基于Actran的汽车风噪声仿真技术介绍 – 技术补充篇

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基于Actran的汽车风噪声仿真技术介绍 – 技术补充篇

前言

2017年11月，我们介绍了两种计算汽车风噪声的方法，包括基于瞬态CFD与Actran Aero-Acoustics联合求解方法、基于稳态CFD与Actran SNGR联合求解方法。基于Actran的汽车风噪仿真技术及应用案例

在此基础上，本文结合实际案例，更系统的介绍基于Actran的汽车风噪声仿真关键技术：

• 风噪声特征及产生机理；

• 基于Actran的风噪声计算方法；

• 波数分解及薄膜模态分析方法。

  
  

2风噪声特征及产生机理介绍

高速行驶的汽车外部凸起物如后视镜等产生风噪声时，往往没有类似风机或圆柱绕流等较为明显的周期性或特征频率，而呈现宽频噪声特性。根据不同车速，噪声频谱往往在200Hz~500Hz之间达到最大，然后随频率呈逐渐衰减的趋势。下图为一典型中高档乘用车在50km/h、90km/h和160km/h速度时各噪声源贡献量曲线【1】。可见在50km/h时，风噪声（绿色）远低于整体噪声水平（蓝色）；90km/h时，风噪声慢慢超过其他噪声源，在整体噪声中的占比加大；160km/h时，风噪声成为整体噪声中的占比最大的噪声源。

图2-1 某车型在不同车速下各噪声源频谱曲线（三分之一倍频程）

汽车风噪声主要由A柱和后视镜等设计产生的湍流产生，通过侧窗壁面湍流压力脉动形式(TWPF)和声学压力脉动形式(AWPF)传入车内。下图是日本本田通过风洞实验与仿真研究简化A柱、车窗、声学空腔（驾驶室）的风噪声问题，其中仿真部分采用CFD + Actran的技术路线完成【2】。

图2-2 Honda通过风洞实验与仿真研究风噪问题

Honda同时还研究了侧窗壁面湍流压力脉动(Turbulent)和声学压力脉动(Acoustic)激励车窗振动，以及对汽车内部噪声的贡献。

图2-3 TWPF与AWPF对车内噪声贡献量

更一般的，基于奥迪某模型发表的另一篇文章【3】指出了侧窗壁面湍流压力脉动形式(TWPF)和声学压力脉动形式(AWPF)特征，总结如下：

	湍流: TWPF	声学: AWPF
传播特点及产生位置	对流现象；车窗表面压力	扩散现象；车窗侧体积区域内声源
幅值	100 ~ 1000 Pa	~ 0.1 Pa
波长：（以1000Hz为例)	V(m/s) / f(Hz):	C(m/s) / f(Hz):
	35 /1000 = 3.5 cm	340 / 1000 = 34cm
声波通过侧窗“透射”效率	低	高

  由于AWPF的量极小却对车内噪声有着很大的贡献，因此在开发设计中工程师经常会通过波数分解的方法将AWPF从壁面压力脉动的总量中剥离出来（如下图），这样可以更直观的观察AWPF的波形、幅值等性质，并在设计初期尽量避免此波形与侧窗的弯曲振动波形耦合而产生较强的声学“透射”。关于波数分解法的原理在本文后面部分有所介绍。

图2-4 某车型侧窗风噪分布示意图(1500Hz)

3基于Actran的风噪声计算方法介绍

        上篇文章已经做了详细介绍。现在简要概括分析流程：

选项一：非定常可压CFD流场计算→ Actran提取车窗表面压力（TWPF+AWPF)→ （压力激励的波数分解)→ 振动声学有限元计算车内声压

选项二：非定常不可压CFD流场计算→提取侧窗附近体声源→ 气动声学有限元计算车窗表面声压→振动声学有限元计算车内声压

选项三：定常CFD计算→ Actran SNGR用统计法重构气动噪声源的时间历程结果 → Actran振动声学有限元计算车内声压

4波数分解及薄膜模态分析方法

气动噪声中的波数分解方法是基于以下几个假设：

• 空间的周期性:

• 谐波求解方程：

• 空间没有阻尼(粘滞性被忽略)

  
  

满足以上条件时，还需假设把压力分布场投射到矩形面上：

因此可以将波数分解理解为“空间上的傅里叶变换”。

波数分解应用于汽车风噪声模拟时的目的与特点：

• 可压缩CFD结果的后处理，从整体压力信号中提取声学信号；

• 可作为NVH实验部门的输入数据 （避免声学波长与侧窗结构波长重合）；

• 可作为CAE仿真部门的输入数据。

  
  
  
  
  

图4-1 1500Hz汽车侧窗压力脉动及波数分解（识别声压）

波数分解的数学基础来自于空间傅里叶变换：

–  表面形状描述

–  表面信号（压力）描述

–  正交基

利用正弦函数基进行波数分解，其原理如下图所示：

图4-2 波数分解时把车窗表面压力分解到矩形表面

图4-3 某压力场波数分解为声压和湍流压力

如上传统的波数分解法的限制为：1）仅适合平面上的分解；2）仅适合矩形表面的分解。使用Actran中的薄膜分析法，在波数分解可以适用真实车窗形状，如非长方形车窗、非平面车窗。薄膜分析法利用侧窗薄膜声学模态基进行分解

图4-4 薄膜模态叠加原理（模态振型叠加）

图4-5 根据传播速度分解出声压与湍流压力参与因子

图4-6 基于声学薄膜模态分析的波数分解计算流程（Actran软件自带薄膜模态计算案例）

下面案例以薄膜模态压力为激励，以车内声压为响应。当声波在结构中和空气中传播时，波长分别为：

结构波长

声学波长

而流体流动本身是以对流速度往前传播，此时波长为：

湍流波长

通过薄膜模态分解的方式，以侧窗薄膜模态作为压力传入车内的信息传递中间“媒质”，可以将整个信息传递过程写成两个传递函数的乘积。

图4-7 侧窗薄膜模态至车内声压的传递函数

因此气动声源表面声压传递至车内的函数（响应曲线），可以理解为图4-5和图4-7两个传递关系的乘积，如下图所示：

图4-8 侧窗表面声压至车内传递函数

将传递关系中加入中间量薄膜模态的优势在于可以降低针对优化的多次数值计算的时间。例如，若仅改动外气动造型，那么需要重新计算流场以及薄膜模态分解，但是并不需要再一次计算薄膜模态向车内的传播；若仅改变车内的设计，如改变声学包的吸音性质，则只需要重新计算薄膜模态向车内的传播，而不需要再一次计算外部压力波动的分解。

5总结

通过两期的汽车风噪声文章，向读者介绍了Actran软件在汽车风噪声仿真方面的计算方法、计算流程及部分相关设置，希望大家可以通过阅读文章有所收获。

使用Actran进行汽车风噪声仿真分析流程特点总结：

	非定常可压CFD + Actran	非定常不可压CFD + Actran	定常CFD + Actran SNGR
CFD计算成本 （网格密度，时间步长，耗时）	高	中	低
气动声源计算工具	CFD （将声源传递至车窗表面）	CFD + Actran （提取窗附近体积声源）	CFD + Actran （提取窗附近体积声源；统计重构非定常数值）
仿真的预测性	强	强	中
适用性	外造型精细设计；车窗及密封条精细设计	外造型精细设计；车窗及密封条精细设计	快速比较外造型

  针对这两篇文章中的任何问题请您在文章后留言，或邮件联系china@fft.be

本文引用文献：

【1】：Matthias Riegel, Wind Noise – A dominant source for in-cabin noise in comparison to other noise sources of a vehicle, CFD/DAGA 2004

【2】：Kei Anbo et al, Transmission mechanism of flow-induced noise from the forward facing step through the glass plate, Actran Users’ Conference 2012, Brussels

【3】：J. Jacqmot et al, Vibro-aero-acoustic simulation of side mirror wind noise and strategies to evaluate pressure contributions , ISMA 2016， Leuven

孤独夜徘徊

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CAE大拿

孤独夜徘徊 发表于 2018-8-15 20:47
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