD中是沒有振動的剛體，并且它們在振動聲學分析中以表面壓力漲落輸入作為彈性振動。圖2顯示了振動聲學噪聲進入車廂的三種可能傳輸路徑。在路徑1中，外表面的流體壓力漲落經(jīng)由車輛結(jié)構(gòu)振動傳遞并到達地板板塊，然后傳輸進入車廂。在路徑2中，由于外表面的壓力漲落引起的聲波輻射傳播到底盤空間，然后傳至地板板塊進入車廂。在路徑3中，由于流場引起的壓力漲落直接到達地板板塊，然后傳輸進入車廂。

圖1 本研究分析的純電動汽車車底結(jié)構(gòu)為橫斷面圖:整車模型(上)和電池上方車底空間(下)

圖2 噪聲進入車廂的三種可能傳輸路徑

CFD方法

為了計算車輛周圍的流場和聲場，本研究使用了基于格子玻爾茲曼方法的商業(yè)流體分析軟件PowerFLOW。所使用的模型是一款詳細幾何結(jié)構(gòu)的C段SUV型BEV，包括上部車身、電機室、電池、懸掛、保護板和地板板塊。計算域是一個100m邊長的立方體，空間中的計算網(wǎng)格在底盤下部有高分辨率。計算所使用的網(wǎng)格大小從最小的1.25mm逐漸增加到最大的1.28m。整個計算域的網(wǎng)格數(shù)約為2億。

圖3 汽車CFD模型

車輛的速度為120km/h，偏航角為0°。聲速設(shè)定為343.2m/s，等于20°C干燥空氣中的實際聲速。為了進行物理計算，時間增量設(shè)定為2.09×10^-6s，持續(xù)計算時間為2.0s。計算開始時，整個計算域中的速度沿x方向（主要流動方向）為120km/h，壓力為101,325Pa。

圖4 CFD網(wǎng)格解析度

振動聲學分析方法

  使用商業(yè)軟件wave6，通過有限元（FE）或邊界元（BE）方法計算車身振動和車廂內(nèi)外聲場，這些振動由振動引起。圖6顯示了用于振動聲學分析的模型的網(wǎng)絡圖和每個子系統(tǒng)的模型。結(jié)構(gòu)有限元模型包括車體、電池、懸掛和底板。通過CFD獲得的表面壓力漲落作為輸入負載時，從結(jié)構(gòu)有限元模型中提取這些區(qū)域的元素和振動模態(tài)，并將其作為底盤結(jié)構(gòu)有限元模型的子系統(tǒng)進行整合。

圖5 用于振動聲學分析輸入的測量面

使用只表示外部形狀而沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如座椅和飾板）的幾何模型，通過邊界元方法模擬車廂內(nèi)部的聲場。使用無限邊界邊界元模型，模擬噪聲通過擴散到車輛周圍的衰減效應，該邊界元模型圍繞底盤空間有限元模型。

圖6 網(wǎng)絡圖及各子系統(tǒng):a)振動聲學模型各子系統(tǒng)網(wǎng)絡圖，b)客艙空間BE模型，c)車底結(jié)構(gòu)有限元模型，d)車底空間有限元模型

準確性驗證

數(shù)值方法準確性驗證

在風洞實驗中，測量了底板表面的壓力波動，并與CFD結(jié)果進行了比較。結(jié)果顯示，在低于500Hz的頻率范圍內(nèi)，實驗和CFD的平均頻譜大致匹配。盡管在某些頻率范圍內(nèi)，實驗和CFD的平均頻譜有些差別，但在短時間實驗頻譜的水平范圍內(nèi)，它們是相符的。CFD結(jié)果準確模擬了實際車輛的表面壓力波動，并用于進行振動聲學分析。

圖7 外表面(上)和底板(下)聲壓級的實驗與CFD比較

振動聲學分析準確性驗證

為了驗證振動聲學分析模型，比較了在駕駛員頭部位置放置點源噪聲時的分析和實驗結(jié)果。分析結(jié)果顯示，在實驗中測得加速度響應的部分區(qū)域，相比于外表面，地板板塊的響應普遍較高；地板板塊中靠近前后座位腳部位置的響應也相對較高。這個準確模擬實際車輛的振動聲學分析模型被用于分析底板風噪聲傳遞。

圖8 外表面(上)和底板(下)在200hz下的加速度響應分析與實驗對比:30db動態(tài)尺度。

結(jié)果討論

CFD結(jié)果分析

圖9顯示了在外表面和地板板塊上的表面壓力波動的分貝圖，顯示在200 Hz和400 Hz中心頻率的1/3倍頻帶處，前懸長度的表面、前輪艙后方的表面以及前后懸掛的表面上的壓力波動水平較高。然而，在地板板塊上，雖然沒有觀察到局部高壓波動水平，但在200 Hz時，地板板塊的中心區(qū)域有一個相對較高壓力波動的區(qū)域，并且在400 Hz時呈條紋狀分布。

圖9 外表面(上)和底板(下)波動壓力分貝圖，200和400赫茲三分之一八度頻帶，50分貝動態(tài)刻度

為了確定流場中的渦旋噪聲源的分布，對Powell's聲源項進行了頻率分析。結(jié)果顯示大量的噪聲源分布在前輪和前懸長度周圍的底盤空間中，并且在前輪艙后方和前后懸掛的表面周圍也有分布。這些噪聲源的分布與在外表面上觀察到的高壓波動區(qū)域相吻合。此外，通過比較速度大小的分布，發(fā)現(xiàn)地板板塊附近的噪聲源的強度較低，僅為流場外表面下方噪聲源的1/256。

表面壓力載荷分析

使用CFD模擬得到的外表面和地板板塊上的壓力波動作為輸入，通過聲-振動模型分析了車輛內(nèi)部空間的噪聲。研究評估了車廂內(nèi)的聲音水平，并計算了輸入功率，即從底盤結(jié)構(gòu)傳遞到車廂空間的聲功率之和。通過改變結(jié)構(gòu)振動模態(tài)的數(shù)量，研究了不同傳輸路徑對車廂的功率輸入的影響。在對五種不同的表面壓力波動輸入情況進行分析后發(fā)現(xiàn)，地板板塊的輸入對車廂的輸入功率起主導作用。其他三種表面輸入情況的輸入功率比地板板塊少約20 dB。進一步分析表明，底盤空間對車廂的輸入功率幾乎沒有影響。這些結(jié)果表明，來自車輛外表面的噪聲傳輸主要是通過結(jié)構(gòu)振動路徑實現(xiàn)的。

圖10 電機室及蓄電池周圍時間平均速度大小分布

表面壓力載荷分析

圖11顯示，地板板塊上的壓力波動對車廂的貢獻大約是外表面的20 dB。本節(jié)對來自CFD的表面壓力波動數(shù)據(jù)進行分析，以研究這種差異的原因。在特定頻率下，通過中心頻率為200 Hz和400 Hz的帶通濾波器提取壓力波動，并比較了外表面和地板板塊上的壓力分布。結(jié)果顯示，外表面上存在與湍流傳熱相關(guān)的短波長壓力波動，而地板板塊上的壓力波動具有與聲波一致的較長波長。這說明地板板塊受到的湍流壓力波動影響較小，因為它們主要受到聲波的影響。

圖11 通過改變表面壓力負載向艙室空間輸入動力。

對壓力波動進行二維波數(shù)-頻率譜分析，以定量評估外表面和地板板塊之間的差異。分析結(jié)果顯示，在第一個三分之一八度頻帶頻率為200 Hz和400 Hz處，外表面和地板板塊都展示了接近波數(shù)坐標系原點的聲波數(shù)分量。然而，在外表面上，與湍流傳熱相關(guān)的壓力波動區(qū)域分布在波數(shù)右側(cè)，顯示出沿x軸正向的湍流，并且在y軸方向上幾乎沒有偏離。相比之下，地板板塊上的壓力波動沒有顯示出對流分量，表明聲波數(shù)分量占主導地位。

圖12 二維頻譜的波數(shù)和頻率分析，200和400赫茲的三分之一倍頻帶，和90分貝的動態(tài)尺度。:外表面(上)和地板(下)。

為了定量比較外表面和地板板塊上壓力波動的聲波數(shù)分量功率，使用波數(shù)空間中的積分來計算每個角頻率下的波數(shù)分量功率。這些結(jié)果顯示，對于低于160 Hz的頻率，地板板塊上所有波數(shù)分量的功率要比外表面高約5 dB。然而，在高于200 Hz的頻率范圍內(nèi)，兩者的功率相似，說明地板板塊在頻率高于150 Hz的范圍內(nèi)對車廂的影響更大。另外，這些地板板塊上的聲波數(shù)分量會激發(fā)相應頻率以下的振動模態(tài)，并對質(zhì)量-法則路徑有貢獻。

圖13 地表壓力波動功率譜:左為所有波數(shù)分量，右為聲波波數(shù)分量

此外，從表面處的波動功率譜和頻率分貝圖中可以觀察到，地板板塊上的壓力波動在100-500 Hz頻率范圍內(nèi)存在許多峰值。這些峰值的頻率與相應的聲波波長一致，表明由于地板板塊下的空間中的聲波模態(tài)，壓力波動水平高于外表面。因此，通過這些分析結(jié)果可以得出，地板板塊上的壓力波動對車廂的噪聲影響較大。與外表面相比，地板板塊上的壓力波動具有更長的波長，并且主要由聲波引起，而不是湍流引起的壓力波動。這可能是由于地板板塊下的空間中的聲波模態(tài)對壓力波動的貢獻較大。

圖14 外表面和底板窄帶壓力譜

總結(jié)

為了明確BEV車輛底盤風噪聲的傳輸機制，對底盤結(jié)構(gòu)進行了耦合的氣動-振動-聲學分析，并將外表面和地板板塊作為壓力波動輸入。得到了以下結(jié)論：

· 在低頻范圍內(nèi)，底盤空間中分布著眾多底盤氣流的噪聲源，主要集中在前輪和前凌掛部分周圍。

· 在150 Hz以上的頻率范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)振動向車廂傳遞的主要路徑是質(zhì)量-法則路徑。

· 由于外表面的彈性振動，聲波輻射進入底盤空間并達到地板板塊的聲波傳輸路徑對車廂的影響可以忽略不計。

· 車廂空間的主要輸入是地板板塊上的壓力波動，因為地板板塊上的壓力波動的聲波波數(shù)成分水平比外表面上的要大。

地板板塊上的壓力波動的聲波波數(shù)成分水平較大，是由于地板板塊下的底盤空間中的聲學模態(tài)的影響。一項研究表明，在BEV的底盤結(jié)構(gòu)中，在地板板塊和電池之間引入吸聲材料可以減少車廂內(nèi)部的噪聲，對聲學輸入和結(jié)構(gòu)激勵起到一定的降噪效果。在未來的研究中，應對減少底盤風噪聲的對策進行研究，并驗證其有效性。

參考文章來源：Tomoya Washizu, Tadayoshi Fukushima,  et al., "Numerical Analysis of Wind Noise Transmission through BEV Underbody," SAE Technical Paper 2023-01-1119, 2023, https:// doi:10.4271/2023-01-1119.