基于有限元法的車內風噪聲預測研究

鄒 銳，張祥東，史晨路

（1.河北工業大學，天津 300401；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300399）

引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對汽車產品舒適性要求進一步提高，世界各國對汽車車內噪聲限值要求更加嚴格。當汽車處于中低速勻速行駛時，輪胎與路面摩擦所引起的滾動噪聲占主要成份，在中低速加速行駛時，發動機負載增加，發動機噪聲成為主要噪聲源，而高速行駛時，空氣與車身之間的摩擦形成的風噪聲成了主要噪聲源[1-2]。隨著汽車技術不斷發展，汽車行駛速度不斷提高，降低風噪聲對整車NVH性能的提升有著重要意義。

目前對于整車風噪的研究主要分為風洞（路試）試驗和仿真模擬。由于試驗成本高且周期長，仿真模擬為汽車風噪研究提供了便捷手段，其主要是以計算流體力學（CFD）與氣動聲學結合的方式。而對于車內風噪的仿真計算方法大致分為有限元法（FEM）與統計能量法（SEA），由于方法理論的不同，統計能量法對風噪的仿真計算主要在中高頻段，有限元法的主要研究范圍在中低頻段[3]。由于車內風噪聲壓級能量主要集中在中低頻段，因此應用有限元法可以更針對性分析風噪聲客觀測試值與仿真值的符合性。

對氣動噪聲向車內傳播途徑的研究，是有效降低車內氣流噪聲的方法之一。文獻[4-5]研究表明：汽車在高速運行時，外部將產生巨大的脈動壓力，其作用于車身外表面，并在車內產生較大的氣流噪聲，是形成車內外氣流噪聲的根源。特別是車身上A柱后部的側窗附近存在著強烈渦流，是影響車內氣流噪聲最主要的聲源[6]。而側窗玻璃也是汽車最薄弱的部分，大部分氣動噪聲都是通過側窗玻璃傳遞到車內的。

本文運用聲學有限元法對某車型進行高速車內風噪聲仿真。首先，通過計算流體力學（CFD）軟件計算駕駛員側窗玻璃的力學響應，得到側窗玻璃壓力信號，并以此為噪聲激勵源。在通過基于模態的聲振耦合響應分析方法，計算駕駛員左耳處聲壓級大小。對比道路試驗數據，分析此仿真方法對于高速車內風噪聲預測的可行性與有效性，并在此基礎上研究側窗玻璃約束對仿真結果的影響。

1 數值模擬

1.1 外流場仿真

本文采用1:1某實車模型作為研究對象，整車尺寸大小為：4660 mm×1840 mm×1640 mm。對整車外表面進行幾何處理，劃分外表面網格，全部采用三角形網格，網格大小不大于16 mm，特別是對風噪影響明顯的地方進行細劃，采用4 mm，比如后視鏡，A柱等。劃分好的整車外表面網格如圖1所示。

圖1 整車外表面網格

運用流體仿真軟件STAR_CCM+對整車模型進行外流場仿真，模擬風洞試驗，設置三個不同的加密區，由于多面體網格具有數量少、精度高、適用性好等特點，可以節省計算資源，所以體網格采用多面體網格進行劃分，最終生成如圖2所示體網格。運用大渦模擬數值模擬方法，風速設置為120 kph，進行1.5 s瞬態計算，時間步長為1.5E-4 s，在1.2 s～1.5 s時間段，每隔一個時間步長提取一個駕駛員側窗玻璃的壓力信號，最終得到2000個側窗玻璃上聲源信息。

圖2 車身附近體網格示意圖

1.2 車內風噪聲仿真

在進行車內噪聲仿真時，首先需要準備整車的聲腔網格，本文預計算20～3000 Hz頻段數據，由于網格尺寸和網格截斷頻率的關系，聲腔網格的最大尺寸為16 mm。還需準備側窗玻璃的結構網格與結構模態，運用單向彈簧單元對側窗玻璃四周進行約束，彈簧單元的單向剛度k值設為40 N/mm，并計算側窗玻璃前3000 Hz的結構模態。最終得到的聲腔網格和側窗玻璃結構模態如圖3所示。

圖3 聲腔網格與結構模態

采用聲學有限元法對整車高速風噪聲進行仿真。將外流場仿真得到的聲源信息導入聲學求解器，在依次導入側窗玻璃結構網格，結構模態和整車聲腔網格。首先進行數據轉移，將側窗玻璃上的脈動壓力信息映射到側窗玻璃結構網格上，期間進行傅里葉變換，把時域的脈動壓力信號轉換成頻域信號。

駕駛員左右耳相距較近，在聲壓上變化不大，但由于駕駛員左耳比右耳更接近車外，所以比較駕駛員左耳聲壓更能反映車內的聲壓級大小。在聲腔網格駕駛員左耳旁建立場點網格，用以拾取駕駛員左耳處聲壓大小。由于真實車輛車內有許多吸聲材料，對車內噪聲有顯著改善，在汽車主要吸聲部位，頂棚、地板和座椅上賦予吸聲材料屬性，用以模擬實際的吸聲效果。此計算方法主要運用吸聲材料的聲阻抗屬性，主要通過阻抗管試驗測得，最終得到隨頻率變化的帶有實部虛部的聲阻抗參數。最后，在聲腔模型側窗玻璃處建立一個側窗玻璃大小的組，以這個組作為聲振耦合邊界，聲音將從此處傳入車內。運用基于模態的聲振耦合響應分析方法，計算20～3000 Hz的車內聲壓級大小，仿真過程如圖4所示。

圖4 基于模態的聲振耦合響應分析

2 道路試驗與仿真結果對比分析

2.1 道路試驗

進行道路試驗，如圖5所示，在駕駛員左右耳處粘貼上聲傳感器，開始試驗，關閉所有車門車窗，使車輛加速到120 km/h，并保持勻速，此時開始測量，測量頻率范圍為20Hz～3000 Hz，且頻率分辨率為1 Hz，測量多組數據，測試時間為10 s左右，選擇頻譜曲線較為接近的三組數據，且此三組數據的總聲壓級的誤差范圍在0.2 dB以內，最后將三組數據求取平均值，得到精確的高速車內風噪聲數據。

圖5 高速擋分動箱與車架支承處的動反力

圖5 傳感器布置形式

2.2 仿真結果對比分析

仿真計算了車速在120 km/h時20 Hz～3000 Hz頻段駕駛員左耳處聲壓級大小，圖6為駕駛員左耳處仿真結果與道路試驗結果的對比圖，圖7為仿真值與試驗值的趨勢線對比圖，由圖可以看出仿真值與試驗值趨勢具有較好的一致性，且兩者趨勢線也較為吻合，證明此仿真方法對高速車內風噪聲預測具有可行性和有效性，能夠滿足研究需求。

圖6 試驗值與仿真值聲壓級對比

圖7 試驗值與仿真值趨勢線對比

由趨勢線圖可以看出，低頻時，試驗值明顯高于仿真值，且試驗值總的聲壓級高于仿真值。這是由于道路試驗時，不僅只有風噪聲，還會有發動機噪聲、滾動噪聲等其他噪聲的參與，且側窗玻璃結構約束也有一定影響。而高頻時，仿真值高于試驗值，這是因為車內吸聲材料的種類和布置不可能完全符合實際，且網格質量和大小對其也有一定影響。

3 側窗玻璃約束對結果的影響

3.1 側窗玻璃固定約束

側窗玻璃約束影響了玻璃的結構模態，進而影響了車內聲壓計算。當側窗玻璃四周固定約束時，得到的駕駛員左耳聲壓級曲線與試驗值對比如圖8所示。可以看出，在前1000 Hz聲壓級明顯與試驗值不同，而在1000 Hz以后，聲壓級曲線逐漸與試驗值相符。這是由于固定約束對玻璃低階頻率的結構模態影響巨大，而隨著模態階數的提高，約束力對結構模態的影響逐漸減小。

圖8 試驗值與固定約束聲壓級對比

3.2 側窗玻璃單向彈簧約束

由于實際車輛的側窗玻璃并不是剛性連接的，所以仿真值與試驗值相差甚遠。實際車輛的側窗玻璃是由玻璃水切和玻璃呢槽約束住的，它可以自由地上下升降。為了模擬這種約束，采用了單向彈簧單元對側窗玻璃四周進行約束，一端連接側窗玻璃，另一端用固定約束固定，如圖9所示。單向彈簧單元可以調整彈簧剛度k值的大小來調整約束力的大小，進而影響玻璃結構模態，如圖6就采用了單向彈簧約束，從圖中可以看出，采用單向彈簧約束能夠很好地模擬側窗玻璃約束，仿真精度大大提高，滿足了仿真研究要求。

圖9 單向彈簧約束

3.3 彈簧單元約束k值影響

由于汽車行駛過程中，側窗玻璃約束力大小是變化的，為了得到較為有效的k值大小，設置不同的剛度系數k，比較不同k值對仿真結果的影響。剛度系數k分別設置了20 N/mm、40 N/mm、60 N/mm、100 N/mm、200 N/mm、400 N/mm、800 N/mm。由圖10可知，不同k值對側窗玻璃結構模態影響的頻率范圍不同，隨著k值的增大，影響的頻率范圍也越大，但都是從低頻開始影響，逐漸向高頻擴大。隨著k值的增長，影響頻段范圍也逐漸增長緩慢，且影響頻段之外的頻段仿真結果一致。

圖10 不同k值影響頻段

由于k值不同，影響的頻率范圍不同，本文將以1/3倍頻程方式對比不同k值對不同頻段的影響。如圖11設置了20 N/mm、40 N/mm、60 N/mm、100 N/mm不同的k值，分別記作k20、k40、k60、k100（下同）。由圖可知，以50 Hz、125 Hz、400 Hz為中心頻率的頻段內變化十分明顯，最大差距有18 dB左右，而其它頻段幾乎沒有變化；且50 Hz、125 Hz為中心頻率頻段的聲壓級則隨著k值的增大而減小；而400 Hz頻段內聲壓級隨著k值增大而增大。對比試驗值，低頻時不同k值下，試驗值普遍高于仿真值，這是由于道路試驗不單單只有風噪，還有其它噪聲的影響，比如路噪、發動機噪聲等，同時剛度系數k也有一定影響；到中高頻段，試驗值與仿真值基本相符。

圖11 k20～k100對應1/3倍頻程

由圖12可知，隨著剛度系數k值的進一步增大，受影響的頻段也進一步增多，尤其是在中心頻率為315 Hz和400 Hz頻段。315Hz頻段隨著k值增大，聲壓級迅速增大，且變化十分明顯；而400 Hz頻段則隨著k值增大，聲壓級迅速減小。從總體來看，試驗值隨著頻率的增加，聲壓級基本成平緩的下降趨勢。所以聲壓級突然的升高或降低將引起劇烈的峰值波動。從圖中可以看出，仿真聲壓級隨著k值的增大，聲壓級峰值波動愈加劇烈，影響仿真精度。對比圖11，k值越小，受影響頻率范圍越小，但低頻段的聲壓級峰值波動越劇烈。綜上所述，k40剛好處于適中位置，可以有效模擬側窗玻璃結構約束，仿真結果如圖6所示。

圖12 k100～k400對應1/3倍頻程

如圖13所示，當k值加大到800 N/mm時，250 Hz、800 Hz頻段聲壓級明顯升高，且峰值波動劇烈。隨著k值繼續增大，側窗玻璃結構模態受影響頻率范圍增加減緩，且側窗玻璃結構約束對高階模態影響逐漸減弱，k值對1000 Hz以后的高頻段聲壓級影響逐漸減弱，基本與試驗值相符。而k值再進一步增大，已不符合實際，且仿真精度也得不到提高。綜上所述，k值對仿真精度的影響主要集中在中低頻段。

圖13 k400～k800對應1/3倍頻程

4 結束語

本文主要運用計算流體力學（CFD）與聲學有限元（FEM）結合的方法對高速車內風噪聲進行仿真研究。運用基于模態的聲振耦合響應分析方法計算駕駛員左耳處聲壓級大小，對比道路試驗結果，證明此仿真方法具有可行性與有效性。運用單向彈簧單元對側窗玻璃進行約束，以達到模擬實際車窗約束效果，對比不同彈簧剛度k對仿真結果的影響，發現不同k值對不同頻段的影響也不同，主要集中在中低頻段。k值越大，影響頻率范圍越大，影響頻段越多，聲壓級峰值波動劇烈；k值越小，低頻峰值波動劇烈。對比分析，發現k值為40 N/mm左右時，仿真精度較好，達到了預期研究效果。