基于聲學有限元法的汽車風噪聲仿真方法研究

許志寶，汪東斌，李忠禹，徐寅生

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于聲學有限元法的汽車風噪聲仿真方法研究

許志寶，汪東斌，李忠禹，徐寅生

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于聲學有限元計算方法，借助 CFD軟件進行了某 SUV車型外流場模擬，將外流場分析數據導入 LMS Virtual.Lab Acoustic聲學有限元模塊進行氣動噪聲車內聲場的響應研究。通過流場與聲場的耦合求解，完成車內監測點的聲壓頻譜計算，并與試驗數據進行對比發現，該仿真方法精度高，工程應用潛力大。

氣動噪聲；聲學有限元方法

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-77-03

引言

有限元理論經過幾十年的發展，已在工業領域得到廣泛的應用。而長期以來，受硬件資源限制及超大計算量的影響，聲學問題，尤其高頻聲學問題，往往無法應用有限元方法進行開展。近些年，隨著硬件計算資源的豐富，應用有限元方法進行大規模聲學問題解算，已經初步具備條件。

汽車氣動噪聲是由于車輛在高速行駛中，車輛對氣流擾動產生的壓力脈動產生，因此進行汽車瞬態流場仿真，獲取車外的壓力波動可以對車輛風噪聲性能進行初步評估。進行表面壓力與試驗的驗證分析，可以對瞬態流場仿真結果進行評價，是進行車內聲場仿真準確性最初步的判定。本文以某在研SUV車型氣動噪聲風洞試驗數據為基礎，通過進行車外流場相關性對比、車內聲場相關性對比，對基于聲學有限元法的汽車風噪仿真方法進行校驗，以期證明該方法能夠應用于車輛氣動噪聲性能開發。

1 流場模型搭建

在前處理軟件Ansa中對該SUV車型整車數模進行幾何清理，并完成面網格劃分。之后網格文件導入流體通用分析軟件 STAR-CCM+中，創建一適當大風洞，其表面進行三角化網格處理，各部分網格均體現車型的設計狀態。在最為關注的A柱、前風擋玻璃密封條、后視鏡、駕駛員側的側窗玻璃及玻璃水切和密封膠條均保留詳細幾何，所有縫隙保留至少一個單元的深度，網格進行細化。

圖1 仿真模型

由于需要進行外部流場仿真精度的相關性對比，需要在側窗玻璃表面建立試驗中表面麥克風模型，用以更加準確的撲捉側窗表面信息。計算域生成Trimmer流體網格，計算域整體網格規模近一億。

圖2 側窗表面建模

設定風速為 120kph，進行 0.5s瞬態計算，時間步長為2E-5 s，計算按時間步自動輸出側窗玻璃表面壓力脈動數據，同時對側窗表面麥克風位置進行監測點設定，采集各點位置隨時間變化的脈動壓力信息。

2 側窗表面麥克風數據對比

圖3 外場測點仿真數據與試驗數據對比

車外流場相關性的對比，主要思路是借助側窗玻璃的表面麥克風數據與仿真數據進行對比。瞬態計算完畢，得到側窗表面各點的隨時間變化的壓力信息，通過快速傅里葉變換，將總的計算時間的后 0.3s時間內數據進行時域向頻域的轉化，從而得到各麥克風對應位置處的SPL曲線。圖3中分別對5個側窗外表面麥克風測點進行了對比。

由上述圖線發現，在400Hz到20000Hz頻率上聲壓級的分布可知，目標頻域范圍內，仿真與試驗結果比較接近。在400Hz-20000Hz區間內的總聲壓級偏差均在5dB以內。

通過側窗表面麥克風位置仿真與試驗的數據對比，可初步判定，風噪分析過程中，外場數據的仿真準確性得到了驗證，也就是用于聲場響應計算的邊界條件是符合要求的。

3 聲場模型搭建

進行車內風噪聲計算，需要進行駕駛室聲腔網格的準備。同時，連接外部流場與車內聲場的，是側窗玻璃等結構部件，因此同樣需要進行側窗玻璃模型的搭建。

3.1 側窗玻璃結構網格準備

從整車模型中，將側窗玻璃分離出來，可將側窗玻璃視為一大平板，可直接對其進行結構網格劃分，劃分尺寸為5mm。

3.2 乘員艙聲腔網格準備

進行乘員艙聲學網格制作，根據網格尺寸和網格截斷頻率的關系：最大聲腔網格尺寸為14mm。

圖4 側窗玻璃結構網格及乘員艙聲腔網格模型

3.3 聲場場點布置

該車型實車風洞試驗，車內布置了人工頭進行聲學響應的采集，如圖5所示。為保證仿真結果的一致性，需要在聲場計算前，進行場點設定，從而得到響應位置的聲學信息。

圖5 人工頭測點位置及聲場仿真過程中監測點的對應位置

4 車內響應分析

4.1 聲學計算模型搭建

在LMS Virtual.Lab Acoustic模塊下導入流場數據、側窗結構網格、車輛駕駛艙聲腔網格。首先進行流場數據向側窗結構的數據轉移，期間進行傅里葉變換，將流場計算中隨時間步輸出的側窗壓力時域數據轉換成頻域數據；在駕駛艙聲腔內建一駕駛員耳旁測點。同時，為考慮駕駛艙內吸隔聲性能，需分別對各關鍵部位，如頂棚、地毯等區域進行材料屬性賦予， 之后采用直接聲振耦合方法進行計算分析，模型搭建完畢如下圖所示。

圖6 側窗風噪計算模型與結構樹

4.2 結果分析

圖7為400Hz到4000Hz頻率段上聲壓級的分布，計算的總聲壓級為66.52dB，風洞試驗的測試結果為64.74dB，仿真結果與風洞試驗測試結果對應較好，差別為2.7%。

圖7 相關性數據在400Hz到4000Hz頻率段上SPL曲線對比

在風噪車內響應寬頻數據的處理中，可以采用趨勢線進行相關性對比，通過趨勢線的對比可以看出，仿真分析與測試結果趨勢一至，并且最大的差別出現在 2000Hz處，差別最大為5dB。可認為仿真結果與測試結果一至性較好。

圖8 監測點處試驗與仿真聲壓級趨勢線對比

5 結論

風噪車輛外部流場計算是風噪聲仿真的基礎，也是最為耗時的過程，為能夠準確撲捉車輛外形細部流動特征，需進行毫米量級的網格加密，通過加密處理及合理的瞬態時間步長布置，能夠得到較好的外部流場信息。

采用CFD與聲學有限元方法相結合，進行車輛風噪聲仿真分析得到很好的結果，通過本次方法研究，充分證明了該方法的可用性。隨著各大主機廠硬件資源的擴展，以及超算資源愈發充裕，基于聲學有限元法的車輛風噪聲仿真分析方法將得到很好的推廣和應用。

Method Study of Automotive Wind Noise Simulation Based on the Acoustic FEM

Xu Zhibao, Wang Dongbin, Li Zhongyu, Xu Yinsheng
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

Base on the acoustic finite element calculation method, and make use of CFD software to simulate one SUV external flow field,then import the external flow field data into the LMS Virtual. Lab Acoustic FEM module and study the aero-acoustic of internal sound field response. By means of the coupling solving of flow field and sound field, complete the calculation of sound pressure spectrum of internal monitoring points. Comparing with the testing data,it is found that this simulation method has high accuracy,and has great engineering application potential.

Aero-acoustic; Acoustic finite element method

U467.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-77-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.026

許志寶，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。