【技術應用】Actran對汽車天窗氣動噪聲的分析與解決

2016-10-26 by:CAE仿真在線來源:互聯網

汽車天窗安裝于車頂,能使車內空氣流通,開闊視野,也常用于移動攝影攝像的拍攝需求;隨著發動機噪聲、傳動系噪聲和輪胎噪聲得到有效控制以及車速的不斷提高,氣動噪聲已成為當前高速車輛的主要噪聲源之一;汽車天窗會因玻璃的不同位置和狀態帶來不同的風噪特性。

背景知識

1汽車天窗降噪必要性 1. 當天窗玻璃處于完全開啟時,車內乘客經常可以聽到頭頂處發出嗡嗡的低頻(小于20Hz)強噪音(大于100dB)2. 這種由風的振動產生的噪聲是風噪的一個重要組成部分,雖不易被人耳聽到,但其產生的脈動壓力卻能使乘客感到煩躁和疲憊

2汽車天窗噪聲機理 1. 當汽車天窗開啟時,車廂內就如同一個空腔2. 當天窗附近渦團的發散頻率與汽車內部空氣的固有頻率正好一致時,產生亥姆霍茨共振現象3. 汽車天窗風振屬于亥姆霍茨共振的一種,根據其噪聲產生機理得出預測其噪聲頻率公式:

式中:f 是風振噪聲頻率;c 是聲速;A 是天窗打開區域的面積;V 是車內體積;h 是天窗厚度;D 是天窗打開區域的等效圓直徑。

汽車天窗仿真研究方法

采用混合算法, 運用CFD與專業聲學軟件Actran耦合算法,進行氣動噪聲計算,CFD運用大渦數值模擬方法

本文采用兩種汽車模型進行天窗氣動噪聲研究:

簡化車體模型
實車模型

1簡化車體模型及網格1. CFD網格采用四面體網格,對于流場網格,車體表面網格取20mm;體網格為8層邊界層,增長率設為1.05, CFD網格量在800萬左右2. 聲學網格只需滿足每波長6網格即可,聲學網格量約100萬模型設置流場設置1. 入口條件為30m/s;2. 非定常計算,LES模型,時間步長設為0.001s3. 導出200個時間步的流場信息,fmax =500Hz,Δf=5Hz
聲場設置1. 車身表面可看做剛體,空腔內部及車身表面附近空氣域可定義為聲學有限元2. 可以認為聲音向自由場中傳播,由此定義出一個聲學無限元3. 為了模擬人耳處的SPL曲線,需要設置麥克風,即定義一個場點4. 由于聲源區是由CFD計算結果獲得,并通過Lighthill聲類比進行轉換,所以要定義一個Lighthill volume作為氣動聲源區

聲學計算結果1. 為分析車內部聲學響應,建立9個場點,場點位于車內對稱面上2. 下圖為9個場點聲壓級響應頻譜曲線,總體上頻譜特性類似,在f=15Hz、25Hz、50Hz時存在極值點

3. 天窗開口處即點1處聲壓級較高,主要是由于此處存在剪切層渦脫落,流動復雜所致

4. f=15Hz時,噪聲極值處主要集中在腔體開口處,此頻率為共振頻率5. f=25Hz、f=50Hz、80Hz時出現峰值, 是由于腔內部發生共振所致,這可以由下圖(b)、(c)看出6. 對于此類“大腔體小開口”的空腔,腔內部聲場將會出現由幾何尺寸決定的聲學駐波模態

2實車模型模型及網格1. 實車模型采用標準米拉模型,內含內飾和假人(前排兩個,后排兩個),采用與簡化模型完全相同的計算方法2. 計算域的選擇滿足阻塞比較小的要求3. 邊界條件的設置如右圖所示,采用速度入口,壓力出口邊界,另外轎車底部采用滑移壁面邊界條件4. 假人及車內部空腔處網格尺寸為10mm,天窗尺寸為300*650mm,天窗頂部網格尺寸為10mm “聲源截斷技術”——聲源濾波1. 聲源濾波效應主要運用在流場邊界條件對聲源影響較大區域,或者聲源區網格粗糙的地方,這些區域聲源并不準確,需要通過濾波操作,去除假性聲源2. 從距離體聲源外表面為0.12m的地方開始按照cosine函數的形式開始衰減,到外表面上聲源衰減為0,即此時的聲源參與系數為0

聲源濾波1. 下圖曲線A為考慮聲源截斷,曲線B為不考慮聲源截斷2. 本算例有無聲源濾波操作對計算結果影響較小3. 聲源區域離流場邊界處較遠,流場邊界對其影響可以忽略,另外聲源區域邊界處的聲源相對較小,因此聲源截斷時的誤差相對較小

聲源區源項分布1. 從車身后緣脫落的大尺度渦源主要集中在低頻范圍,這部分低頻聲源在(a)、(b)、(c)上清晰可見2. 車身底部和地面形成的狹窄空間形成較強的氣動噪聲源,隨頻率升高逐漸減弱3. 小于50Hz的低頻段,大渦攜帶的聲能量主要集中在天窗之后的流場分離點至距離車尾1-2m的范圍內。而在50Hz以上,天窗處的聲能量逐漸占據主要地位

聲學計算結果乘員人耳處聲壓級響應1. 所有乘員人耳處監測點設置如下圖所示。為了便于區分,編號1為駕駛員,2為前排右側乘員,3為后排左側乘員,4為后排右側乘員

2. 各個點處聲壓級響應頻譜類似,在17Hz、30Hz、60Hz、84Hz時存在極值點,并且在30Hz時,聲壓級達到112dB

3. 隨著頻率的升高,特別是在100Hz以后,聲能量下降速度較快4. 天窗噪聲對乘員的影響主要集中在100Hz以下的低頻段聲壓級分布云圖1. 17Hz時噪聲主要集中在天窗及尾部區域,尤其是在尾部區域,形成明顯的噪聲極值區域,這主要是由于車身尾部大尺度渦脫落形成的低頻噪聲2. 30Hz、 60Hz、84Hz時,乘員艙室內部為噪聲極大值區,這三個頻率主要是由于天窗處剪切流與乘員艙聲模態相匹配,發生共振所致3. 車身底部和地面形成的狹窄空間內由于湍流聲源傳播過程中多次反射形成類似腔室特征的混合聲場, 其噪聲級相對其它位置較強