為了有效改善汽車(chē)的風(fēng)噪聲性能，在車(chē)輛開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期對(duì)密封件噪聲進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)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(cè)試的SUV車(chē)輛的詳細(xì)信息，以將密封性能與車(chē)窗玻璃的密封性能區(qū)分開(kāi)來(lái)。然后描述了相應(yīng)的流體（CFD）和結(jié)構(gòu)聲學(xué)（SEA）模擬過(guò)程，并使用不同的車(chē)輛配置對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較。從以下幾個(gè)方面對(duì)本文的研究?jī)?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(guó)斯圖加特的 FKFS 全尺寸氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中，對(duì)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(cè)試。安裝在該設(shè)施中的這款車(chē)的照片如圖 1 所示。


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

密封線被粘貼在外部，以減少來(lái)自非模擬區(qū)域的噪音。對(duì)車(chē)輛進(jìn)行測(cè)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(guò)應(yīng)用窗口貢獻(xiàn)方法，詳細(xì)研究了左前門(mén)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?huì)阻塞玻璃密封的傳輸。


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(cè)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(píng)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(cè)試裝置和阻塞膩?zhàn)討?yīng)用在門(mén)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(lái)源和路徑。


圖3 帶雙耳聲學(xué)測(cè)試裝置和門(mén)密封膩?zhàn)拥慕?jīng)過(guò)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(lái)自風(fēng)洞的同一輛汽車(chē)在 JLR 半消聲聲學(xué)測(cè)試設(shè)備中進(jìn)行了測(cè)試，以估計(jì)密封傳輸系數(shù)。聲學(xué)互易性是通過(guò)將體積速度源的噴嘴放置在駕駛員的耳朵位置，同時(shí)測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。記錄這些麥克風(fēng)與密封線之間的對(duì)峙距離，平均為25 毫米。通過(guò)在外部采用圓柱形擴(kuò)展模型，在每個(gè)密封段周?chē)陌雸A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(chǎng)計(jì)算。利用 CFD 模型中每個(gè)密封段的濕潤(rùn)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(duì)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(guò)程對(duì)車(chē)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(chē)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(duì)這些瞬態(tài)壓力進(jìn)行了分析，以開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)聲學(xué)車(chē)輛模型的載荷。對(duì)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(chē)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(guò)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(chǎng)以及相應(yīng)的流場(chǎng)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(guò)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(chēng)為體素。與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)非常類(lèi)似，流量變量例如密度和速度是通過(guò)對(duì)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﹣?lái)確定的。這個(gè) LBM 求解器在汽車(chē)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(guò)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(lái)模擬中高頻動(dòng)力學(xué)的方法框架。湍流對(duì)結(jié)構(gòu)的激勵(lì)作用是通過(guò)湍流壁壓力波動(dòng)來(lái)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(chǎng)，即使作用于剛性結(jié)構(gòu)或自由剪切層。這種聲場(chǎng)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(zhǎng)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(chǎng)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(mén)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(chē)內(nèi)聲壓級(jí)(SPL)的梯度。對(duì)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(chē)輛實(shí)驗(yàn)中，麥克風(fēng)的位置被選擇來(lái)匹配駕駛員頭部的位置。

三、結(jié)果

1. 外部來(lái)源

在左前門(mén)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(shí)別出來(lái)。


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(chǎng)中波長(zhǎng)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(jiǎn)化TL傳輸模型中，密封件貢獻(xiàn)完全來(lái)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(guò)應(yīng)用聲學(xué)波數(shù)濾波器，然后對(duì)每個(gè)外表面測(cè)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(wú)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(huì)更加明顯。分析軟件包括執(zhí)行流量感應(yīng)噪聲檢測(cè)的功能，通?？s寫(xiě)為它的首字母縮寫(xiě)：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(duì)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(mén)密封條和側(cè)面玻璃3. 玻璃密封條、門(mén)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(méi)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(duì)于低于 1000 hz的頻率，實(shí)驗(yàn)中的底部氣流可能會(huì)有一些貢獻(xiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致這些頻率下的3dB的預(yù)測(cè)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(guò)去除車(chē)門(mén)密封膠帶和膩?zhàn)?，?shí)現(xiàn)了車(chē)門(mén)密封和側(cè)玻璃的配置，如圖 10 所示。在圖 11 中，門(mén)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(lái)，顯示了來(lái)自門(mén)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(shì)是模擬過(guò)度預(yù)測(cè)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(mén)密封條


圖11 車(chē)門(mén)密封件的分貝貢獻(xiàn)光譜

圖 12 顯示了側(cè)面玻璃、門(mén)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(guò)基線(僅側(cè)面玻璃)的貢獻(xiàn)，即門(mén)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(shì)，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(jiàn)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(duì)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(duì)點(diǎn)測(cè)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(mén)密封條和玻璃密封條


圖13 玻璃密封條和門(mén)密封條的分貝貢獻(xiàn)光譜

四、對(duì)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(chē)輛和頻帶數(shù)量增加的情況下，有必要對(duì)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(mén)密封條和玻璃密封條（平均TL）


圖15 玻璃密封件和門(mén)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(lái)自動(dòng)態(tài)密封，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡早使用可靠的計(jì)算能力來(lái)預(yù)測(cè)通過(guò)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(guò)程，可以用來(lái)預(yù)測(cè)在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期通過(guò)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(lái)預(yù)測(cè)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(lái)源的噪聲通過(guò)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(guò)車(chē)內(nèi)聲傳遞函數(shù)測(cè)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(guò)玻璃板、門(mén)封條和玻璃封條傳遞的噪聲，從而驗(yàn)證計(jì)算預(yù)測(cè)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(cè)的準(zhǔn)確性雖然還沒(méi)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(kāi)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(kāi)發(fā)過(guò)程早期所需要的。一些額外的工作將有助于識(shí)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(cè)中將提高形式變化的預(yù)測(cè)效果的準(zhǔn)確性。流動(dòng)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)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(guò)多的激勵(lì)。




來(lái)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.