摘要

對于大多數(shù)汽車制造商來說，空氣動力噪聲正在成為高速公路速度下的主要高頻噪聲源。氣動聲學相關問題的設計優(yōu)化和早期檢測仍然主要是一門實驗藝術，這意味著高成本的原型、昂貴的風洞實驗，以及潛在的后期設計變更。為了減少相關成本和開發(fā)時間，開發(fā)可靠的數(shù)值預測能力具有強大的動力。本文的目的是提出一種計算方法，用于預測溫室風噪聲對車輛乘客所聽到的車內(nèi)噪聲的貢獻。該方法基于將用于風噪聲激勵的非定常計算流體動力學（CFD）求解器與用于結(jié)構(gòu)聲學行為的統(tǒng)計能量分析（SEA）求解器耦合?；静呗允菍⒚姘迳螩FD產(chǎn)生的時域壓力信號轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)功率輸入，然后將其用作SEA模型的輸入，從而產(chǎn)生機艙內(nèi)的噪聲。這種方法量化了來自車內(nèi)不同位置（駕駛員和乘客頂部）的不同面板（例如側(cè)窗、擋風玻璃）的風噪聲貢獻。本文介紹了該方法的關鍵技術和數(shù)值方面，并將實際汽車情況下的車內(nèi)噪聲預測與實驗測量結(jié)果進行了比較。作為使用實例，本文介紹了一項汽車外形設計研究和一項聲學組件優(yōu)化研究。

介紹

統(tǒng)計能量分析（SEA）是一種成熟的技術，通常用于汽車行業(yè)的車輛開發(fā)過程中，以提供設計建議。SEA在弱路徑分析、目標設定、概念評估甚至設計敏感性分析的早期階段最具體地實現(xiàn)，并且可以輕松地與其他模擬工具或測量程序相結(jié)合。早期文獻表明，目標設定和概念評估都需要對總成組進行貢獻分析，將其定義為直接影響車廂聲學的主要車身部件，考慮到所有激勵類型。這種貢獻分析首先需要建立一個通用的結(jié)構(gòu)聲學模型，其次是定義和識別每個組件組的臨界激勵，第三是涉及半實驗或模擬程序的激勵特征，作為結(jié)構(gòu)聲學模型的輸入。通用是指在這種情況下，模型參數(shù)被定義為變量，可以與設計變更一起修改。

車輛溫室自然與風噪聲有關，是涉及各種激勵的重要組件示例。車門、車頂、擋風玻璃、后窗和側(cè)窗是通常定義的裝配組，即使可以對該細分進行細化，以更好地處理特定的系統(tǒng)分析。對于目標設定，溫室組件組與其臨界激勵相關：車門、車頂、擋風玻璃、后窗和側(cè)窗的交通噪音；側(cè)窗和車門的輪胎噪音；擋風玻璃發(fā)動機噪音

；后窗排氣噪聲；側(cè)窗的風噪，以及擋風玻璃、車頂和全景天窗的風噪（較?。?/span>

然后，為了考慮艙內(nèi)風噪聲的影響，并設置與之相關的適當裝配組目標，需要建立帶側(cè)窗的車內(nèi)聲學模型。此外，根據(jù)經(jīng)驗，側(cè)窗對座艙聲學的影響在500 Hz以下很小，并且考慮到這與玻璃結(jié)構(gòu)的中頻相對應，因此使用SEA建模是合理的。一個重要的問題仍然存在于風噪聲源本身的特性描述中，這需要空氣聲學領域的特定專業(yè)知識和工具。

氣動聲學團隊原則上與NVH團隊合作，有時作為同一組織的一部分。他們負責新車外部幾何設計或部件建議。在早期設計階段，必須進行不同的重要評估，以正確設置問題。由于沒有任何CFD工具來模擬形狀變化對風噪聲的影響，這些活動主要局限于為一組風噪聲激勵定義的一般座艙聲學目標的測量，在現(xiàn)有或競爭對手的車輛上以及原型上進行。當出現(xiàn)問題時，將對經(jīng)過設計修改的車輛進行額外測量，并根據(jù)工程師的經(jīng)驗進行選擇性更改。由于試驗車輛和新設計之間的形狀差異，很少調(diào)查外部形狀的變化。CFD的使用允許在早期階段進行設計修改評估和概念比較，從而更好地規(guī)劃風洞測量和汽車項目信息流。理想情況下，人們會優(yōu)化外部形狀，以降低風噪聲源水平和空氣動力阻力，然后調(diào)整溫室面板和內(nèi)部聲音包，以滿足風噪聲內(nèi)部目標。

如果沒有CFD和聲學/SEA解算器的精確耦合，客艙內(nèi)部的貢獻分析仍然是一項非常困難的任務。氣動聲學組件目標很難與NVH部門為特定車輛定義的座艙噪聲目標保持一致。這是由于正確評估車廂外部設計變化影響的能力有限，因為不同車身部件的影響尚未確定。預計夾層玻璃等結(jié)構(gòu)變化不會對氣動聲學激勵產(chǎn)生影響，但會對座艙聲學產(chǎn)生重大影響。相反，A柱上的小型外部特征線對氣動聲學激勵非常重要，但對內(nèi)部聲學可忽略不計。在工業(yè)環(huán)境中，耦合CFD和SEA的方法對于在氣動聲學團隊中實現(xiàn)適當?shù)哪繕嗽O定具有更高的重要性。之前的風噪聲模擬研究使用SEA模型測量的外部源水平，以及SEA模型的時間平均CFD。Bremner和Zhu在2003年發(fā)表的一篇評論文章中討論了之前的工作，并強調(diào)了主要問題： 湍流激勵和面板振動/聲學之間的長度尺度（波數(shù)譜）差異很大、湍流激勵與SEA飛行器模型之間的功率接口、對時間精確的CFD壓力模擬的信心。

測量外部湍流壓力的另一個限制是，較小的長度尺度會導致自動功率譜中存在非常強的空間梯度?？磥?，可用于測量湍流壓力的傳感器數(shù)量有限，可能很容易錯過響應增強的區(qū)域。報告了一個最近的例子，即車輛車底流的高分辨率測量關聯(lián)與流體壓力譜的CFD模擬。先前對側(cè)窗上外部壓力波動的時間精確CFD驗證表明，現(xiàn)在可以估計車輛形狀對風噪聲源的影響。有待證明的是，CFD壁面壓力波動可以成功地耦合到車輛噪聲模型，以分析預測風引起內(nèi)部噪聲。

本文討論了一種新的數(shù)值工具，將CFD和SEA模型耦合起來，以提供由風引起的內(nèi)部噪聲的完整分析模擬。本文的目的是提出一種適用于SEA氣動聲學開發(fā)項目的建模方法。在下一節(jié)中，將討論SEA激勵源的建模。接下來，將通過比較各種邊界條件下的SEA模態(tài)密度和有限元分析（FEA）確定性結(jié)果，證明在風噪聲頻率下使用SEA進行側(cè)窗響應是合理的。并將介紹生產(chǎn)車輛的內(nèi)部預測和座艙SPL測量之間的比較。最后，將顯示幾項車輛設計變更的趨勢預測。

模型描述和風噪聲輸入

湍流對振動結(jié)構(gòu)的激勵由湍流壁面壓力脈動描述，該脈動被視為一個隨機過程，取決于時間和空間變量。通常假設結(jié)構(gòu)振動對氣流的影響可以忽略不計，風湍流只會在側(cè)窗上提供隨機分布力的激勵。然而，即使作用在剛性結(jié)構(gòu)上的湍流漩渦也會產(chǎn)生聲場。聲場聲傳輸對內(nèi)部的貢獻對于考慮聲/結(jié)構(gòu)重合頻率附近的特別重要，其中彎曲波數(shù)與聲波數(shù)匹配。即使湍流壁面壓力波動超過聲壓25-35分貝，外部聲學的貢獻似乎是顯著的。這種明顯的悖論是由結(jié)構(gòu)抵抗短波（高波數(shù)）湍流壓力激發(fā)的極高（剛度）阻抗引起的。湍流場輻射的長波聲場與側(cè)窗玻璃上的彎曲波長耦合得更強烈。

本研究的目的是提出一種有效的結(jié)構(gòu)聲學模型，該模型包含最基本的子系統(tǒng)，以提供溫室風噪聲激勵的真實機艙預測。SEA模型本身由不同的座艙子腔和玻璃面板子系統(tǒng)組成，其他裝配組面板的貢獻被忽略。應用的新功能是使用時間精確的CFD來表示車輛形狀對壁壓波動的影響。

從表面壓力場施加到面板上的輸入功率（在給定頻帶內(nèi)）的一般表達式可以寫成：

其中，積分占據(jù)面板表面區(qū)域。通過擴展速度響應V，輸入功率可以用空間二重積分中的壓力交叉功率譜和轉(zhuǎn)移遷移率表示：

對于空氣中的車輛結(jié)構(gòu)，這兩個參數(shù)基本上是獨立的，因為交叉功率譜來自流體動力學，而傳遞導納是一個結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以在真空中確定。方程式（2）的完整數(shù)值計算非常難以直接執(zhí)行。因此，在當前過程中，采用模型形式進行簡化，以自動功率譜和流向和展向流動方向的相干衰減率來表示壓力交叉譜。在結(jié)構(gòu)的類似近似水平下，轉(zhuǎn)移遷移率的一般表達式被簡化為無限長板的表達式。為了便于以后進行結(jié)構(gòu)修改，輸入功率隨后轉(zhuǎn)化為側(cè)窗上的等效點力激勵：

輸入功率表示成電導（點遷移率的真實部分)和結(jié)構(gòu)輸入功率的時間均方等效點力。電導可以表示為面板面積、面板模態(tài)密度和面板表面密度有關函數(shù)。

聲場也必須被視為SEA模型的激勵。在一般情況下，對于直接耦合和間接耦合，由純聲場激勵產(chǎn)生的輸入功率可以表示為：

對于低馬赫數(shù)(Ma<0.3)，可以通過從壁壓波動（WPF）導出聲場來進行一次近似。對流壓力和聲壓之間的比率是根據(jù)“湍流層荷載”和“聲近場”之間的標度面積來解釋的，后者被視為代表空氣傳播路徑。輸入功率計算在所謂的風噪聲輸入模塊中進行（圖1）。

圖1 將CFD壁面壓力波動（WPF）耦合到SEA的概念圖

為了演示車輛側(cè)玻璃上的壓力交叉譜的計算，首先考慮CFD模型中，表面壓力被捕獲為每個表面單元的時間序列數(shù)據(jù)。由于給定模型中可能有數(shù)十萬個這樣的“曲面”，因此完整形式的交叉壓力譜可以被想象為一個具有真實自功率對角線和厄米對稱非對角結(jié)構(gòu)（厄米表示復雜共軛轉(zhuǎn)置）的方陣。圖2顯示了2000 Hz左右窄頻帶的計算表面自功率（Sxy矩陣的對角線）的表示。

圖2 左側(cè)玻璃自動電源為2000 Hz窄帶，鏡面呈現(xiàn)透明，藍色到紅色輪廓范圍為20 dB，十字位于最高壓力波動處

在這種情況下，左側(cè)玻璃測量區(qū)域被裁剪為僅靠近側(cè)視鏡的區(qū)域。劇烈壓力波動區(qū)域（紅色）是從左側(cè)后視鏡三角窗面板分離出的氣流的再附著線，就在玻璃前面?？梢暬o定一對點的壓力交叉譜的一種方法是考慮其平方大小，由兩點的自動功率歸一化。這被稱為相干光譜。通過在自動功率最高的曲面上固定一個參考點，可以在類似于圖2的彩色地圖中顯示與所有其他曲面的一致性。圖3所示的相干圖表示交叉譜矩陣的單個行或列的幅度歸一化。

通過考慮更長的時間平均或更寬的頻帶，遠離紅點的中等（淺藍色）相干區(qū)域趨向于向零減小。相干衰減模型考慮了紅點周圍的區(qū)域，作為一種簡化全壓互譜矩陣的方法。參考曲面位于高相干性實心紅點的中間。

圖3 最高自動功率點的相干圖，18 Hz帶寬約2000 Hz

邊界條件和模態(tài)密度的作用

從關系式（4）和（5）可以看出，對于結(jié)構(gòu)和聲學輸入功率，模態(tài)密度都是一個明確的線性因子。通過對艙室傳遞函數(shù)的簡單分析可以看出，如果忽略聲學間接耦合的貢獻，模態(tài)能量與側(cè)窗模態(tài)密度成正比。此外，在低頻和中頻范圍內(nèi)，該參數(shù)對邊界條件明顯敏感。側(cè)玻璃的邊界條件很難在實驗上以一定的精度知道。重要的是考慮不同的邊界條件來驗證SEA的使用，并使模型在中頻范圍內(nèi)具有更好的精度。

考慮一種具有以下特征的通用側(cè)玻璃：密度2300 千克每立方米、楊氏模量62000000千帕、 泊松比0.24、 模型厚度4毫米、面積0.35平方米。有限元分析提供了以下特征頻率。通過模式計數(shù)，可以很容易地確定模式密度?，F(xiàn)在，SEA中常用的模態(tài)密度可以寫為：

該表達式通常用于SEA理論中的板子系統(tǒng)，并應提供中高頻范圍內(nèi)的真實模態(tài)密度值。需要注意的是，對于薄平板，理論模態(tài)密度與頻率無關。在當前情況下，模態(tài)密度為0.0283每赫茲。然后，在帶寬為100 Hz的頻率范圍內(nèi)，最多可能找到3種模式。

圖4 通用側(cè)窗模型的模態(tài)密度

圖4顯示了側(cè)窗系統(tǒng)的模態(tài)密度，與理論公式（6）相比，對于夾緊和支撐邊界條件，以及側(cè)窗的一個邊緣被視為自由，而其他邊緣被視為夾緊的特定邊界條件。在500 Hz以下，SEA不太可能用于真正的預測可行性，除非實際側(cè)窗邊界條件介于自由和一側(cè)自由夾緊的FEA結(jié)果之間。理想情況下，F(xiàn)EA模態(tài)密度或電導率可用于改善低頻下的SEA結(jié)果，但本文中的結(jié)果是在不修改SEA彎曲子系統(tǒng)的情況下獲得的。

預測和測量之間的車內(nèi)噪聲比較

在BMW氣動聲學風洞中，對生產(chǎn)車輛進行了全膠帶狀態(tài)下的測量。兩個麥克風分別位于駕駛員的外耳和內(nèi)耳位置。圖5顯示了內(nèi)部麥克風的布置。此次測量的風速為140 kph，偏航角為零。為了強調(diào)側(cè)視鏡和車外后視鏡的作用，在車輛周圍的風洞地板上貼了一條裙子。這有效地消除了車底氣流，消除了這種低頻對車內(nèi)噪音的影響。在單獨的測量中，生產(chǎn)（a）鏡替換為不同的（b）鏡，允許從模擬中評估形狀設計方向。

圖5 內(nèi)耳和外耳位置有兩個內(nèi)置話筒

對于這種配置的氣動聲學模擬，車輛幾何結(jié)構(gòu)是在水密表面網(wǎng)格中準備的，緊跟著全膠帶車輛的形狀，包括車身底部裙板。CFD案例的流體網(wǎng)格尺寸和測量區(qū)域與Senthooran等人描述的風噪聲模板相似。在橫擺角為零的情況下，通過垂直/軸向中平面使用對稱平面來減小模型尺寸。對于模擬中高頻下的側(cè)玻璃壁壓力波動，這種近似方法通常是令人滿意的。入口邊界條件設置為風洞速度，出口邊界條件設置為環(huán)境靜壓。

在Exa PowerFLOW lattice Boltzmann程序中進行CFD模擬，在初始瞬態(tài)充分衰減后開始表面測量。側(cè)面玻璃表面的壓力-時間歷史數(shù)據(jù)以高采樣率實時保存約1秒。在模擬之后，對自頻譜“dB圖”（如圖2所示）和車輛聲學SEA模型的功率輸入，將表面時程分析為頻譜。在本研究中，SEA模型的頻率帶寬為1/3倍頻程。

基線1/3倍頻程內(nèi)部噪聲驗證如圖6所示。兩個內(nèi)部麥克風為紅色，模擬為黑色。兩個麥克風頻譜之間的差異很大，可能是由于源方向性和近場效應。之前的一篇文章也報道了類似的測量差異。SEA模型模擬是兩個麥克風周圍的平均能量，但還不具備任何特殊的方向性或近場建模。

在大多數(shù)頻帶上都發(fā)現(xiàn)了良好的一致性。630至800 Hz頻帶之間的差異可能是由具有邊界條件的側(cè)玻璃的模態(tài)行為引起的。符合頻率峰值正確位于3.15 kHz?？赡苡捎贑FD WPF截止、來自鏡子的聲音方向性或當前分析中未考慮的不同面板的貢獻，高頻范圍未被完美捕獲。

圖6 測量的座艙SPL與預測值比較，風速140kph，（a）2個麥克風，（b）麥克風上的平均能量

潛在分析類型示例

兩種后視鏡設計的比較

風噪聲模擬的最重要用途可能是幫助車輛外部形狀的早期設計。車外后視鏡形狀通常是車內(nèi)風噪聲的來源，因此我們想用分析工具展示良好的設計方向。鏡（a）和鏡（b）在外部壓力波動和室內(nèi)噪聲方面的差異都很小。圖7顯示了基于兩種鏡像形狀模擬的500Hz倍頻帶的WPF dB圖。

為了強調(diào)設計趨勢，通過減去生產(chǎn)（系列）后視鏡的聲壓級，對后視鏡（b）的內(nèi)部噪聲譜進行歸一化。圖8顯示了每個麥克風和預測的電平差異。

圖7 500 Hz倍頻程CFD自動頻譜，用于30 dB色階的系列后視鏡（a）和后視鏡（b）

圖8 后視鏡（a）和后視鏡（b）的SPL差異

比較兩種結(jié)構(gòu)變化：普通玻璃與層壓玻璃

側(cè)窗采用較厚的玻璃并不總是一個優(yōu)勢，因為臨界頻率被轉(zhuǎn)移到較低的頻率范圍（厚度為4.5mm時為2500 Hz，厚度為4mm時為3000Hz），如圖9所示。層壓解決方案提高了中高頻范圍，這是因為增加了阻尼，同時降低了傳輸。

圖9 不同側(cè)窗厚度和夾層玻璃的座艙SPL比較

結(jié)論

討論了一種耦合CFD和SEA的顯式方法。成功地將車輛的CFD/SEA解算器預測結(jié)果與機艙SPL的風洞測量結(jié)果進行了比較。然后，只涉及側(cè)窗的方法可以提供預測，從而提供實質(zhì)性的設計方向。這種完全分析的風噪聲過程依賴于對溫室壁壓力波動進行時間精確的CFD模擬，該波動在對風噪聲非常重要的頻率范圍內(nèi)，然后進行后處理，以計算產(chǎn)生內(nèi)部噪聲譜的車輛-SEA模型的適當激振。

這種方法是開發(fā)過程的第一步。輸入功率確定過程可能會得到改進，因為還包括其他改進： 擋風玻璃、車身底部和其他面板的貢獻； 鏡子和側(cè)玻璃輻射的聲音方向性；這引出了最后一個開發(fā)主題，涉及確定性技術的使用，以及SEA和CFD方法。

該工具的一個潛在用途是支持目標設定和部分貢獻分析，并進行參數(shù)設計，以確定每個頻率范圍的基本參數(shù)。

文章來源：

Moron, P., Powell, R., Freed, D., Perot, F. et al., "A CFD/SEA Approach for Prediction of Vehicle Interior Noise due to Wind Noise," SAE Technical Paper 2009-01-2203, 2009, https://doi.org/10.4271/2009-01-2203.

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