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轎車(chē)外部流場(chǎng)對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的預(yù)測(cè)

2021-10-08 19:58:20·  來(lái)源：AutoAero  
　
摘要與外部流動(dòng)有關(guān)的內(nèi)部噪聲的氣動(dòng)-振動(dòng)-聲學(xué)預(yù)測(cè)要求準(zhǔn)確預(yù)測(cè)車(chē)輛外部表面的波動(dòng)壓力和這些表面壓力向車(chē)輛內(nèi)部的振動(dòng)-聲學(xué)傳播的有效模型。本文使用的模擬策
摘要
與外部流動(dòng)有關(guān)的內(nèi)部噪聲的氣動(dòng)-振動(dòng)-聲學(xué)預(yù)測(cè)要求準(zhǔn)確預(yù)測(cè)車(chē)輛外部表面的波動(dòng)壓力和這些表面壓力向車(chē)輛內(nèi)部的振動(dòng)-聲學(xué)傳播的有效模型。本文使用的模擬策略結(jié)合了 CFD 和振動(dòng)聲學(xué)方法?；诟郊勇暡ǚ匠痰牟豢蓧嚎s非定常流場(chǎng)，采用混合CAA方法計(jì)算了一個(gè)精確的激勵(lì)場(chǎng)(同時(shí)考慮了水動(dòng)壓和聲壓的波動(dòng))。為了獲得駕駛員耳朵的內(nèi)部噪聲水平，使用振動(dòng)聲學(xué)模型來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)和內(nèi)部空腔的響應(yīng)。對(duì)梅賽德斯-奔馳s級(jí)轎車(chē)進(jìn)行了氣動(dòng)振動(dòng)聲學(xué)仿真，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。
 
1 引言
由于道路和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的顯著降低，風(fēng)噪聲對(duì)汽車(chē)發(fā)展變得越來(lái)越重要。對(duì)于許多車(chē)輛來(lái)說(shuō)，風(fēng)噪聲是高速行駛時(shí)車(chē)內(nèi)噪聲的主要來(lái)源。車(chē)輛外部形狀的微小變化有時(shí)會(huì)導(dǎo)致車(chē)內(nèi)風(fēng)噪音水平的顯著差異。對(duì)于外部空氣動(dòng)力學(xué)，外部形狀變化的影響原則上可以在風(fēng)洞試驗(yàn)中使用油泥模型進(jìn)行評(píng)估。然而，這樣的模型不能用于評(píng)估室內(nèi)噪聲。此外，由于成本降低和開(kāi)發(fā)周期縮短，在需要對(duì)車(chē)輛形狀做出設(shè)計(jì)決策時(shí)，通常無(wú)法使用油泥模型。為了預(yù)測(cè)早期開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)對(duì)車(chē)輛形狀的改變對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響，有必要驗(yàn)證模擬方法。在某些情況下，可以通過(guò)僅考慮流動(dòng)中的外部源來(lái)調(diào)查設(shè)計(jì)變更的影響。然而在大多數(shù)問(wèn)題中，為了評(píng)估不同的設(shè)計(jì)變化，還需要計(jì)算駕駛員耳朵內(nèi)部的聲響應(yīng)。
車(chē)內(nèi)風(fēng)噪聲的數(shù)值模型需要兩個(gè)主要因素: (a)對(duì)車(chē)外激勵(lì)場(chǎng)的準(zhǔn)確描述; (b)從車(chē)外到駕駛員耳朵的主要傳動(dòng)路徑的振動(dòng)聲學(xué)模型。感興趣的頻率范圍和使用的振動(dòng)聲學(xué)分析方法因感興趣的區(qū)域和來(lái)源而異。例如，通過(guò)側(cè)面玻璃傳遞的噪聲通常是1-5kHz內(nèi)風(fēng)噪聲的主要貢獻(xiàn)者。一個(gè)典型的側(cè)玻璃只有幾百個(gè)低于5kHz的結(jié)構(gòu)模式，因此使用有限元（FE）進(jìn)行了很好的描述。流體對(duì)側(cè)面玻璃的激發(fā)通常在空間上是不均勻的，側(cè)面玻璃表現(xiàn)出的透射特性取決于個(gè)別結(jié)構(gòu)模式的細(xì)節(jié)。由于該方法固有的詳細(xì)模態(tài)特性的平均值，因此難以使用統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）來(lái)描述此類(lèi)傳輸特性。然而，在感興趣的頻率范圍內(nèi)，車(chē)輛的內(nèi)腔和聲學(xué)包通常表現(xiàn)出短波長(zhǎng)行為，即難以使用確定性方法（如FE）有效描述。因此，SEA更適合描述內(nèi)腔的短波混響響應(yīng)。因此，在當(dāng)前方法中，針對(duì)不同的物理區(qū)域使用不同的振動(dòng)聲學(xué)方法。
準(zhǔn)確預(yù)測(cè)脈動(dòng)表面壓力還需要準(zhǔn)確的車(chē)輛外部流動(dòng)模型。脈動(dòng)表面壓力通常由對(duì)流波數(shù)和聲波波數(shù)的不同能量集中組成，可通過(guò)波數(shù)頻譜分析。對(duì)于側(cè)面玻璃噪聲，盡管聲波數(shù)遠(yuǎn)低于對(duì)流波數(shù)，但聲波數(shù)通常是造成室內(nèi)噪聲的主要因素。為了避免與直接噪音計(jì)算有關(guān)的困難(例如尺度差異、擾動(dòng)和邊界條件下的聲反射和網(wǎng)格轉(zhuǎn)換、聲學(xué)近場(chǎng)內(nèi)容的流體力學(xué)掩蔽) ，有必要用聲學(xué)類(lèi)比分別描述對(duì)流和聲學(xué)表面壓力的貢獻(xiàn)。由于這種分離，不考慮聲學(xué)與流場(chǎng)的后向耦合，這可能是捕捉共振抖振現(xiàn)象所必需的，但對(duì)于側(cè)鏡噪聲來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)。隨著計(jì)算資源的增加，除了原始的積分方法外，還可以使用各種數(shù)值方法（如FE、有限體積（FV）、有限差分（FD）或間斷伽遼金（DG）技術(shù)）來(lái)實(shí)現(xiàn)這種混合計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)（CAA）策略。無(wú)論采用何種數(shù)值離散方法，混合型CAA 的最重要要求是能夠提供一個(gè)自包含的聲學(xué)解來(lái)描述車(chē)輛外部的聲學(xué)近場(chǎng)。
本文描述了應(yīng)用于側(cè)窗噪聲的全氣動(dòng)-振動(dòng)-聲學(xué)模擬過(guò)程(因?yàn)檫@是中高頻風(fēng)噪聲最重要的傳播途徑之一)。
首先，對(duì)混合 CAA和振動(dòng)聲學(xué)分析方法進(jìn)行了更詳細(xì)的討論。第二部分介紹了梅賽德斯-奔馳s級(jí)轎車(chē)的實(shí)驗(yàn)裝置以及氣動(dòng)聲學(xué)和振動(dòng)聲學(xué)模型。最后討論了仿真策略的結(jié)果，包括側(cè)面鏡尾跡三維流場(chǎng)和a柱渦的驗(yàn)證。研究結(jié)果揭示了外部聲場(chǎng)和側(cè)窗激勵(lì)聲波的起源。通過(guò)將預(yù)測(cè)的車(chē)內(nèi)噪聲級(jí)與風(fēng)洞測(cè)量得到的噪聲級(jí)進(jìn)行比較，對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
2 方法
2.1 雜交CAA
本文采用的混合計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)計(jì)算方法是基于不可壓縮的分離渦模擬(DES)，即求解的非定常壓力波動(dòng)不包含聲學(xué)信息。通過(guò)使用DES，結(jié)合了大渦模擬(LES)和非定常雷諾平均 NavierStokes 模擬(URANS)的優(yōu)點(diǎn)。在需要高分辨率網(wǎng)格的LES區(qū)域內(nèi)，湍流流動(dòng)結(jié)構(gòu)和聲源機(jī)制可以被精確捕獲。不穩(wěn)定的RANS部分減少了計(jì)算工作量，并能夠用于更大的工業(yè)應(yīng)用。
為了設(shè)計(jì)一個(gè)合適的聲學(xué)近場(chǎng)類(lèi)比，人們必須遵循Lighthill的原始想法來(lái)計(jì)算等效噪聲源，這些噪聲源隨后可用于波動(dòng)方程:
（1）
不幸的是，只要存在聲源項(xiàng)，Lighthill方程求解的是聲近場(chǎng)中的總壓而不是聲壓。但由于鏡面尾流和A柱渦，在側(cè)玻璃附近肯定存在強(qiáng)源項(xiàng)。為了消除水動(dòng)壓力波動(dòng)，水動(dòng)壓力波動(dòng)會(huì)掩蓋和扭曲聲學(xué)近場(chǎng)內(nèi)容，最近的方法使用將變量拆分為水動(dòng)壓/聲學(xué)和熱力學(xué)部分。
同樣，壓力脈動(dòng)p’可以分為流體動(dòng)力學(xué)脈動(dòng)和聲學(xué)脈動(dòng)。應(yīng)用萊特希爾方程，可以形成聲壓的波動(dòng)方程：
 
（2）
由于滿(mǎn)足不可壓縮壓力的泊松方程，右側(cè)的源項(xiàng)減小為不可壓縮壓力波動(dòng)的二次導(dǎo)數(shù)。
這個(gè)波動(dòng)方程是在STAR CCM+軟件包中實(shí)現(xiàn)的，可以在不可壓縮的CFD旁邊在時(shí)域內(nèi)實(shí)時(shí)執(zhí)行。為了限制數(shù)據(jù)傳輸和避免映射的影響，在同一網(wǎng)格上計(jì)算了不可壓縮流、聲源項(xiàng)和外部聲傳播。這種策略的主要優(yōu)點(diǎn)是，由于分別獲得了流體力學(xué)和聲學(xué)解，因此對(duì)結(jié)果的解釋要容易得多。
2.2 振動(dòng)聲學(xué)
分析中采用的振動(dòng)聲學(xué)模型包括有限元側(cè)面玻璃和QUAD8殼單元網(wǎng)格，以及一系列SEA聲腔，用于模擬汽車(chē)內(nèi)部的聲學(xué)空間。模型的建立和計(jì)算是用商業(yè)振動(dòng)聲學(xué)軟件wave6完成的。為了獲得振動(dòng)聲學(xué)模擬的參數(shù)，進(jìn)行了各種測(cè)量并進(jìn)行了后處理。目前研究中分析的車(chē)輛具有鋼化側(cè)面玻璃，因此將均勻厚度的物理性能應(yīng)用于側(cè)面玻璃的元素。側(cè)面玻璃的阻尼通過(guò)在原位玻璃上進(jìn)行的后處理遷移率測(cè)量來(lái)獲得。然后在模型中使用頻率依賴(lài)的玻璃阻尼。
原則上，內(nèi)腔吸收可以通過(guò)包含有關(guān)汽車(chē)聲學(xué)包的信息來(lái)預(yù)測(cè)。然而，在目前的分析中，腔吸收是通過(guò)在車(chē)內(nèi)進(jìn)行各種T60測(cè)試得到的。然后將頻率依賴(lài)性吸收光譜應(yīng)用于各種SEA腔。
從混合CAA分析獲得的波動(dòng)表面壓力進(jìn)行后處理并轉(zhuǎn)換為振動(dòng)聲學(xué)軟件內(nèi)的頻域。應(yīng)該注意的是，本文所描述的分析過(guò)程并不需要任何半經(jīng)驗(yàn)荷載擬合到脈動(dòng)表面壓力數(shù)據(jù)，而是保留了荷載的詳細(xì)空間描述。發(fā)現(xiàn)在不同空間區(qū)域均勻化的半經(jīng)驗(yàn)荷載的使用不足以準(zhǔn)確地描述與典型設(shè)計(jì)變化相關(guān)的內(nèi)部噪聲變化。
3 模型設(shè)置
3.1 實(shí)驗(yàn)
在斯圖加特大學(xué)FKFS氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。所有非定常流動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和內(nèi)部噪聲的測(cè)量都是指U0=140kph的自由流速度和30s的信號(hào)長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。
 
 
圖1 梅賽德斯-奔馳S級(jí)車(chē)，車(chē)底氣流受阻，駕駛員耳朵處的車(chē)內(nèi)噪音測(cè)量
由于本文中的模擬策略集中于通過(guò)側(cè)玻璃傳輸?shù)膫?cè)鏡噪聲，因此必須確保在實(shí)驗(yàn)中消除所有其他到車(chē)內(nèi)的傳輸路徑。
對(duì)于當(dāng)前車(chē)輛，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛中其他玻璃面板的貢獻(xiàn)對(duì)駕駛員耳朵位置的影響較?。ㄌ貏e是當(dāng)使用自由場(chǎng)話(huà)筒而不是人工頭時(shí)）。為了減少來(lái)自車(chē)底聲源的低頻/中頻貢獻(xiàn)，木制裙板可阻斷整個(gè)車(chē)底氣流，從而避免噪聲源的產(chǎn)生和傳播。此外，所有相關(guān)的間隙和密封都用膠帶固定，并消除了冷卻氣流。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試考慮了兩種不同的側(cè)窗面板:
1. 一塊堅(jiān)硬的鋁板，配有8個(gè)平齊安裝的表面麥克風(fēng)，以捕捉a柱渦旋的流動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和側(cè)窗上的鏡面尾跡。
2. 用于室內(nèi)噪音測(cè)量的4.85 mm鋼化側(cè)玻璃(ESG)。
3.2 氣動(dòng)聲學(xué)模型
圖2給出了s級(jí)CFD/CAA模型，并建立了與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨频年P(guān)于無(wú)冷卻空氣和下體流動(dòng)的模型。由于不可壓縮CFD以及聲源項(xiàng)計(jì)算和聲傳播都使用相同的網(wǎng)格，因此該模型必須考慮所有方面: 特別是在感興趣區(qū)域的流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的適當(dāng)解以及足夠小的耗散聲傳輸?shù)目赡苄浴?/div>
計(jì)算領(lǐng)域擴(kuò)展到55米長(zhǎng)，30米寬和30.36米高。由于氣動(dòng)聲學(xué)結(jié)果集中在側(cè)玻璃附近，因此僅進(jìn)行了半個(gè)模型以減少網(wǎng)格總數(shù)。混合方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在相同的邊界上定義了不同的邊界條件。雖然求解半模型的流場(chǎng)必須具有對(duì)稱(chēng)邊界條件，但對(duì)聲波方程可以獨(dú)立地應(yīng)用無(wú)反射邊界條件。
 
 
圖2 梅賽德斯-奔馳S級(jí)車(chē)車(chē)底流阻塞的混合CAA模型
大多數(shù)單元計(jì)數(shù)應(yīng)用于圖2中標(biāo)記為藍(lán)色和灰色的高分辨率側(cè)窗區(qū)域，以便捕獲高頻的聲噪聲源。
為了將聲源項(xiàng)的計(jì)算限制在高分辨率區(qū)域，并避免在網(wǎng)格界面上出現(xiàn)可能出現(xiàn)的虛假聲源，在感興趣的區(qū)域應(yīng)用了噪聲源加權(quán)函數(shù)(圖3)。
 
 
圖3 噪聲源加權(quán)函數(shù)（z=0.7m）
最后，CAA模型必須允許自由場(chǎng)聲輻射。除了反射的車(chē)身和風(fēng)洞地面，所有的邊界都是不反射的?；诟信d趣區(qū)域的精細(xì)網(wǎng)格分辨率，每個(gè)波長(zhǎng)存在足夠數(shù)量的單元來(lái)準(zhǔn)確描述聲音傳播。更重要的是在遠(yuǎn)場(chǎng)存在大的網(wǎng)格接口。為了避免這些界面上的聲反射，在聲波分辨率變得過(guò)于粗糙之前，在感興趣的區(qū)域附近增加一個(gè)聲學(xué)阻尼。
3.3 振動(dòng)聲學(xué)模型
當(dāng)前研究中使用的振動(dòng)聲學(xué)模型如圖4所示(圖中各個(gè)組件已經(jīng)縮小，以幫助可視化它們的連通性)。側(cè)面玻璃的表面被劃分為與內(nèi)部和外部聲學(xué)空間接觸的濕潤(rùn)區(qū)域，以及延伸到車(chē)門(mén)的未濕潤(rùn)區(qū)域。內(nèi)部空氣體積被分成18個(gè)SEA空腔來(lái)代表不同的艙室部分。
 
 
圖4 梅賽德斯-奔馳S級(jí)轎車(chē)的振動(dòng)聲學(xué)模型
4 結(jié)果
在混合CAA方法中，利用流體力學(xué)流場(chǎng)產(chǎn)生聲源。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水動(dòng)力流場(chǎng)是非常重要的。在隨后的章節(jié)中，將水動(dòng)力流場(chǎng)的精度與測(cè)量值進(jìn)行比較。原則上，近場(chǎng)聲學(xué)也可以通過(guò)與試驗(yàn)的比較得到驗(yàn)證。然而，近場(chǎng)聲學(xué)通常在水動(dòng)力壓力下“隱藏”，并且由于其數(shù)量級(jí)較低，因此難以分別量化和診斷局部聲學(xué)內(nèi)容和噪聲源。
一種方法是通過(guò)進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè)(例如利用麥克風(fēng)陣列和波束形成算法試圖確定源位置)來(lái)過(guò)濾測(cè)試中的動(dòng)水壓力波動(dòng)。在某些情況下，人們還可以試圖通過(guò)使用大量的表面?zhèn)髀暺鬟M(jìn)行基于測(cè)試的表面壓力測(cè)量，并將壓力分解為其波數(shù)-頻率譜來(lái)識(shí)別聲學(xué)近場(chǎng)。這種方法的一個(gè)困難是，側(cè)玻璃上的聲學(xué)含量通常會(huì)發(fā)生顯著變化（在某些情況下，變化超過(guò)5dB），因此，這種測(cè)試的結(jié)果可能對(duì)玻璃的哪個(gè)區(qū)域用于測(cè)量和波數(shù)分解非常敏感。最后，它也可以通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)部噪聲間接驗(yàn)證聲學(xué)解決方案(因?yàn)閭?cè)面玻璃作為一個(gè)空間濾波器，優(yōu)先傳輸外部聲學(xué))。在目前的研究中，近場(chǎng)聲學(xué)的準(zhǔn)確性被驗(yàn)證使用后一種方法。
4.1 外部流體力學(xué)
圖5和圖6繪制了兩個(gè)壓力探針與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。側(cè)窗上計(jì)算的流動(dòng)拓?fù)淝宄仫@示了A柱渦和鏡面尾流的范圍。如圖所示，每個(gè)流動(dòng)區(qū)域中的探頭與測(cè)得的壓力譜非常一致，至少達(dá)到6-7kHz。為了估計(jì)模擬信號(hào)長(zhǎng)度的影響，以與灰色公差帶相同的方式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行額外評(píng)估。
 
 
圖5 側(cè)窗上的壓力波動(dòng)(a 柱渦)
 
 
圖6 側(cè)窗上的壓力波動(dòng)(鏡面尾跡)
盡管模擬的壓力譜與測(cè)量值相匹配，但考慮到壓力探頭的物理尺寸，預(yù)計(jì)在模擬中高頻壓力波動(dòng)會(huì)進(jìn)一步減小。事實(shí)上，由于其短波長(zhǎng)內(nèi)容，較高頻率的對(duì)流波數(shù)由實(shí)驗(yàn)話(huà)筒膜（ø=10 mm）過(guò)濾。與更精細(xì)表面網(wǎng)格的一個(gè)單元中的模擬結(jié)果相比，在數(shù)值研究中不考慮這種“自然平均”效應(yīng)。
圖7中顯示了穿過(guò)鏡面尾流的水平切口。除了功率譜密度的下游衰減外，還可以清楚地看到主要的網(wǎng)格粗化步驟，該步驟在所示的3 kHz第三倍頻程頻帶內(nèi)導(dǎo)致額外的壓力波動(dòng)。通過(guò)在高分辨率區(qū)域內(nèi)應(yīng)用噪聲源加權(quán)函數(shù)，這些人工壓力擾動(dòng)不會(huì)影響聲學(xué)解。精確過(guò)濾CFD模型中未充分解析的空間區(qū)域產(chǎn)生的源的能力是混合方法的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。
 
 
圖7 3kHz第三倍頻壓力譜[PSD](z = 0.7 m)
總之，流體力學(xué)的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較好，為進(jìn)一步的聲學(xué)研究提供了一個(gè)良好的起點(diǎn)。
4.2 外部聲學(xué)
在目前的研究中，沒(méi)有將模擬的聲學(xué)近場(chǎng)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行直接比較（因?yàn)榛跍y(cè)試的近場(chǎng)聲學(xué)估計(jì)的復(fù)雜性和費(fèi)用）。在本節(jié)中，各種信號(hào)處理方法用于深入了解混合聲學(xué)解決方案領(lǐng)域。對(duì)流和聲學(xué)現(xiàn)象具有非常不同的傳播速度，這導(dǎo)致兩種現(xiàn)象的空間波數(shù)含量非常不同。因此，可以通過(guò)考慮波數(shù)頻譜來(lái)診斷各種表面的表面壓力。與實(shí)驗(yàn)研究相比，數(shù)字壓力探頭的數(shù)量和位置幾乎沒(méi)有限制。隨后的結(jié)果在側(cè)窗的0.52m×0.24m x-z矩形截面上進(jìn)行評(píng)估。
圖8顯示了頻率為1.5kHz的非定常CFD解的波數(shù)譜。由于它是一個(gè)不可壓縮的解決方案，推薦用于應(yīng)用聲學(xué)類(lèi)比，它不包含低波數(shù)(聲學(xué))含量。圖8的右側(cè)圖片突出顯示了這一點(diǎn)，該圖片是左側(cè)表示聲學(xué)波數(shù)的小圓的縮放視圖。大圓圈用對(duì)流速度標(biāo)記波數(shù)，對(duì)流速度是自由流速度的75%。波數(shù)譜的形狀與沿x方向?qū)α鞯腃hase或Corcos波數(shù)譜的形狀相似。
 
 
圖8 不可壓縮DES的波數(shù)譜（1.5 kHz）
如果我們以相同的方式分析聲壓場(chǎng)，就會(huì)得到如圖9所示的結(jié)果。有兩個(gè)聲波在側(cè)窗上傳播，其中下游峰值被認(rèn)為是鏡面噪聲。與其他聲學(xué)類(lèi)比(例如Lighthill)相反，聲學(xué)解決方案中不存在對(duì)流波數(shù)。這使得能夠獨(dú)立分析聲學(xué)和水動(dòng)力學(xué)壓力場(chǎng)及其在內(nèi)部的分布，這在風(fēng)洞測(cè)量或可壓縮CFD模擬中是不可能的。
如果仔細(xì)觀察圖9中的鏡面噪聲，就會(huì)發(fā)現(xiàn)聲學(xué)信息并不完全與聲學(xué)圓周一致。此外，較細(xì)的左移圓表示對(duì)流聲傳輸下的聲波數(shù)目。因此，聲波方程描述了靜止介質(zhì)中的聲傳播，這意味著聲波相對(duì)于側(cè)窗有一個(gè)特定的入射波動(dòng)角度。
 
 
圖9 聲波方程的波數(shù)譜(1.5 kHz)
圖10中3.5kHz處可見(jiàn)具有兩個(gè)聲學(xué)分量的水動(dòng)力（左）和聲學(xué)（右）波數(shù)譜的相同圖片。由于在較高頻率下具有更好的低波數(shù)分辨率，因此可以看到反射鏡位于側(cè)窗上的后處理區(qū)域下方一點(diǎn)，該側(cè)窗由波數(shù)變換中反射鏡噪聲的KZ波數(shù)部分看到。
 
 
圖10 水動(dòng)力學(xué)(左)和聲學(xué)(右)波數(shù)譜(3.5 kHz)
為了感受聲學(xué)和水動(dòng)力學(xué)能量含量的巨大差異，圖11顯示了二者的綜合波數(shù)含量。在感興趣的頻率范圍內(nèi)，水動(dòng)壓場(chǎng)和聲壓場(chǎng)之間有超過(guò)30分貝的差異。
 
 
圖11 矩形側(cè)窗區(qū)域的波數(shù)積分功率譜密度
為了更好地理解和洞察，圖12和圖13在物理域中顯示了這兩個(gè)解決方案字段。圖12顯示了車(chē)輛表面和通過(guò)后視鏡的水平面上不可壓縮壓力的快照。A柱渦和鏡面尾流中對(duì)流結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)范圍限制在±100 Pa。除此之外，還可以在B柱處觀察到壓力波動(dòng)，B柱的作用類(lèi)似于前向臺(tái)階。
相反，圖13中的聲學(xué)解場(chǎng)被縮放為±0.2Pa，這意味著為了使聲學(xué)可視化，范圍縮小了500倍。由于采用3kHz帶通濾波解決方案，兩種聲源均可清晰識(shí)別。強(qiáng)反射鏡光源在整個(gè)側(cè)玻璃面板上傳播，另一個(gè)光源位于B柱上。
 
 
圖12 不可壓縮DES壓力場(chǎng)(水動(dòng)力學(xué))
通過(guò)可視化來(lái)自混合CAA的聲學(xué)解決方案，有可能獲得對(duì)源位置的重要洞察力，并確定和優(yōu)化具體的對(duì)抗措施。由于水動(dòng)力場(chǎng)的存在掩蓋了聲學(xué)響應(yīng)，使用基于測(cè)試的方法或可壓縮的CFD分析常常很難獲得這樣的見(jiàn)解。隔離分析聲源內(nèi)容提供了見(jiàn)解，但通常不足以確定設(shè)計(jì)變化將如何影響內(nèi)部噪聲水平。
 
 
圖13 聲波方程的3kHz帶通濾波壓力場(chǎng)（聲學(xué)）
4.3 車(chē)內(nèi)噪聲
非定常CAA結(jié)果可用作振動(dòng)聲學(xué)模型的載荷。在將表面壓力映射到振動(dòng)聲學(xué)模型上時(shí)需要特別注意，以避免通常使用標(biāo)準(zhǔn)映射方案獲得的不準(zhǔn)確性。在當(dāng)前的分析中，使用了保守的映射策略，以確保從精細(xì)的CAA表面網(wǎng)格到更粗糙的FE側(cè)玻璃網(wǎng)格的精確映射。
圖14描繪了駕駛員頂空腔內(nèi)部位置的內(nèi)部噪聲水平，并與風(fēng)洞測(cè)量的內(nèi)部噪聲進(jìn)行比較?；旌螩AA策略的一個(gè)非常有用的見(jiàn)解是，每個(gè)激勵(lì)場(chǎng)的貢獻(xiàn)-流體力學(xué)和聲學(xué)-可以單獨(dú)評(píng)估。
 
 
圖14 駕駛員耳旁處內(nèi)部噪聲
根據(jù)以前的研究，水動(dòng)力激發(fā)場(chǎng)對(duì)600Hz以上的內(nèi)部噪聲水平?jīng)]有實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。模擬的內(nèi)部噪聲主要由聲壓場(chǎng)控制，非常適合實(shí)驗(yàn)測(cè)量。在較低頻率時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值偏差較大，因?yàn)樵谡駝?dòng)聲學(xué)模型中不考慮門(mén)板和屋頂?shù)葌鬟f路徑，模擬信號(hào)短波長(zhǎng)(T=0.15s)的不確定度也較高。
在3kHz時(shí)，水動(dòng)力噪聲和聲學(xué)噪聲的總和與實(shí)驗(yàn)相比沒(méi)有出現(xiàn)重合峰。由于聲波方程描述的是靜止介質(zhì)中的聲傳播，所以對(duì)聲含量(紅色曲線(xiàn))采用了近似多普勒頻移來(lái)解釋流動(dòng)的對(duì)流(Ma=0.11)。聲速的這種微小變化顯著影響了結(jié)構(gòu)激發(fā)的巧合，其中玻璃窗分別對(duì)不同的入射角或波數(shù)非常敏感。在巧合之上，計(jì)算的噪聲水平下降得比測(cè)量的要快得多?？雌饋?lái)使用的時(shí)間和空間離散化不足以精確地捕獲更高的頻率。需要進(jìn)一步的收斂性研究來(lái)診斷上述巧合行為。
5 結(jié)論
本文研究了梅賽德斯-奔馳s級(jí)轎車(chē)側(cè)面玻璃傳遞的風(fēng)噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲水平的預(yù)測(cè)能力。采用了一種混合CAA方法，該方法包括一個(gè)附加聲波方程的不可壓縮分離渦模擬。這種方法提供了準(zhǔn)確的結(jié)果，可用于識(shí)別不同的聲源機(jī)制。將水動(dòng)壓和聲學(xué)載荷應(yīng)用于振動(dòng)-聲學(xué)模型，以預(yù)測(cè)駕駛員耳朵處的內(nèi)部噪聲。該模型結(jié)合使用了振動(dòng)聲學(xué)方法，以提供有效的分析，并確保準(zhǔn)確預(yù)測(cè)通過(guò)側(cè)玻璃的傳輸。提出的氣動(dòng)-振動(dòng)-聲學(xué)模擬策略提供了與測(cè)試測(cè)量值非常一致的內(nèi)部噪聲級(jí)，并深入了解了使用現(xiàn)有方法難以獲得的源貢獻(xiàn)。
對(duì)于未來(lái)的優(yōu)化，下一步必須驗(yàn)證所提出方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)變更的能力。
文獻(xiàn)來(lái)源：
Schell, A. and Cotoni, V., "Prediction of Interior Noise in a Sedan Due to Exterior Flow,"SAE Int. J. Passeng. Cars - Mech. Syst. 8(3):2015, doi:10.4271/2015-01-2331.
 
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