摘要

本研究以電動(dòng)汽車(chē)（BEV）底盤(pán)結(jié)構(gòu)中底盤(pán)風(fēng)噪聲的傳播機(jī)制為研究對(duì)象，利用耦合的氣動(dòng)、振動(dòng)和聲學(xué)分析方法進(jìn)行探索。通過(guò)建立模擬模型，并進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和振動(dòng)聲學(xué)分析，揭示了BEV底盤(pán)結(jié)構(gòu)中底盤(pán)風(fēng)噪聲的復(fù)雜傳播路徑和影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，在底盤(pán)結(jié)構(gòu)中，振動(dòng)從不同的輸入位置傳播到車(chē)廂內(nèi)，形成了復(fù)雜的聲傳播路徑，并導(dǎo)致聲壓波動(dòng)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(dòng)和聲波的相互作用使得傳播路徑更加復(fù)雜。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于改善車(chē)輛的靜音性能、優(yōu)化車(chē)內(nèi)噪聲控制和提升駕駛體驗(yàn)具有重要意義。

簡(jiǎn)介

該研究的結(jié)果有助于揭示底盤(pán)結(jié)構(gòu)中底盤(pán)風(fēng)噪聲產(chǎn)生與傳播的關(guān)鍵因素，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化車(chē)輛結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。減少底盤(pán)風(fēng)噪聲的傳播對(duì)于提高車(chē)輛的整體靜音性能尤為重要，尤其是在電動(dòng)汽車(chē)普及和自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展的背景下。在智能駕駛系統(tǒng)越來(lái)越普遍的情況下，降低風(fēng)噪可以提升駕駛員的乘車(chē)舒適度和安全感。此外，隨著電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的擴(kuò)大，低噪音的駕駛體驗(yàn)也是吸引消費(fèi)者的一個(gè)重要因素。因此，對(duì)底盤(pán)風(fēng)噪聲傳播機(jī)制的深入研究具有重要的工程應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和振動(dòng)聲學(xué)分析的方法。隨后，我們討論了CFD和振動(dòng)聲學(xué)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(pán)結(jié)構(gòu)。研究確定了兩個(gè)底盤(pán)風(fēng)噪聲導(dǎo)致的壓力漲落的輸入位置。其一是直接暴露在底盤(pán)風(fēng)噪聲下的車(chē)輛外表面，如保護(hù)板和懸掛裝置，其二是底盤(pán)風(fēng)噪聲下的地板板塊。圖1中顯示的底盤(pán)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(hù)板之間的間隙、電機(jī)室內(nèi)的空間以及外表面到地面的空間。

通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)研究底盤(pán)風(fēng)噪聲的傳輸機(jī)制：第一步是使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬在外表面和地板板塊上由底盤(pán)風(fēng)噪聲引起的壓力漲落；第二步是以CFD計(jì)算結(jié)果作為負(fù)載輸入，分析振動(dòng)聲學(xué)傳輸?shù)杰?chē)廂內(nèi)部。分析假設(shè)外表面和地板板塊在CFD中是沒(méi)有振動(dòng)的剛體，并且它們?cè)谡駝?dòng)聲學(xué)分析中以表面壓力漲落輸入作為彈性振動(dòng)。圖2顯示了振動(dòng)聲學(xué)噪聲進(jìn)入車(chē)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(chē)輛結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞并到達(dá)地板板塊，然后傳輸進(jìn)入車(chē)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(pán)空間，然后傳至地板板塊進(jìn)入車(chē)廂。在路徑3中，由于流場(chǎng)引起的壓力漲落直接到達(dá)地板板塊，然后傳輸進(jìn)入車(chē)廂。

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

圖2 噪聲進(jìn)入車(chē)廂的三種可能傳輸路徑

CFD方法

為了計(jì)算車(chē)輛周?chē)牧鲌?chǎng)和聲場(chǎng)，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(xì)幾何結(jié)構(gòu)的C段SUV型BEV，包括上部車(chē)身、電機(jī)室、電池、懸掛、保護(hù)板和地板板塊。計(jì)算域是一個(gè)100m邊長(zhǎng)的立方體，空間中的計(jì)算網(wǎng)格在底盤(pán)下部有高分辨率。計(jì)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(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)約為2億。

圖3 汽車(chē)CFD模型

車(chē)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(shí)際聲速。為了進(jìn)行物理計(jì)算，時(shí)間增量設(shè)定為2.09×10^-6s，持續(xù)計(jì)算時(shí)間為2.0s。計(jì)算開(kāi)始時(shí)，整個(gè)計(jì)算域中的速度沿x方向（主要流動(dòng)方向）為120km/h，壓力為101,325Pa。

圖4 CFD網(wǎng)格解析度

振動(dòng)聲學(xué)分析方法

  使用商業(yè)軟件wave6，通過(guò)有限元（FE）或邊界元（BE）方法計(jì)算車(chē)身振動(dòng)和車(chē)廂內(nèi)外聲場(chǎng)，這些振動(dòng)由振動(dòng)引起。圖6顯示了用于振動(dòng)聲學(xué)分析的模型的網(wǎng)絡(luò)圖和每個(gè)子系統(tǒng)的模型。結(jié)構(gòu)有限元模型包括車(chē)體、電池、懸掛和底板。通過(guò)CFD獲得的表面壓力漲落作為輸入負(fù)載時(shí)，從結(jié)構(gòu)有限元模型中提取這些區(qū)域的元素和振動(dòng)模態(tài)，并將其作為底盤(pán)結(jié)構(gòu)有限元模型的子系統(tǒng)進(jìn)行整合。

圖5 用于振動(dòng)聲學(xué)分析輸入的測(cè)量面

使用只表示外部形狀而沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如座椅和飾板）的幾何模型，通過(guò)邊界元方法模擬車(chē)廂內(nèi)部的聲場(chǎng)。使用無(wú)限邊界邊界元模型，模擬噪聲通過(guò)擴(kuò)散到車(chē)輛周?chē)乃p效應(yīng)，該邊界元模型圍繞底盤(pán)空間有限元模型。

圖6 網(wǎng)絡(luò)圖及各子系統(tǒng):a)振動(dòng)聲學(xué)模型各子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，b)客艙空間BE模型，c)車(chē)底結(jié)構(gòu)有限元模型，d)車(chē)底空間有限元模型

準(zhǔn)確性驗(yàn)證

數(shù)值方法準(zhǔn)確性驗(yàn)證

在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量了底板表面的壓力波動(dòng)，并與CFD結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，在低于500Hz的頻率范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)和CFD的平均頻譜大致匹配。盡管在某些頻率范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)和CFD的平均頻譜有些差別，但在短時(shí)間實(shí)驗(yàn)頻譜的水平范圍內(nèi)，它們是相符的。CFD結(jié)果準(zhǔn)確模擬了實(shí)際車(chē)輛的表面壓力波動(dòng)，并用于進(jìn)行振動(dòng)聲學(xué)分析。

圖7 外表面(上)和底板(下)聲壓級(jí)的實(shí)驗(yàn)與CFD比較

振動(dòng)聲學(xué)分析準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證振動(dòng)聲學(xué)分析模型，比較了在駕駛員頭部位置放置點(diǎn)源噪聲時(shí)的分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。分析結(jié)果顯示，在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得加速度響應(yīng)的部分區(qū)域，相比于外表面，地板板塊的響應(yīng)普遍較高；地板板塊中靠近前后座位腳部位置的響應(yīng)也相對(duì)較高。這個(gè)準(zhǔn)確模擬實(shí)際車(chē)輛的振動(dòng)聲學(xué)分析模型被用于分析底板風(fēng)噪聲傳遞。

圖8 外表面(上)和底板(下)在200hz下的加速度響應(yīng)分析與實(shí)驗(yàn)對(duì)比:30db動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)水平較高。然而，在地板板塊上，雖然沒(méi)有觀(guān)察到局部高壓波動(dòng)水平，但在200 Hz時(shí)，地板板塊的中心區(qū)域有一個(gè)相對(duì)較高壓力波動(dòng)的區(qū)域，并且在400 Hz時(shí)呈條紋狀分布。

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

為了確定流場(chǎng)中的渦旋噪聲源的分布，對(duì)Powell's聲源項(xiàng)進(jìn)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(zhǎng)度周?chē)牡妆P(pán)空間中，并且在前輪艙后方和前后懸掛的表面周?chē)灿蟹植?。這些噪聲源的分布與在外表面上觀(guān)察到的高壓波動(dòng)區(qū)域相吻合。此外，通過(guò)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(qiáng)度較低，僅為流場(chǎng)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(dòng)作為輸入，通過(guò)聲-振動(dòng)模型分析了車(chē)輛內(nèi)部空間的噪聲。研究評(píng)估了車(chē)廂內(nèi)的聲音水平，并計(jì)算了輸入功率，即從底盤(pán)結(jié)構(gòu)傳遞到車(chē)廂空間的聲功率之和。通過(guò)改變結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的數(shù)量，研究了不同傳輸路徑對(duì)車(chē)廂的功率輸入的影響。在對(duì)五種不同的表面壓力波動(dòng)輸入情況進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，地板板塊的輸入對(duì)車(chē)廂的輸入功率起主導(dǎo)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(jìn)一步分析表明，底盤(pán)空間對(duì)車(chē)廂的輸入功率幾乎沒(méi)有影響。這些結(jié)果表明，來(lái)自車(chē)輛外表面的噪聲傳輸主要是通過(guò)結(jié)構(gòu)振動(dòng)路徑實(shí)現(xiàn)的。

圖10 電機(jī)室及蓄電池周?chē)鷷r(shí)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(dòng)對(duì)車(chē)廂的貢獻(xiàn)大約是外表面的20 dB。本節(jié)對(duì)來(lái)自CFD的表面壓力波動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以研究這種差異的原因。在特定頻率下，通過(guò)中心頻率為200 Hz和400 Hz的帶通濾波器提取壓力波動(dòng)，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(zhǎng)壓力波動(dòng)，而地板板塊上的壓力波動(dòng)具有與聲波一致的較長(zhǎng)波長(zhǎng)。這說(shuō)明地板板塊受到的湍流壓力波動(dòng)影響較小，因?yàn)樗鼈冎饕艿铰暡ǖ挠绊憽?

圖11 通過(guò)改變表面壓力負(fù)載向艙室空間輸入動(dòng)力。

對(duì)壓力波動(dòng)進(jìn)行二維波數(shù)-頻率譜分析，以定量評(píng)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(gè)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(biāo)系原點(diǎn)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(dòng)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(méi)有偏離。相比之下，地板板塊上的壓力波動(dòng)沒(méi)有顯示出對(duì)流分量，表明聲波數(shù)分量占主導(dǎo)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(dòng)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(dòng)的聲波數(shù)分量功率，使用波數(shù)空間中的積分來(lái)計(jì)算每個(gè)角頻率下的波數(shù)分量功率。這些結(jié)果顯示，對(duì)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(shuō)明地板板塊在頻率高于150 Hz的范圍內(nèi)對(duì)車(chē)廂的影響更大。另外，這些地板板塊上的聲波數(shù)分量會(huì)激發(fā)相應(yīng)頻率以下的振動(dòng)模態(tài)，并對(duì)質(zhì)量-法則路徑有貢獻(xiàn)。

圖13 地表壓力波動(dòng)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(dòng)功率譜和頻率分貝圖中可以觀(guān)察到，地板板塊上的壓力波動(dòng)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(yīng)的聲波波長(zhǎng)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(dòng)水平高于外表面。因此，通過(guò)這些分析結(jié)果可以得出，地板板塊上的壓力波動(dòng)對(duì)車(chē)廂的噪聲影響較大。與外表面相比，地板板塊上的壓力波動(dòng)具有更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，并且主要由聲波引起，而不是湍流引起的壓力波動(dòng)。這可能是由于地板板塊下的空間中的聲波模態(tài)對(duì)壓力波動(dòng)的貢獻(xiàn)較大。

圖14 外表面和底板窄帶壓力譜

總結(jié)

為了明確BEV車(chē)輛底盤(pán)風(fēng)噪聲的傳輸機(jī)制，對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了耦合的氣動(dòng)-振動(dòng)-聲學(xué)分析，并將外表面和地板板塊作為壓力波動(dòng)輸入。得到了以下結(jié)論：

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

· 在150 Hz以上的頻率范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)向車(chē)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(dòng)，聲波輻射進(jìn)入底盤(pán)空間并達(dá)到地板板塊的聲波傳輸路徑對(duì)車(chē)廂的影響可以忽略不計(jì)。

· 車(chē)廂空間的主要輸入是地板板塊上的壓力波動(dòng)，因?yàn)榈匕灏鍓K上的壓力波動(dòng)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(dòng)的聲波波數(shù)成分水平較大，是由于地板板塊下的底盤(pán)空間中的聲學(xué)模態(tài)的影響。一項(xiàng)研究表明，在BEV的底盤(pán)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(chē)廂內(nèi)部的噪聲，對(duì)聲學(xué)輸入和結(jié)構(gòu)激勵(lì)起到一定的降噪效果。在未來(lái)的研究中，應(yīng)對(duì)減少底盤(pán)風(fēng)噪聲的對(duì)策進(jìn)行研究，并驗(yàn)證其有效性。

參考文章來(lái)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.