隨著高速公路的發(fā)展建設(shè)以及汽車(chē)行駛速度的不斷提高，汽車(chē)的氣動(dòng)噪聲問(wèn)題越來(lái)嚴(yán)重。1972年，Buchheim研究發(fā)現(xiàn)，車(chē)速達(dá)到70 km/h時(shí)氣動(dòng)噪聲的范圍在62 ~ 78dB(A)；車(chē)速以110 km/h行駛氣動(dòng)噪聲則達(dá)到80 ~ 90 dB(A)。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的汽車(chē)噪聲如發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲和輪胎噪聲等都得到了有效控制和降低。特別是對(duì)于發(fā)展迅速的新能源車(chē)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)被新能源驅(qū)動(dòng)裝置代替，對(duì)噪聲貢獻(xiàn)基本可以忽略，氣動(dòng)噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)的影響變得愈加突出，成為影響車(chē)內(nèi)噪聲的重要因素。


圖1 汽車(chē)氣動(dòng)噪聲與整車(chē)噪聲的關(guān)系

氣動(dòng)噪聲（或風(fēng)噪）作為汽車(chē)高速行駛時(shí)的最主要聲源，是一種寬頻噪聲。氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生以及向車(chē)內(nèi)的傳播機(jī)理主要包含兩個(gè)方面：一方面是高速行駛的車(chē)輛與空氣流場(chǎng)之間的相互作用，形成了復(fù)雜的非定常流動(dòng)現(xiàn)象，例如：流動(dòng)分離、渦脫落、湍流等，并表現(xiàn)為流場(chǎng)中的強(qiáng)烈的脈動(dòng)壓力。流場(chǎng)壓力脈動(dòng)會(huì)激勵(lì)車(chē)身壁板或是車(chē)窗玻璃產(chǎn)生振動(dòng)，向車(chē)內(nèi)輻射噪聲。另一方面是汽車(chē)的非流線(xiàn)型外形例如后視鏡與流場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的外部氣動(dòng)噪聲通過(guò)側(cè)窗或者封條向內(nèi)部空腔傳遞噪聲。


圖2 汽車(chē)氣動(dòng)噪聲的分類(lèi)

1  風(fēng)噪機(jī)理分析

從本質(zhì)上說(shuō)，風(fēng)噪是由空氣流動(dòng)造成的，是氣動(dòng)壓力脈動(dòng)加載在結(jié)構(gòu)上通過(guò)聲振耦合作用向車(chē)內(nèi)傳播。為便于分析，可人為將氣動(dòng)噪聲源分為流致成分和聲致成分兩部分，并對(duì)兩部分采用不同的求解策略。其中：流致成分可理解為是流動(dòng)中的不可壓現(xiàn)象，與流場(chǎng)傳播相關(guān)，攜帶了流動(dòng)的大部分能量，主要集中在高頻范圍，幅值上占比較小，指向性高，車(chē)身對(duì)其衰減的能力小；而聲致成分是流動(dòng)中的可壓縮現(xiàn)象，與表面壓力分布相關(guān)，主要集中于中低頻范圍，幅值上占主要貢獻(xiàn)，向車(chē)內(nèi)傳遞衰減明顯，在低馬赫流中，聲壓的能量遠(yuǎn)低于湍流能量。


圖3 汽車(chē)氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理

2  物理假設(shè)

2.1 壓力脈動(dòng)的處理

針對(duì)不可壓的流場(chǎng)壓力脈動(dòng)，可以采用以下兩種方式處理：

a) 基于非定常CFD計(jì)算，可直接獲得聲振結(jié)構(gòu)表面的湍流壓力脈動(dòng)。這種方式對(duì)CFD計(jì)算要求高，計(jì)算量比較大，但精度較高，可用于最終噪聲水平的預(yù)測(cè)；

b) 基于定常CFD計(jì)算或風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)量，獲得聲振結(jié)構(gòu)表面的湍流壓力脈動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均參數(shù)，再結(jié)合湍流模型（Corcos模型）對(duì)表面的壓力脈動(dòng)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)重構(gòu)，并采用隨機(jī)信號(hào)的觀(guān)點(diǎn)分析氣動(dòng)噪聲。這種方式對(duì)CFD計(jì)算要求相對(duì)較低，但計(jì)算精度稍差，可用于開(kāi)發(fā)階段氣動(dòng)噪聲水平的趨勢(shì)性評(píng)估分析。

2.2 湍流模型

CFD中常用的的湍流模型分為雷諾時(shí)均方法（RANS），分離渦模型（DES）、大渦模擬（LES）、直接求解（DNS）等幾種方法。不同的方法對(duì)流場(chǎng)細(xì)節(jié)的捕捉和計(jì)算量上都有較大的差異。其中直接求解方法由于計(jì)算量過(guò)大，目前在工程領(lǐng)域還未得到應(yīng)用。湍流模型的選取與預(yù)期分析精度、求解速度、計(jì)算效率等有關(guān)。

2.3 頻率

引起氣動(dòng)噪聲的主要原因有兩個(gè)：一個(gè)是流場(chǎng)中的氣流引起壓力脈動(dòng)形成的中低頻噪聲，通過(guò)車(chē)身及附件傳播至車(chē)內(nèi)；另一個(gè)則是由于工藝問(wèn)題導(dǎo)致氣流泄漏引起的高頻噪聲。

3  風(fēng)噪分析流程

當(dāng)前主流的解決風(fēng)噪分析問(wèn)題的方法主要分以下幾種：

（1）直接求解法；

（2）CFD求解法；

（3）混合方法：CFD和聲學(xué)聯(lián)合求解法。

直接方法與混合方法在氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)中均有應(yīng)用. 直接方法通過(guò)對(duì)整個(gè)計(jì)算域的流場(chǎng)和聲場(chǎng)進(jìn)行求解, 從而實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè). 該方法要求巨額計(jì)算資源, 僅適用于雷諾數(shù)較小的流動(dòng)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲問(wèn)題。混合方法是目前能夠完整解決噪聲聲源產(chǎn)生及傳遞過(guò)程的一種方法，其中CFD+SEA方法風(fēng)噪仿真流程如下：


圖4汽車(chē)氣動(dòng)噪聲仿真分析流程

3.1 外流場(chǎng)載荷獲取及分解

氣動(dòng)噪聲本質(zhì)是由空氣流動(dòng)造成的，是氣動(dòng)壓力脈動(dòng)加載在結(jié)構(gòu)上通過(guò)聲振耦合作用向車(chē)內(nèi)傳播。因此準(zhǔn)確獲得流場(chǎng)數(shù)據(jù)，主要是壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)氣動(dòng)噪聲的準(zhǔn)確評(píng)估至關(guān)重要。流場(chǎng)數(shù)據(jù)一般可以通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)以及CFD仿真來(lái)獲取，其中考慮到噪聲計(jì)算的非定常、小擾動(dòng)特性，CFD仿真需要的求解精度和計(jì)算效率都非常高，基于CFD外流場(chǎng)壓力脈動(dòng)分析結(jié)果，進(jìn)行外載荷分解，分別提取流致和聲致成分。


圖5 汽車(chē)氣動(dòng)噪聲外流場(chǎng)載荷的獲取


圖6 汽車(chē)氣動(dòng)噪聲風(fēng)洞測(cè)試方法

3.2 整車(chē)SEA建模

風(fēng)噪的氣動(dòng)聲源是通過(guò)作用在結(jié)構(gòu)表面，通過(guò)聲振耦合作用向車(chē)內(nèi)傳播的。建立整車(chē)SEA模型，聲包的定義采用插入損失與吸聲系數(shù)定義方法。模型中考慮不同區(qū)域聲學(xué)包分布及可能存在的泄漏細(xì)節(jié)。



圖7 汽車(chē)氣動(dòng)噪聲SEA建模流程

3.3 車(chē)內(nèi)風(fēng)噪分析

全車(chē)身施加聲致成分外載荷，進(jìn)行車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)預(yù)測(cè)，評(píng)估主要貢獻(xiàn)激勵(lì)位置，并對(duì)其所占貢獻(xiàn)水平進(jìn)行分析。


圖8 汽車(chē)氣動(dòng)噪聲車(chē)內(nèi)風(fēng)噪分析

3.4 貢獻(xiàn)分析及優(yōu)化

分別考慮聲學(xué)包布置、聲學(xué)包性能、泄漏等因素對(duì)車(chē)內(nèi)風(fēng)噪影響，并進(jìn)行貢獻(xiàn)量分析，確認(rèn)重點(diǎn)影響因素。


圖9 汽車(chē)氣動(dòng)噪聲貢獻(xiàn)分析及優(yōu)化

4 小結(jié)

采用CFD與SEA方法相結(jié)合的方法，該方案具有以下特點(diǎn)：

1）CFD軟件應(yīng)用已經(jīng)普遍用于實(shí)際工程開(kāi)發(fā)，技術(shù)相對(duì)成熟；

2）可實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)&振動(dòng)聲學(xué)的一體化求解，有結(jié)構(gòu)/聲學(xué)軟件提供求解器，模型包含氣動(dòng)聲源，同時(shí)包含車(chē)身結(jié)構(gòu)物理模型；

3）快速定位設(shè)計(jì)缺陷和尋找問(wèn)題根源，對(duì)不同部位聲貢獻(xiàn)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。