1.介紹

對于大多數(shù)汽車制造商來說，在高速行駛時，溫室風(fēng)噪聲占據(jù)了高頻噪聲的主導(dǎo)地位。使用實驗方法來解決這種風(fēng)噪聲問題涉及高成本的原型、昂貴的風(fēng)洞試驗，以及可能昂貴的后期設(shè)計更改。為了減少這些相關(guān)成本并節(jié)省開發(fā)時間，在車輛設(shè)計過程的早期使用可靠的數(shù)值預(yù)測方法具有強烈的動機。

該方法使用CFD來模擬和預(yù)測車輛周圍的外界氣流。對溫室上的壓力波動以及流場進行研究以確定噪聲源和等級。CFD求解器的外部風(fēng)荷載通過基于統(tǒng)計能量分析(SEA)的結(jié)構(gòu)聲學(xué)求解器傳播到機艙內(nèi)部。這種組合技術(shù)在室內(nèi)噪聲預(yù)測中的應(yīng)用已經(jīng)在[2，3，4中成功建立。圖1是一個交叉相關(guān)圖[5]說明了使用CFD/SEA組合技術(shù)預(yù)測汽車內(nèi)部噪聲的準確性。

該圖顯示了30種情況下，使用以500Hz至4000Hz為中心的四個倍頻程頻帶中的A加權(quán)聲壓級頻譜對內(nèi)部噪聲進行實驗和仿真預(yù)測之間的相關(guān)性。在120個數(shù)據(jù)點上的模擬和實驗之間的平均差為-0.8分貝。圖1中的散點包括與測試測量和參與面板的傳遞函數(shù)相關(guān)的不確定性。在中展示了該技術(shù)對趨勢預(yù)測的準確性，其中消除了某些不確定性。

圖1.30個真實車輛案例在500-4000 Hz倍頻帶內(nèi)的實驗與模擬內(nèi)部噪聲相關(guān)性

后視鏡組件和靠近機艙和A柱的特征在突出的溫室面板周圍的流場中起著關(guān)鍵作用，這有助于內(nèi)部噪音。在表面凍結(jié)之前進行評估，可以探索多種安裝選項和更廣泛的設(shè)計空間。使用計算方法可以顯著減少早期原型和實驗評估的相關(guān)成本。從模擬研究中了解流場有助于改進設(shè)計。

本文擴展了這種計算方法在預(yù)測車輛內(nèi)部噪聲中的應(yīng)用。基于模擬的當前工作用干評估和改進上汽通用五菱公司的SUV(SAICGeneral Motors Wuling Corporation)的溫室風(fēng)噪聲性能。由于從基線分析中確定了主要噪聲源，因此實施了一個漸進的過程而不是傳統(tǒng)的優(yōu)化過程以節(jié)省資源。

2.當前工作細節(jié)和演示方法學(xué)

車輛信息

本研究使用的車輛是運動型多功能車(SUV)。它是由上汽通用五菱設(shè)計和制造的。圖2顯示了該車輛的計算機輔助設(shè)計(CAD)的逼真、詳細和高表面質(zhì)量表示。

圖2.汽車車身的CAD表示

模擬方法

對車內(nèi)風(fēng)噪進行完全的分析性模擬分兩步進行。第一步使用Lattice Boltzmann方法PowerFLOW模擬車輛速度下的流場，并預(yù)測車輛外板上的波動壓力載荷。這些瞬態(tài)壓力在頻域中進行分析，以基于統(tǒng)計能量分析方法開發(fā)噪聲傳遞模塊的載荷情況，并預(yù)測座艙內(nèi)的噪聲。

外部流場模擬

Exa的商業(yè)軟件PowerFLOW5.3b用于進行瞬態(tài)流模擬。該軟件使用一種特殊的格點Boltzmann方法(LBM)的離散化，該方法在一個由軟件自動生成的可變分辨率笛卡爾體積網(wǎng)格上進行。LBM的關(guān)鍵概念在這里簡要概述。如需更多細節(jié)，請參閱文獻“7-10】。

內(nèi)部噪聲計算

在上一步中計算的面板上的壓力載荷用于進行SEA計算以獲取內(nèi)部噪聲譜。SEA計算使用PowerACOUSTICS 4.0a完成。結(jié)構(gòu)聲學(xué)模塊用于建模和模擬帶有機艙內(nèi)部的車身面板動力學(xué)。有關(guān)CFD和SEA建模的詳細描述可以在【2,3,5】中找到，這里為了簡潔而省略。

本文中，參與內(nèi)部噪聲計算的面板包括前側(cè)玻璃和擋風(fēng)玻璃，后側(cè)玻璃的貢獻被省略，因為它對總內(nèi)部噪聲的影響可以忽略不計。

模擬過程

首先將進行基線設(shè)計模擬，以確定溫室的噪聲源。對于基線模擬顯示，噪聲的主要貢獻者是與后視鏡總成、靠近整流罩和A柱的特征以及設(shè)計空間的限制有關(guān)，因此修改主要集中在后視鏡總成以及雨刷、發(fā)動機罩后部和A柱的特征上。為了節(jié)省資源，部署了一連串漸進式的關(guān)鍵修改。細節(jié)模擬程序在表1中給出。

除了列表中顯示的9次運行外，還進行了另一個基于基線的鏡像分離案例(移除鏡像組)，以評估對鏡像組件的修改能力。

表1.這是表格和表格標題的示例。

在當前的計算研究中用于run01~09的CAD模型是一個完整的車輛，具有圖3~11中所示的詳細設(shè)計變化。

圖3.用于Run01的幾何形狀

圖4.用于Run02的幾何形狀

圖5.用于Run03的幾何形狀

圖11.用于Run09的幾何形狀

3.計算結(jié)果

基線結(jié)果

對于大多數(shù)汽車，在高速行駛時，對車內(nèi)噪音起主要貢獻的是側(cè)窗和擋風(fēng)玻璃面板。在駕駛員頭部位置的A加權(quán)1/3倍頻帶內(nèi)，車內(nèi)噪音頻譜如圖12所示?？梢钥吹?，擋風(fēng)玻璃和前側(cè)窗對車內(nèi)噪音有顯著影響，顯然側(cè)窗比擋風(fēng)玻璃更重要，這表明后視鏡組件應(yīng)該是改裝的主要考慮因素。，還應(yīng)考慮對面板上的流動波動產(chǎn)生關(guān)鍵影響的其它部件。

可視化噪聲源是提出設(shè)計修改以改善車輛風(fēng)噪性能的關(guān)鍵。從圖13的渦核可視化中，可以識別出強烈的湍流噪聲源，包括鏡面組件渦流、整流罩渦流、刮水器尾流和A柱渦流。

Figure 12. The interior noise at the driver head location for run01 in A-weighted 1/3rd octave bands

Figure 13. Visualization of vortex cores (Lambda 2), colored by SPL in 50 to 250 Hz

根據(jù)面板上的壓力波動，可以推導(dǎo)出湍流載荷和聲學(xué)載荷，如圖14所示。前側(cè)玻璃上的湍流載荷表明，來自鏡帆尾跡、基座尾跡和A柱渦的高湍流載荷。側(cè)玻璃的聲學(xué)載荷表明，高載荷來自帆尾跡和基座尾跡。同樣，擋風(fēng)玻璃上的刮水器尾跡和整流罩渦的高湍流載荷也可以觀察到，而整流罩渦撞擊A柱前邊緣會產(chǎn)生一些聲學(xué)載荷。

圖14.面板上的1000 Hz倍頻帶dB圖，80-110 dB

基于上述分析，應(yīng)進行run02~09的修改區(qū)域，以改善車輛的溫室風(fēng)噪聲性能。

修改案例的結(jié)果

為了量化每個修改特征的影響，導(dǎo)出了每個案例及其參考案例的內(nèi)部噪聲差異這些差異的A加權(quán)1/3倍頻帶值從125~6300Hz繪制在圖15中?？梢钥闯?，大多數(shù)修改都導(dǎo)致更好的噪聲性能。該圖還表明，在所有設(shè)計變化中，run06在中等高頻的內(nèi)部噪聲方面提供了最佳的改進，為1.5dB，這表明將雨刷隱藏在引擎蓋下將大大改善噪聲。 次要改進在于減少鏡帆和基座相交區(qū)域前部的接縫，這涉及到切割基座頂部，從而基本解決了鏡組件區(qū)域產(chǎn)生的尾流和渦流引起的問題，在中高頻上提供了0.5到1dB的改善。代表向下移動基座的Run04在整個頻帶上也獲得了約0.5dB的改善。對Run03的修改，即減少基座后部的厚度并減小帆階的斜度，使其在中高頻區(qū)域更加平穩(wěn)，但在400Hz附近產(chǎn)生了一些額外的噪聲。旋轉(zhuǎn)run05的反射鏡室在中頻時的噪聲性能較差，但在低頻和高頻時有所改善。

對run07和run09的修改明顯使全頻段區(qū)域的噪音更大，這意味著對于這輛特定的車輛，改變發(fā)動機罩后緣形狀和減少A柱附近I形凹槽的腔體的給定修改涉及面板上更強烈的壓力波動。

圖15.在A-加權(quán)1/3倍頻程帶中，案例與參考案例之間的內(nèi)部噪聲差異

由于對run02~04的修改帶來了顯著的改進，因此在圖16和17中繪制了基準線和run04的前左側(cè)玻璃的聲壓級圖。如圖所示，run04的聲載波水平在大多數(shù)面板上低于基準線。在靠近帆的區(qū)域，與基準線相比，run04的高聲載波區(qū)域顯著減小。

圖16.1000Hz倍頻帶聲學(xué)dB圖，用于run01

圖17.1000Hz倍頻帶聲學(xué)dB圖，用于run04

進一步介紹了鏡子關(guān)閉案例作為評估設(shè)計變化的參考。圖18顯示了運行01、運行04和鏡子關(guān)閉案例在A加權(quán)1/3倍頻帶內(nèi)的內(nèi)部噪聲。該圖說明，代表前三組修改的案例04在整個頻帶上具有更好的噪聲性能，在低頻處降低了約2dB的噪聲，在中頻處降低了1~2dB，在高頻處降低了2~4dB。對于中高頻，噪聲水平介于基線和鏡子關(guān)閉案例之間，對于低頻，甚至優(yōu)于鏡子關(guān)閉案例，表明溫室風(fēng)噪聲性能相當好。

Figure 18. The interior noise for run0l, run04 and the mirror-off case in A-weighted 1/3rd octave bands.

4.結(jié)論:

對SGMW SUV的基線和一系列修改進行了模擬，以確定溫室風(fēng)噪聲源并評估設(shè)計變化。鏡子裝配渦流、整流罩渦流、刮水器渦流和A柱渦流是主要的噪聲源。具體的修改措施顯示出效果，其中對基座和帆的修改以及向下移動刮水器提供了最佳性能。運行04和鏡面關(guān)閉情況的對比表明，鏡面組件的設(shè)計變化值得稱贊。

資料來源：達索官方