基于混合LES/BEM方法的汽車(chē)側(cè)窗結(jié)構(gòu)風(fēng)振噪聲分析

莫志姣　江財(cái)茂　宗軼琦　張沙　馬驍骙

摘要：

利用大渦模擬（LargeEddy Simulation，LES）方法對(duì)某轎車(chē)的側(cè)窗風(fēng)振噪聲進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果與整車(chē)道路測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好.對(duì)相應(yīng)流場(chǎng)下的車(chē)窗進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性計(jì)算，結(jié)果表明汽車(chē)高速行駛時(shí)車(chē)窗結(jié)構(gòu)受內(nèi)外氣流影響會(huì)產(chǎn)生微米級(jí)的振動(dòng).據(jù)此振動(dòng)結(jié)果，運(yùn)用邊界元法（Boundary Element Method，BEM）模擬車(chē)內(nèi)輻射聲場(chǎng)分布、場(chǎng)點(diǎn)聲壓頻率響應(yīng)以及車(chē)窗板件聲學(xué)貢獻(xiàn)量，結(jié)果表明汽車(chē)開(kāi)窗高速行駛時(shí)，風(fēng)振噪聲是汽車(chē)高速行駛時(shí)駕駛員耳旁噪聲的主要來(lái)源，但在某些頻率下車(chē)窗輻射聲場(chǎng)會(huì)有明顯的聲學(xué)響應(yīng)，其中后窗的輻射聲壓貢獻(xiàn)量占主要部分，開(kāi)啟的側(cè)窗聲學(xué)貢獻(xiàn)量要高于其他側(cè)窗的聲學(xué)貢獻(xiàn)量.

關(guān)鍵詞：

汽車(chē)； 風(fēng)振噪聲； 大渦模擬； 車(chē)窗振動(dòng)； 板件聲學(xué)貢獻(xiàn)

中圖分類號(hào)： U461.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0 引 言

汽車(chē)在行駛過(guò)程中，車(chē)外氣流分離產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲會(huì)影響乘員舒適性.同時(shí)，由于天窗或側(cè)窗打開(kāi)，氣流通過(guò)車(chē)身的開(kāi)口處而產(chǎn)生具有一定傳播速度的渦列，并與車(chē)內(nèi)空腔氣體模態(tài)耦合，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，進(jìn)而形成風(fēng)振噪聲，這是一種頻率很低但是強(qiáng)度很高的氣動(dòng)噪聲.[1]與此同時(shí)，空氣流動(dòng)導(dǎo)致了車(chē)窗表面氣流邊界層的壓力波動(dòng)，這種脈動(dòng)壓力會(huì)引起車(chē)窗結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，而車(chē)窗結(jié)構(gòu)振動(dòng)會(huì)向車(chē)內(nèi)輻射噪聲，這也是一種頻率很低的噪聲.雖然人耳不易察覺(jué)，但由其產(chǎn)生的高強(qiáng)度壓力脈動(dòng)會(huì)給乘客帶來(lái)疲倦和煩躁的感覺(jué)，因此研究這2種噪聲源對(duì)車(chē)內(nèi)駕駛員與乘客的影響顯得尤為重要.

對(duì)風(fēng)振噪聲的研究始于20世紀(jì)60年代，BODGER等[2]率先開(kāi)展客車(chē)后窗開(kāi)啟時(shí)的風(fēng)振噪聲研究.他們指出當(dāng)側(cè)窗開(kāi)啟時(shí)，整個(gè)車(chē)廂形如Helmholtz共振腔，當(dāng)氣流流經(jīng)窗口時(shí)，產(chǎn)生渦的脫落，進(jìn)而產(chǎn)生共振，并從理論上提出3種解決風(fēng)振噪聲的辦法.AN等[34]利用CFD軟件對(duì)某SUV的側(cè)窗風(fēng)振噪聲進(jìn)行仿真分析，分析若干變量對(duì)風(fēng)振噪聲的影響，并采取一些措施來(lái)降低后窗的風(fēng)振噪聲.康寧等[5]對(duì)不同天窗形式下某轎車(chē)模型的風(fēng)振噪聲進(jìn)行仿真分析，得到較合理的天窗尺寸及安裝位置.陳志夫等[6]通過(guò)對(duì)天窗風(fēng)振特性的數(shù)值計(jì)算，分析來(lái)流速度對(duì)共振頻率、腔內(nèi)聲壓分布的影響.但是，這些研究主要基于數(shù)值仿真結(jié)果探討，沒(méi)有與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果聯(lián)系起來(lái).朱遠(yuǎn)征等[7]以某實(shí)車(chē)比例模型為研究對(duì)象，運(yùn)用隨機(jī)聲學(xué)方法對(duì)車(chē)內(nèi)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真計(jì)算，并與實(shí)車(chē)道路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，得到湍流場(chǎng)相互疊加所致的聲壓級(jí)波動(dòng).CHEN等[8]對(duì)車(chē)窗結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得車(chē)內(nèi)風(fēng)振噪聲值明顯減少，并運(yùn)用激光影像與路面測(cè)試詳述該優(yōu)化方法的基本原理.黃磊[9]對(duì)汽車(chē)天窗風(fēng)振噪聲控制進(jìn)行分析，重點(diǎn)探討網(wǎng)狀擋風(fēng)條的降噪原理，最終的試件在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中取得良好的降噪效果.汪怡平等[10]也對(duì)汽車(chē)風(fēng)振噪聲進(jìn)行深入研究，推導(dǎo)出弱可壓縮湍流模型，描述有氣流經(jīng)過(guò)時(shí)開(kāi)口空腔內(nèi)的空氣壓縮特性，有效提升車(chē)內(nèi)風(fēng)振噪聲分析的準(zhǔn)確度.

人們?cè)谘芯匡L(fēng)振噪聲原理及其控制方法時(shí)，主要基于流體聲學(xué)機(jī)理，很少考慮車(chē)窗結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲（結(jié)構(gòu)聲學(xué)）對(duì)乘員室的影響.因此，本文運(yùn)用CFD方法對(duì)某轎車(chē)車(chē)型在側(cè)窗開(kāi)啟25%時(shí)乘員室的風(fēng)振噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)該車(chē)型進(jìn)行車(chē)窗結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析，計(jì)算乘員室內(nèi)部聲輻射，分析車(chē)窗板件貢獻(xiàn)量，結(jié)果表明車(chē)窗結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)乘員室內(nèi)的聲場(chǎng)分布有較明顯的影響.

1 大渦模擬控制方程

大渦模擬（LargeEddy Simulation，LES）控制方程是NavierStokes方程在波數(shù)空間或者物理空間進(jìn)行過(guò)濾得到的.過(guò)濾的過(guò)程是去掉比過(guò)濾寬度或者給定物理寬度小的漩渦，從而得到大漩渦的控制方程

式中：ρ為流體密度；xi和xj為坐標(biāo)軸分量；i和j為過(guò)濾后的速度分量；μ為湍流黏性系數(shù)；τij為亞格子尺度應(yīng)力，體現(xiàn)小尺度漩渦運(yùn)動(dòng)對(duì)所求解的運(yùn)動(dòng)方程的影響.

為使控制方程封閉，目前采用較多的亞格子模型是渦旋黏性模型

2 側(cè)窗風(fēng)振噪聲的計(jì)算和分析

2.1 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

本文采用的轎車(chē)模型長(zhǎng)為5 013 mm，寬為1 830 mm，高為1 740 mm.左前窗開(kāi)啟25%，計(jì)算模型見(jiàn)圖1.

氣流流過(guò)車(chē)身表面產(chǎn)生附面層，為了模擬附面層效應(yīng)，在車(chē)身表面建立3層尺寸較小的六面體棱柱網(wǎng)格.車(chē)身附近極易出現(xiàn)氣流分離、湍流等復(fù)雜流場(chǎng)，通過(guò)創(chuàng)建密度盒加密車(chē)體周?chē)w網(wǎng)格，可以有效兼顧仿真精度和計(jì)算效率；在遠(yuǎn)離車(chē)體的非敏感區(qū)域，選擇稀疏網(wǎng)格以減少計(jì)算網(wǎng)格與節(jié)點(diǎn)總數(shù)目.考慮到四面體網(wǎng)格對(duì)復(fù)雜幾何體具有良好的適應(yīng)性，能夠比較容易捕捉幾何特征，因此在其余空間選用四面體網(wǎng)格.圖2為車(chē)身縱對(duì)稱面上的網(wǎng)格分布，y+值設(shè)為1，生成體網(wǎng)格數(shù)量為700萬(wàn)個(gè)左右.本文對(duì)某實(shí)車(chē)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，風(fēng)速為30 m/s，監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇在駕駛員的左、右耳旁.

在進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算之前，通常先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，并以此穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到的結(jié)果作為瞬態(tài)計(jì)算的初始值.在本文的計(jì)算中，穩(wěn)態(tài)計(jì)算選用可實(shí)現(xiàn)的kε模型，瞬態(tài)計(jì)算的湍流模型采用LES計(jì)算模型，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.000 1 s，內(nèi)部迭代次數(shù)為20次.

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

汽車(chē)在開(kāi)啟后窗時(shí)，乘員艙相當(dāng)于一個(gè)有一定體積的開(kāi)口空腔，但并不完全等同.外部氣體的運(yùn)動(dòng)能量通過(guò)側(cè)窗開(kāi)口處的空氣傳入車(chē)內(nèi)空腔，車(chē)內(nèi)的空氣如同“彈簧”一樣被壓縮、膨脹，氣流速度越高，車(chē)內(nèi)壓力波動(dòng)范圍越大，氣體的壓縮與膨脹過(guò)程就越劇烈，引起的風(fēng)振噪聲相應(yīng)地也會(huì)更高.轎車(chē)開(kāi)啟左前窗25%時(shí)橫截面位置穩(wěn)態(tài)壓強(qiáng)云圖見(jiàn)圖3.由圖3可知：車(chē)身兩側(cè)都為負(fù)壓區(qū)，由于左前窗開(kāi)啟，左窗附近的負(fù)壓區(qū)域明顯增大，這是因?yàn)樵撎幋嬖趶?fù)雜的分離流和渦流，致使車(chē)內(nèi)壓力波動(dòng)較大.各側(cè)窗的穩(wěn)態(tài)壓力云圖見(jiàn)圖4.由圖4可知左前窗的負(fù)壓絕對(duì)值明顯大于其他側(cè)窗.

2.3 實(shí)車(chē)道路實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比

實(shí)驗(yàn)車(chē)輛為性能運(yùn)行良好、內(nèi)飾完好、密封良好

的車(chē)型，選擇在無(wú)風(fēng)，晴朗干燥的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn).依據(jù)GB/T 25982—2010布置實(shí)驗(yàn)用傳聲器，圖5為實(shí)車(chē)道路測(cè)試實(shí)驗(yàn)中麥克風(fēng)固定位置.

實(shí)驗(yàn)車(chē)內(nèi)有駕駛員與副駕駛員，將實(shí)驗(yàn)車(chē)輛左前車(chē)窗開(kāi)啟25%，其余車(chē)窗全部關(guān)閉，以不同的車(chē)速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量該過(guò)程中駕駛員耳旁的噪聲數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，數(shù)值仿真與實(shí)車(chē)道路測(cè)試相對(duì)比，風(fēng)振噪聲特征點(diǎn)吻合得比較好[11].為降低實(shí)測(cè)過(guò)程中輪胎、發(fā)動(dòng)機(jī)等外部噪聲的影響，選取110 km/h為典型工況，圖6為該工況下駕駛員左耳聲壓頻譜圖.由圖6可知：風(fēng)振共振頻率仿真值為12 Hz，對(duì)應(yīng)峰值為112 dB；風(fēng)振共振頻率實(shí)驗(yàn)值為15 Hz，對(duì)應(yīng)峰值為110 dB.

3 車(chē)窗結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算

車(chē)窗結(jié)構(gòu)振動(dòng)可以通過(guò)2個(gè)途徑影響流場(chǎng)，一是通過(guò)車(chē)窗對(duì)流體邊界的影響，二是車(chē)窗振動(dòng)所激勵(lì)的彈性波對(duì)流場(chǎng)的影響.但是，車(chē)窗結(jié)構(gòu)振動(dòng)

產(chǎn)生的位移很小，并且流體不可壓縮，特征馬赫數(shù)小于1，因此可以忽略車(chē)窗振動(dòng)對(duì)流體的影響[12].同時(shí)，本文僅考慮外部流場(chǎng)引起的車(chē)窗振動(dòng)，沒(méi)有考慮除流場(chǎng)以外的原因引起的車(chē)窗振動(dòng).

3.1 控制方程

本文的流固耦合研究是單方向的，包括下文的車(chē)窗輻射噪聲計(jì)算，只計(jì)算結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲輻射，沒(méi)有考慮其反作用.忽略噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)的反作用是合理的，因?yàn)檩椛湓肼暤穆晧汉苄?，只? Pa.

3.2 計(jì)算過(guò)程

車(chē)身結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算在ANSYS中進(jìn)行，使用SHELL63單元對(duì)模型進(jìn)行劃分，鋼化玻璃材料的彈性模量為48.5 GPa，泊松比為0.238 9，密度為2 500 kg/m3.

由于模態(tài)疊加法運(yùn)行速度快、精度較高，并且所得結(jié)果占用磁盤(pán)空間小，而Newmark和Wilsonθ方法均有周期延長(zhǎng)現(xiàn)象，且Wilsonθ方法還有振幅衰減現(xiàn)象，因此本文采用模態(tài)疊加法計(jì)算車(chē)窗瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，取前50階模態(tài).流場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與有限元模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的載荷傳遞主要有2種方式：一種是當(dāng)2種網(wǎng)格不一致時(shí)采用插值傳遞方式；一種是當(dāng)2種網(wǎng)格一致時(shí)采用直接傳遞方式.由于本文所用的有限元網(wǎng)格與流體網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)并不是一一對(duì)應(yīng)的，所以采用插值傳遞方式.從流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果中導(dǎo)出各時(shí)間步的車(chē)窗表面節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)壓力，然后通過(guò)編程將流體作用力轉(zhuǎn)化為有限元節(jié)點(diǎn)的載荷.計(jì)算時(shí)在車(chē)窗表面建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這些點(diǎn)的位置見(jiàn)圖7.通過(guò)APDL將結(jié)果轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)計(jì)算使用的載荷步文件，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)為0.012 5 s，每個(gè)時(shí)間步的子步數(shù)為10個(gè)，時(shí)間步載荷設(shè)置為斜坡載荷，計(jì)算總的時(shí)間步數(shù)為800步.

3.3 結(jié)果和分析

計(jì)算所得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的位移隨時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖8，可以看出振幅的數(shù)量級(jí)為微米，y方向的位移數(shù)值較x和z方向大.左前窗與左后窗在某瞬態(tài)時(shí)刻的位移分析結(jié)果見(jiàn)圖9，可以看出側(cè)窗的位移計(jì)算數(shù)值從車(chē)窗中部向兩邊逐漸減小繼而增大，由于左前窗部分開(kāi)啟，該處存在復(fù)雜的分離流和渦流，壓力較高（見(jiàn)圖3和4），因此左前窗的位移響應(yīng)結(jié)果高于左后窗的計(jì)算結(jié)果.

4 結(jié)構(gòu)輻射噪聲計(jì)算與貢獻(xiàn)量分析

4.1 控制方程與板件貢獻(xiàn)量分析

線性聲學(xué)的控制方程是波動(dòng)方程

一般情況下，由式（10）求得的聲腔內(nèi)某場(chǎng)點(diǎn)S的聲壓具有幅值和相位的復(fù)數(shù)，該場(chǎng)點(diǎn)聲壓是由各板件的聲壓分量在該點(diǎn)線性疊加得到的[13]，板件i對(duì)場(chǎng)點(diǎn)S聲壓的總貢獻(xiàn)量可表示為

pS，i為板件i在場(chǎng)點(diǎn)S產(chǎn)生的聲壓分量；m為車(chē)身板件數(shù)量.將聲壓分量pS，i向該點(diǎn)聲壓的矢量方向投影，可得到該板件對(duì)該點(diǎn)聲壓的貢獻(xiàn)量

pg=pS，ipSpS

（12）

根據(jù)各板件對(duì)聲壓貢獻(xiàn)量的不同，可以將各板件分為不同的聲學(xué)貢獻(xiàn)區(qū)域：如果該板件對(duì)聲壓具有較大的正貢獻(xiàn)量，則該板件為正貢獻(xiàn)區(qū)域；如果具有較大的負(fù)貢獻(xiàn)量，則為負(fù)貢獻(xiàn)區(qū)域.

4.2 數(shù)值計(jì)算和結(jié)果分析

根據(jù)本文所述方法，在LMS Virtual. Lab中計(jì)算由車(chē)窗振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲.BEM的邊界條件為：車(chē)窗單元設(shè)置為位移邊界條件；座椅單元定義為吸聲邊界條件，聲阻抗實(shí)部為975 kg·s/m2，虛部為8 798 kg·s/m2；車(chē)頂棚單元定義為吸聲邊界條件，聲阻抗實(shí)部為830 kg·s/m2，虛部為3 030 kg·s/m2；其他單元設(shè)置為自由邊界條件.前窗和后窗在85 Hz與105 Hz時(shí)的位移邊界條件云圖見(jiàn)圖10.

由于本文所關(guān)心的是汽車(chē)內(nèi)部聲場(chǎng)，所以在汽車(chē)聲腔內(nèi)部經(jīng)過(guò)駕駛員耳旁位置建立一個(gè)平面場(chǎng)網(wǎng)格，計(jì)算得到的平面場(chǎng)點(diǎn)的聲壓云圖見(jiàn)圖11.

在85 Hz時(shí)計(jì)算的最大標(biāo)準(zhǔn)聲壓級(jí)是14.4 dB，在105 Hz時(shí)的最大聲壓級(jí)為35.6 dB.從計(jì)算結(jié)果可以看出，車(chē)窗結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的輻射噪聲主要集中在低頻段，且在0～200 Hz較為明顯，85 Hz和105 Hz處出現(xiàn)響應(yīng)峰值（見(jiàn)圖12）.由于在105 Hz時(shí)駕駛員耳旁出現(xiàn)最大響應(yīng)峰值，針對(duì)105 Hz對(duì)應(yīng)的響應(yīng)峰值進(jìn)行板件貢獻(xiàn)量分析.根據(jù)板件的分類和公式，計(jì)算每個(gè)板件對(duì)105 Hz的聲壓貢獻(xiàn)和，得到板件貢獻(xiàn)量，見(jiàn)圖13.由圖13可知，正后窗對(duì)總聲壓相位相差較小，起正貢獻(xiàn)作用，由于在低頻時(shí)后窗受汽車(chē)后部尾渦的影響較大，因此正后窗對(duì)總聲壓的貢獻(xiàn)量最大；左前窗較其他3個(gè)側(cè)窗對(duì)總聲壓的貢獻(xiàn)量最大，其主要原因有二：一是A立柱后存在強(qiáng)烈的漩渦，左前窗表面脈動(dòng)壓力較強(qiáng)；二是左前窗的部分開(kāi)啟，增強(qiáng)左前窗附近的湍動(dòng)能與表面脈動(dòng)壓力.

5 結(jié) 論

建立整車(chē)流場(chǎng)模型，進(jìn)行開(kāi)窗工況下的汽車(chē)風(fēng)振噪聲仿真計(jì)算，并與實(shí)車(chē)道路噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比.計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小，表明LES方法能夠比較準(zhǔn)確地計(jì)算汽車(chē)風(fēng)振噪聲.

在行駛過(guò)程中，由于左前窗部分開(kāi)啟，左前窗表面的負(fù)壓絕對(duì)值高于其他側(cè)窗，脈動(dòng)壓力也高于其他車(chē)窗.仿真與實(shí)驗(yàn)得到的側(cè)窗風(fēng)振噪聲峰值均處于較高水平，分別達(dá)到112 dB和110 dB.

由于左前窗部分開(kāi)啟，脈動(dòng)壓力較高，左前窗的位移響應(yīng)高于其他側(cè)窗，而脈動(dòng)壓力引起的側(cè)窗位移響應(yīng)數(shù)值從車(chē)窗中部向兩邊呈現(xiàn)先逐漸減小而后增大的趨勢(shì).從已有研究成果得知，側(cè)窗風(fēng)振噪聲占主要部分，但在某些風(fēng)振頻率下車(chē)窗輻射聲場(chǎng)會(huì)有聲學(xué)響應(yīng)，故本文著重研究風(fēng)振噪聲引起的側(cè)窗結(jié)構(gòu)聲學(xué)響應(yīng).通過(guò)計(jì)算車(chē)窗結(jié)構(gòu)的聲輻射可以發(fā)現(xiàn)，車(chē)窗振動(dòng)會(huì)向乘員室輻射一定的噪聲，且在一定頻率處有一定的聲學(xué)響應(yīng)：駕駛員左耳峰值頻率為105 Hz，峰值為23 dB.車(chē)窗板件貢獻(xiàn)量的計(jì)算表明：在較低頻率范圍內(nèi)，正后窗對(duì)輻射聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)量最大，占主要部分；左前窗（部分開(kāi)啟）對(duì)輻射聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)量較其他3個(gè)側(cè)窗要高.

目前，受實(shí)驗(yàn)條件及篇幅的限制，本文僅通過(guò)數(shù)值計(jì)算研究氣動(dòng)載荷對(duì)主要影響件——側(cè)窗的結(jié)構(gòu)聲學(xué)響應(yīng)，今后應(yīng)對(duì)氣動(dòng)載荷對(duì)各板件的貢獻(xiàn)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

參考文獻(xiàn)：

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（編輯 于杰）