1.介紹

對(duì)于大多數(shù)汽車制造商來(lái)說(shuō)，在高速行駛時(shí)，溫室風(fēng)噪聲占據(jù)了高頻噪聲的主導(dǎo)地位。使用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)解決這種風(fēng)噪聲問(wèn)題涉及高成本的原型、昂貴的風(fēng)洞試驗(yàn)，以及可能昂貴的后期設(shè)計(jì)更改。為了減少這些相關(guān)成本并節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，在車輛設(shè)計(jì)過(guò)程的早期使用可靠的數(shù)值預(yù)測(cè)方法具有強(qiáng)烈的動(dòng)機(jī)。

該方法使用CFD來(lái)模擬和預(yù)測(cè)車輛周圍的外界氣流。對(duì)溫室上的壓力波動(dòng)以及流場(chǎng)進(jìn)行研究以確定噪聲源和等級(jí)。CFD求解器的外部風(fēng)荷載通過(guò)基于統(tǒng)計(jì)能量分析(SEA)的結(jié)構(gòu)聲學(xué)求解器傳播到機(jī)艙內(nèi)部。這種組合技術(shù)在室內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)中的應(yīng)用已經(jīng)在[2，3，4中成功建立。圖1是一個(gè)交叉相關(guān)圖[5]說(shuō)明了使用CFD/SEA組合技術(shù)預(yù)測(cè)汽車內(nèi)部噪聲的準(zhǔn)確性。

該圖顯示了30種情況下，使用以500Hz至4000Hz為中心的四個(gè)倍頻程頻帶中的A加權(quán)聲壓級(jí)頻譜對(duì)內(nèi)部噪聲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真預(yù)測(cè)之間的相關(guān)性。在120個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上的模擬和實(shí)驗(yàn)之間的平均差為-0.8分貝。圖1中的散點(diǎn)包括與測(cè)試測(cè)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(duì)趨勢(shì)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，其中消除了某些不確定性。

圖1.30個(gè)真實(shí)車輛案例在500-4000 Hz倍頻帶內(nèi)的實(shí)驗(yàn)與模擬內(nèi)部噪聲相關(guān)性

后視鏡組件和靠近機(jī)艙和A柱的特征在突出的溫室面板周圍的流場(chǎng)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(jìn)行評(píng)估，可以探索多種安裝選項(xiàng)和更廣泛的設(shè)計(jì)空間。使用計(jì)算方法可以顯著減少早期原型和實(shí)驗(yàn)評(píng)估的相關(guān)成本。從模擬研究中了解流場(chǎng)有助于改進(jìn)設(shè)計(jì)。

本文擴(kuò)展了這種計(jì)算方法在預(yù)測(cè)車輛內(nèi)部噪聲中的應(yīng)用?；谀M的當(dāng)前工作用干評(píng)估和改進(jìn)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(shí)施了一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程而不是傳統(tǒng)的優(yōu)化過(guò)程以節(jié)省資源。

2.當(dāng)前工作細(xì)節(jié)和演示方法學(xué)

車輛信息

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

圖2.汽車車身的CAD表示

模擬方法

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

外部流場(chǎng)模擬

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

內(nèi)部噪聲計(jì)算

在上一步中計(jì)算的面板上的壓力載荷用于進(jìn)行SEA計(jì)算以獲取內(nèi)部噪聲譜。SEA計(jì)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(jī)艙內(nèi)部的車身面板動(dòng)力學(xué)。有關(guān)CFD和SEA建模的詳細(xì)描述可以在【2,3,5】中找到，這里為了簡(jiǎn)潔而省略。

本文中，參與內(nèi)部噪聲計(jì)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(xiàn)被省略，因?yàn)樗鼘?duì)總內(nèi)部噪聲的影響可以忽略不計(jì)。

模擬過(guò)程

首先將進(jìn)行基線設(shè)計(jì)模擬，以確定溫室的噪聲源。對(duì)于基線模擬顯示，噪聲的主要貢獻(xiàn)者是與后視鏡總成、靠近整流罩和A柱的特征以及設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)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(jìn)式的關(guān)鍵修改。細(xì)節(jié)模擬程序在表1中給出。

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

表1.這是表格和表格標(biāo)題的示例。

在當(dāng)前的計(jì)算研究中用于run01~09的CAD模型是一個(gè)完整的車輛，具有圖3~11中所示的詳細(xì)設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果

基線結(jié)果

對(duì)于大多數(shù)汽車，在高速行駛時(shí)，對(duì)車內(nèi)噪音起主要貢獻(xiàn)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?？梢钥吹剑瑩躏L(fēng)玻璃和前側(cè)窗對(duì)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(duì)面板上的流動(dòng)波動(dòng)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(jì)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(shí)別出強(qiáng)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(dòng)，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(lái)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(lái)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(huì)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(jìn)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(gè)修改特征的影響，導(dǎo)出了每個(gè)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。可以看出，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(jì)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(jìn)，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(jìn)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(wèn)題，在中高頻上提供了0.5到1dB的改善。代表向下移動(dòng)基座的Run04在整個(gè)頻帶上也獲得了約0.5dB的改善。對(duì)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(shí)的噪聲性能較差，但在低頻和高頻時(shí)有所改善。

對(duì)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(duì)于這輛特定的車輛，改變發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)烈的壓力波動(dòng)。

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(duì)run02~04的修改帶來(lái)了顯著的改進(jìn)，因此在圖16和17中繪制了基準(zhǔn)線和run04的前左側(cè)玻璃的聲壓級(jí)圖。如圖所示，run04的聲載波水平在大多數(shù)面板上低于基準(zhǔn)線。在靠近帆的區(qū)域，與基準(zhǔn)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(jìn)一步介紹了鏡子關(guān)閉案例作為評(píng)估設(shè)計(jì)變化的參考。圖18顯示了運(yùn)行01、運(yùn)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(shuō)明，代表前三組修改的案例04在整個(gè)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(duì)于中高頻，噪聲水平介于基線和鏡子關(guān)閉案例之間，對(duì)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(dāng)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(duì)SGMW SUV的基線和一系列修改進(jìn)行了模擬，以確定溫室風(fēng)噪聲源并評(píng)估設(shè)計(jì)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(duì)基座和帆的修改以及向下移動(dòng)刮水器提供了最佳性能。運(yùn)行04和鏡面關(guān)閉情況的對(duì)比表明，鏡面組件的設(shè)計(jì)變化值得稱贊。

資料來(lái)源：達(dá)索官方