Actran对汽车天窗气动噪声的分析与解决

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一、引言：

汽车天窗安装于车顶，能使车内空气流通，开阔视野，也常用于移动摄影摄像的拍摄需求；随着发动机噪声、传动系噪声和轮胎噪声得到有效控制以及车速的不断提高,气动噪声已成为当前高速车辆的主要噪声源之一；汽车天窗会因玻璃的不同位置和状态带来不同的风噪特性。二、背景知识：1、汽车天窗降噪必要性1）当天窗玻璃处于完全开启时,车内乘客经常可以听到头顶处发出嗡嗡的低频（小于20Hz）强噪音（大于100dB）2）这种由风的振动产生的噪声是风噪的一个重要组成部分，虽不易被人耳听到，但其产生的脉动压力却能使乘客感到烦躁和疲惫2、汽车天窗噪声机理1） 当汽车天窗开启时，车厢内就如同一个空腔2）当天窗附近涡团的发散频率与汽车内部空气的固有频率正好一致时，产生亥姆霍茨共振现象3） 汽车天窗风振属于亥姆霍茨共振的一种，根据其噪声产生机理得出预测其噪声频率公式：式中：f 是风振噪声频率；c 是声速；A 是天窗打开区域的面积；V 是车内体积；h 是天窗厚度；D 是天窗打开区域的等效圆直径。

三、汽车天窗仿真研究方法：

采用混合算法， 运用CFD与专业声学软件Actran耦合算法，进行气动噪声计算，CFD运用大涡数值模拟方法
本文采用两种汽车模型进行天窗气动噪声研究：1、简化车体模型 2、实车模型
1、简化车体模型及网格1） CFD网格采用四面体网格，对于流场网格，车体表面网格取20mm；体网格为8层边界层，增长率设为1.05， CFD网格量在800万左右2）声学网格只需满足每波长6网格即可，声学网格量约100万模型设置流场设置1）入口条件为30m/s；2）非定常计算，LES模型，时间步长设为0.001s3）导出200个时间步的流场信息，fmax =500Hz，Δf=5Hz
声场设置1）车身表面可看做刚体，空腔内部及车身表面附近空气域可定义为声学有限元2）可以认为声音向自由场中传播，由此定义出一个声学无限元3）为了模拟人耳处的SPL曲线，需要设置麦克风，即定义一个场点4）由于声源区是由CFD计算结果获得，并通过Lighthill声类比进行转换，所以要定义一个Lighthill volume作为气动声源区
声学计算结果1）为分析车内部声学响应，建立9个场点，场点位于车内对称面上2）下图为9个场点声压级响应频谱曲线，总体上频谱特性类似，在f=15Hz、25Hz、50Hz时存在极值点
3）天窗开口处即点1处声压级较高，主要是由于此处存在剪切层涡脱落，流动复杂所致
4）f=15Hz时，噪声极值处主要集中在腔体开口处，此频率为共振频率5）f=25Hz、f=50Hz、80Hz时出现峰值， 是由于腔内部发生共振所致，这可以由下图（b）、（c）看出6）对于此类“大腔体小开口”的空腔，腔内部声场将会出现由几何尺寸决定的声学驻波模态
2、实车模型模型及网格1）实车模型采用标准米拉模型，内含内饰和假人（前排两个，后排两个），采用与简化模型完全相同的计算方法2）计算域的选择满足阻塞比较小的要求3）边界条件的设置如右图所示，采用速度入口，压力出口边界，另外轿车底部采用滑移壁面边界条件4）假人及车内部空腔处网格尺寸为10mm，天窗尺寸为300*650mm，天窗顶部网格尺寸为10mm“声源截断技术”——声源滤波1）声源滤波效应主要运用在流场边界条件对声源影响较大区域，或者声源区网格粗糙的地方，这些区域声源并不准确，需要通过滤波操作，去除假性声源2）从距离体声源外表面为0.12m的地方开始按照cosine函数的形式开始衰减，到外表面上声源衰减为0，即此时的声源参与系数为0
声源滤波1）下图曲线A为考虑声源截断，曲线B为不考虑声源截断2）本算例有无声源滤波操作对计算结果影响较小3）声源区域离流场边界处较远，流场边界对其影响可以忽略，另外声源区域边界处的声源相对较小，因此声源截断时的误差相对较小声源区源项分布1）从车身后缘脱落的大尺度涡源主要集中在低频范围，这部分低频声源在（a）、（b）、（c）上清晰可见2）车身底部和地面形成的狭窄空间形成较强的气动噪声源，随频率升高逐渐减弱3）小于50Hz的低频段，大涡携带的声能量主要集中在天窗之后的流场分离点至距离车尾1-2m的范围内。而在50Hz以上，天窗处的声能量逐渐占据主要地位声学计算结果 乘员人耳处声压级响应1）所有乘员人耳处监测点设置如下图所示。为了便于区分，编号1为驾驶员，2为前排右侧乘员，3为后排左侧乘员，4为后排右侧乘员
2）各个点处声压级响应频谱类似，在17Hz、30Hz、60Hz、84Hz时存在极值点，并且在30Hz时，声压级达到112dB
3）随着频率的升高，特别是在100Hz以后，声能量下降速度较快4）天窗噪声对乘员的影响主要集中在100Hz以下的低频段 声压级分布云图1）17Hz时噪声主要集中在天窗及尾部区域，尤其是在尾部区域，形成明显的噪声极值区域，这主要是由于车身尾部大尺度涡脱落形成的低频噪声2）30Hz、 60Hz、84Hz时，乘员舱室内部为噪声极大值区，这三个频率主要是由于天窗处剪切流与乘员舱声模态相匹配，发生共振所致3）车身底部和地面形成的狭窄空 间内由于湍流声源传播过程中多次反射形成类似腔室特征的混合声场， 其噪声级相对其它位置较强总声压级计算不同位置的人耳处A计权总声压级非常接近，最大处为后排左侧乘员的左耳处，为88.3dB（A），最小处为后排右侧乘员左耳处为86.4dB（A）。

四、总结：

本文利用气动声学混合方法，模拟天窗气动噪声问题。研究对象包含简化车体模型、实车模型，分析得到以下结论：天窗风振的频率1）汽车天窗及乘员舱室形成的未封闭腔体，导致在某些共振频率处车内乘客人耳处声压级较大2）除一阶共振频率外，其他共振频率由腔体的几何形状确定窗风振的声能量分布

特征：

1）较低频率处，声能量主要集中在天窗后缘并向下游发展，一直到距离车尾1-2m处2）频率较高时，声能量主要集中在天窗及乘员舱室内可以通过仿真分析手段，预测天窗共振频率，并进行天窗优化设计。


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