侯兆平，付 年，黃元毅，徐 鐵，陳瑞鋒，沈艷濤

（1.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，柳州 545007； 2.上海?；⒃畔⒖萍加邢薰?，上海 200235）

前言

車(chē)輛在高速行駛時(shí)的動(dòng)力總成噪聲、輪胎／路面噪聲得到一定控制之后，氣動(dòng)噪聲已成為高速行駛車(chē)輛的主要噪聲源［1-4］，受到汽車(chē)企業(yè)和研究人員的重視。風(fēng)洞試驗(yàn)、道路試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算是整車(chē)風(fēng)噪研究的主要技術(shù)手段。路試經(jīng)濟(jì)易于實(shí)施，其缺點(diǎn)是無(wú)法避免引入發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)身結(jié)構(gòu)和輪胎等的干擾噪聲。風(fēng)洞試驗(yàn)精確，認(rèn)可度高，但目前國(guó)內(nèi)風(fēng)洞資源緊張、費(fèi)用高。

采用CFD／SEA方法進(jìn)行整車(chē)風(fēng)噪數(shù)值仿真技術(shù)近年來(lái)興起，在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用［5-16］，某些車(chē)企已用這種方法部分甚至全部替代風(fēng)噪的風(fēng)洞試驗(yàn)。圖1為乘坐艙內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的相關(guān)分析［9］。由圖可見(jiàn)，仿真預(yù)測(cè)值與風(fēng)洞試驗(yàn)值的最大誤差為0.8dB（A），表明該方法噪聲預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖1 內(nèi)部噪聲預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的相關(guān)分析

國(guó)內(nèi)整車(chē)風(fēng)噪研究起步晚，艙內(nèi)噪聲性能改進(jìn)方面取得的成果有限［1-4］。本文中針對(duì)整車(chē)風(fēng)噪性能提高，開(kāi)展仿真、改進(jìn)和試驗(yàn)的研究工作。

1 氣動(dòng)噪聲仿真方法

整車(chē)風(fēng)噪仿真分為兩步：（1）通過(guò)瞬態(tài)外流場(chǎng)計(jì)算，得到壓力脈動(dòng)作為氣動(dòng)噪聲源；（2）輸入噪聲源，進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算，得到艙內(nèi)噪聲。

1.1 瞬態(tài)外流場(chǎng)計(jì)算

瞬態(tài)外流場(chǎng)計(jì)算采用格子玻爾茲曼法，本節(jié)中的公式參見(jiàn)文獻(xiàn)［17］。與傳統(tǒng)CFD的NS方程不同，玻爾茲曼方程為

式中：f（x，v，t）為粒子在時(shí)間 t、速度 v時(shí)的概率分布方程；Θ為滿足守恒定律的粒子碰撞算子。流體密度ρ和速度v均通過(guò)瞬時(shí)總和來(lái)獲得：

湍流方程采用VLES（very large eddy simulation）方法，得到如下方程：

1.2 艙內(nèi)噪聲計(jì)算

圖2為艙內(nèi)噪聲計(jì)算流程，本節(jié)中的公式參見(jiàn)文獻(xiàn)［6］。聲學(xué)計(jì)算采用統(tǒng)計(jì)能量法。整車(chē)風(fēng)噪有兩種輸入即壓力脈動(dòng)的兩種聲源：（1）近壁面湍流壓力脈動(dòng)作用在結(jié)構(gòu)件壁面上，形成振動(dòng)而產(chǎn)生艙內(nèi)噪聲；（2）空間聲波以輻射的形式穿透結(jié)構(gòu)件（如側(cè)風(fēng)窗玻璃），進(jìn)入艙內(nèi)。

圖2 SEA方法用于艙內(nèi)聲學(xué)示意圖

1.2.1 湍流壓力脈動(dòng)聲源

湍流壓力脈動(dòng)直接作用在結(jié)構(gòu)壁面上，一般聲場(chǎng)的脈動(dòng)壓力對(duì)整車(chē)面板的時(shí)均輸入功為

對(duì)式（5）簡(jiǎn)化處理，輸入功率可轉(zhuǎn)換為等效點(diǎn)力加載到側(cè)窗玻璃上，表達(dá)如下：

式中：G為輸入導(dǎo)納的實(shí)部；〈F2〉為與時(shí)間相關(guān)的節(jié)點(diǎn)力等效均方根值，重構(gòu)結(jié)構(gòu)表面的輸入功率。輸入導(dǎo)納實(shí)部的表達(dá)式為

式中：Ap為面板面積；n（ω）為面板的模態(tài)密度；ρsp為面板的面密度。

1.2.2 聲學(xué)輻射聲源輻射聲源進(jìn)入車(chē)內(nèi)的聲能為

2 仿真模型

2.1 瞬態(tài)外流場(chǎng)計(jì)算

數(shù)值仿真車(chē)速為120km／h，全細(xì)節(jié)模型見(jiàn)圖3，網(wǎng)格總數(shù)約為2.4億，最小尺寸為0.5mm。

圖3 原車(chē)模型圖

2.2 艙內(nèi)噪聲計(jì)算

不考慮聲泄漏情況下，玻璃的隔聲性能遠(yuǎn)低于金屬車(chē)身部件，可認(rèn)為車(chē)外部聲源的噪聲僅經(jīng)由側(cè)窗玻璃和前風(fēng)窗玻璃傳入艙內(nèi)。須求解輸入功與玻璃的相互作用，以及輸入功在玻璃中傳播時(shí)的衰減，得到艙內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置的聲壓級(jí)。表1和表2為側(cè)窗玻璃參數(shù)，表3為混響時(shí)間。

表1 SEA艙內(nèi)噪聲計(jì)算玻璃參數(shù)

表2 玻璃阻尼系數(shù)

表3 艙內(nèi)混響時(shí)間

3 仿真結(jié)果與分析

圖4為原車(chē)乘坐艙內(nèi)1／3倍頻A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)曲線，包括經(jīng)側(cè)窗和前風(fēng)窗傳入艙內(nèi)的聲壓級(jí)曲線和總聲壓級(jí)曲線。從圖中可以看出，左側(cè)窗是艙內(nèi)噪聲總聲壓級(jí)的主要貢獻(xiàn)者。

圖4 原車(chē)乘坐艙內(nèi)聲壓級(jí)仿真曲線圖

圖5 為原車(chē)外流場(chǎng)渦心云圖。從圖中可知聲源的位置和強(qiáng)度，主要聲源包括后視鏡尾渦、落水槽尾渦、雨刮尾渦和A柱脫落渦。

圖5 原車(chē)外流場(chǎng)渦心云圖

圖6 為這些聲源在側(cè)窗和前風(fēng)窗玻璃上壓力脈動(dòng)云圖，側(cè)窗湍流壓力脈動(dòng)源于后視鏡三角臺(tái)階尾渦、后視鏡支架尾渦和A柱尾渦（圖6（a））。側(cè)窗輻射聲波壓力脈動(dòng)源于后視鏡三角臺(tái)階尾渦和后視鏡支架尾渦（圖6（b））。雨刮和落水槽引起的湍流壓力脈動(dòng)作用在前風(fēng)窗玻璃上（圖6（c）），落水槽尾渦撞擊在A柱上，在前風(fēng)窗玻璃上產(chǎn)生輻射聲波（圖6（d））。

圖6 側(cè)窗和前風(fēng)窗玻璃壓力脈動(dòng)云圖

4 氣動(dòng)噪聲改進(jìn)方案

通過(guò)對(duì)原車(chē)風(fēng)噪仿真結(jié)果的分析，從聲源和聲傳播兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）降低聲源，減小壓力脈動(dòng)，提高流動(dòng)貼體性；（2）使聲源遠(yuǎn)離聲傳播的衰減較弱部件（如側(cè)窗玻璃）。提出了兩個(gè)改進(jìn)方案，方案1對(duì)后視鏡做了改進(jìn)，方案2在方案1的基礎(chǔ)上對(duì)雨刮做了隱藏，即將雨刮移至風(fēng)窗玻璃下邊緣的下面，如圖7（d）所示，使其不阻擋從發(fā)動(dòng)機(jī)罩流向風(fēng)窗玻璃的氣流。

圖7 原狀態(tài)與改進(jìn)方案對(duì)比圖

5 改進(jìn)后的仿真與試驗(yàn)的對(duì)比分析

5.1 改進(jìn)后的仿真結(jié)果分析

方案1對(duì)后視鏡支架和本體做了貼體性設(shè)計(jì)，支架減薄并下移等，仿真結(jié)果如圖8（a）和圖8（b）所示。對(duì)比圖6（a）和圖6（b）可知，湍流壓力脈動(dòng)和聲波壓力脈動(dòng)在強(qiáng)度上和分布區(qū)域上均有減小。

圖8 改進(jìn)后的仿真結(jié)果

方案2避免了雨刮對(duì)來(lái)流的阻擋，使落水槽附近流動(dòng)更平順，減少落水槽分流對(duì)后視鏡區(qū)域的作用，降低側(cè)窗玻璃的聲壓級(jí)，結(jié)果如圖8（c）和圖8（d）所示。

5.2 試驗(yàn)說(shuō)明

通過(guò)道路試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試儀器為西門(mén)子LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在駕駛員頭部附近布置傳聲器，如圖9所示。

圖9 路試測(cè)試相關(guān)圖

5.3 試驗(yàn)與仿真對(duì)比分析

圖10 為原車(chē)和改進(jìn)后駕駛員頭部區(qū)域聲壓級(jí)曲線的路試和仿真對(duì)比。從圖中可得如下結(jié)果。

（1）在整體趨勢(shì)上，各數(shù)據(jù)結(jié)果是一致的，路試低頻段的出現(xiàn)起伏是干擾噪聲源的影響。

（2）從仿真聲壓級(jí)曲線可知，與原車(chē)相比，方案1全頻段都有改進(jìn)，中高頻段的聲壓級(jí)降低了1dB（A），部分頻段高達(dá)3～4dB（A）。方案2改進(jìn)效果更好，部分頻段聲壓級(jí)的降幅達(dá)5.6dB（A）?？偮晧杭?jí)的降幅，方案1為1.5dB（A），方案2為1.8dB（A）。

（3）從路試結(jié)果可知，低頻段聲壓級(jí)沒(méi)有改進(jìn)，這是因?yàn)槁吩嚂r(shí)存在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲等干擾噪聲，這些干擾噪聲主要分布在中低頻段，且其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于風(fēng)噪，測(cè)試設(shè)備記錄聲壓級(jí)為干擾噪聲源，風(fēng)噪改進(jìn)效果在中低頻段無(wú)法體現(xiàn)。在高頻段有較大的改善，部分高頻段改進(jìn)方案1的聲壓級(jí)比原狀態(tài)降低了3.99dB（A），方案2降低了5.1dB（A）?？偮晧杭?jí)分別降低0.2和0.7dB（A）。

（4）125-2 500Hz頻段，3種狀況下仿真得到的聲壓級(jí)明顯低于試驗(yàn)值，偏差在8～14dB（A）之間，這個(gè)頻段路試聲壓級(jí)主要來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲等干擾聲源。

（5）2 500-6 300Hz頻段干擾源較少，仿真與試驗(yàn)的偏差在5dB（A）以?xún)?nèi)。仿真結(jié)果仍低于試驗(yàn)結(jié)果，其可能的原因有：密封問(wèn)題，數(shù)值仿真為完全密封下的結(jié)果，路試實(shí)車(chē)存在著密封不良導(dǎo)致的聲泄漏，提高了艙內(nèi)聲壓級(jí)；工況不同，數(shù)值仿真是“車(chē)不動(dòng)，空氣流過(guò)”，路試時(shí)，外部風(fēng)環(huán)境不穩(wěn)定，無(wú)法精確定速巡航，車(chē)行顛簸等使壓力脈動(dòng)較大，提高了聲壓級(jí)；發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲等干擾源在高頻段還有影響；路試側(cè)窗玻璃厚度小于仿真的玻璃厚度所致。路試聲壓級(jí)曲線顯示，其吻合頻率在4 600Hz左右，而數(shù)值模擬得到的聲壓級(jí)曲線顯示，吻合頻率在4 000Hz左右，說(shuō)明路試車(chē)側(cè)風(fēng)窗玻璃的厚度可能小于數(shù)值模擬的玻璃厚度，玻璃較薄，其隔音效果較差，引起聲壓級(jí)較高。

（6）6 300Hz以上的頻段，在工程上實(shí)際意義不大，不予討論。

6 結(jié)論

對(duì)原車(chē)進(jìn)行風(fēng)噪仿真，在分析流場(chǎng)和聲場(chǎng)結(jié)果基礎(chǔ)上，以降低乘坐艙內(nèi)噪聲為目標(biāo)，從聲源降低和傳遞路徑控制兩個(gè)方面出發(fā)，提出兩種改進(jìn)方案，分別進(jìn)行仿真和道路試驗(yàn)，可得到結(jié)論如下：

（1）仿真和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，在高頻段偏差較小，說(shuō)明仿真結(jié)果是有效的；

圖10 仿真與路試測(cè)試聲壓級(jí)曲線對(duì)比圖

（2）從仿真結(jié)果可知，按方案1改進(jìn)后，后視鏡的總聲壓級(jí)降低1.5dB（A），方案2總聲壓級(jí)降低1.8dB（A），從路試看，中低頻段干擾噪聲源影響較大，方案1聲壓級(jí)降低0.2dB（A），方案2聲壓級(jí)降低0.7dB（A），總體上降噪明顯，說(shuō)明改進(jìn)方案可行；

（3）仿真結(jié)果顯示，部分高頻段降噪最大達(dá)到5.6dB（A），路試結(jié)果顯示高頻段艙內(nèi)降噪最大達(dá)到5.1dB（A），有效減低了風(fēng)噪；

（4）采用CFD／SEA進(jìn)行整車(chē)風(fēng)噪仿真是可行的，改進(jìn)方案從風(fēng)噪機(jī)理出發(fā)降低艙內(nèi)噪聲的方法是有效的。