基于聲振主要傳播路徑的汽車風噪簡化模型評估

王毅剛, 焦 燕, 張 婕

(1. 上海市地面交通工具空氣動力與熱環(huán)境模擬重點實驗室, 上海 201804; 2. 同濟大學 上海地面交通工具風洞中心, 上海 201804)

0 引 言

隨著汽車行駛速度的不斷提高，車外風噪對車內(nèi)噪聲的貢獻愈顯突出，成為研究和車輛開發(fā)關(guān)注的重點內(nèi)容之一。從風噪研究手段的角度看，數(shù)值仿真計算和風洞實驗已成為不可或缺的研究途徑。基于統(tǒng)計能量分析方法(SEA)從車外向車內(nèi)傳遞風噪的數(shù)值模擬分析，由于車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)較多，對每個子系統(tǒng)要確定幾何、材料、力學、聲學等參數(shù)，而這些參數(shù)又不容易全面和準確地獲取，使得風噪傳遞的數(shù)值模擬極為繁瑣[1-2]?；谟邢拊瓦吔缭治龇椒ㄒ惨蚓W(wǎng)格多、計算量大而很復(fù)雜。所以，目前有多種簡化計算的方法使上述研究在工程計算中更為簡便[3-5]，如基于SEA的主要傳播路徑分析，基于有限元和邊界元方法簡化模型分析等。但從實車的工程應(yīng)用看，其近似度較大，結(jié)果甚至不可靠。因此，簡化模型的有效性需要進一步研究。另外，新車型開發(fā)階段的油泥車風噪風洞實驗較難評價車內(nèi)噪聲水平[1-3]，外部風噪測量和車體聲振傳遞分析相結(jié)合使評價油泥階段車的風噪水平成為可能。同樣，車外聲場和流體脈動測量以及向車內(nèi)傳聲的仿真計算工作量都大，車體簡化模型的使用對降低工作量有重要的意義，但仍需要對簡化模型的有效性開展進一步的研究。

本文基于上述風噪數(shù)值模擬和風洞實驗的需求，在某整車氣動噪聲主要傳播路徑分析的基礎(chǔ)上，針對幾種簡化模型進行仿真分析，探索基于SEA簡化模型預(yù)測車內(nèi)風噪的可行性，為開展車輛風噪數(shù)值仿真分析和風洞實驗研究提供參考。

1 車體SEA模型

研究以某款整車(如圖1)為研究對象，利用VA ONE商用軟件進行計算分析，采用的整車SEA模型如圖2所示。其激勵輸入?yún)?shù)工況:風速為140 km/h，風向為0°偏航角。

圖1 實驗整車實拍圖

圖2 某車型整車子系統(tǒng)總圖

本文研究在團隊前期工作(文獻[6])研究的基礎(chǔ)上開展。該整車的外部流場脈動和聲場子系統(tǒng)劃分原則和子系統(tǒng)劃分，子系統(tǒng)的各種物理參數(shù)(幾何、材料、力學和聲學等)及計算的可靠性均在文獻[6]中闡述，在此不贅述。

2 主要傳播路徑分析

應(yīng)用統(tǒng)計能量分析方法識別子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中主要能量傳遞途徑，采用功率流倒推法(power flow path-back tracking)[7]，即：選取車內(nèi)前、后排聲腔作為目標子系統(tǒng)，確定目標子系統(tǒng)前一級的能量流入較大的子系統(tǒng)為主要能量傳遞路線，依次類推，直到激勵源，組成主要的能量傳遞途徑。若出現(xiàn)功率流倒流，則該途徑不是主要的能量傳遞路線。車內(nèi)噪聲評價采用A計權(quán)聲級，在識別主要傳遞途徑中其功率流描述的物理量也用A計權(quán)聲功率級。

2.1 前排聲腔主要傳遞途徑

對整車在140 km/h無偏航角情況下的車內(nèi)噪聲進行計算，可以獲得從輸入到目標子系統(tǒng)(前排和后排聲空間)的多條能量傳播路徑，并根據(jù)功率流的大小進行比較分析及排序，確定主要傳播路徑，得到前排聲腔主要傳遞路徑，如圖3所示。圖中子系統(tǒng)間的數(shù)字代表兩子系統(tǒng)間的功率流大小，單位為dB(A)。

圖3 前排聲腔主要傳遞途徑[6]

2.2 后排聲腔主要傳遞途徑

后排聲腔主要傳播路徑如圖4所示，圖中子系統(tǒng)間的數(shù)字代表兩子系統(tǒng)間的功率流大小，單位為dB(A)。

圖4 后排聲腔主要傳遞途徑[6]

如圖4所示，后側(cè)窗、尾窗、前排聲空間是向車內(nèi)后排傳遞噪聲的最主要傳播路徑，且側(cè)窗傳遞的聲能量最大，尾窗和前排的貢獻量相當。后側(cè)窗和前側(cè)窗向車內(nèi)傳遞噪聲的方式相同；來自后門的聲振傳至尾窗周圍的框架，再傳至尾窗向車內(nèi)輻射噪聲；前排向后排也有聲能量傳遞。

2.3 主要傳遞途徑特點

分析表明，由于子系統(tǒng)繁多，歸納出13條主要傳遞途徑，分別通過湍流和擴散聲場激勵的單激勵及兩者同時激勵，分析其傳播特性，發(fā)現(xiàn)以下4類傳播路徑具有相似的傳播特性。分類總結(jié)如下：窗激勵→窗結(jié)構(gòu)→聲腔；門框激勵→門框結(jié)構(gòu)→窗結(jié)構(gòu)→聲腔；門板激勵→門板結(jié)構(gòu)→窗→聲腔；聲腔→聲腔，下文依次對其傳播特性進行分析。

(1) 窗激勵→窗結(jié)構(gòu)→聲腔

此類傳遞路徑包括前側(cè)窗激勵→前側(cè)窗→前排聲腔；天窗激勵→天窗→前排聲腔；后車窗激勵→后側(cè)窗→后排聲腔路徑。在此類路徑上，擴散聲場激勵的作用遠大于湍流激勵，擴散聲場通過車窗對車內(nèi)的乘客造成輻射。

(2) 門框激勵→門框結(jié)構(gòu)→窗結(jié)構(gòu)→聲腔

此類傳遞路徑包括前門門框激勵→前門車框→前擋→前排聲腔；前門上部門框激勵→前門上部門框→前擋→前排聲腔；后門車框激勵→后門車框→尾窗→后排聲腔路徑。該條傳播路徑之上，湍流激勵造成的影響遠遠大于擴散聲場激勵造成的影響，而湍流激勵的能量主要是通過板件，桿件之間的傳遞而傳到前后排聲腔對乘客造成影響。

(3) 門板激勵→門板結(jié)構(gòu)→窗→聲腔

此類傳遞路徑包括底板前部激勵→底板前部；前車門-下部激勵→前門聲腔；底板前部激勵→底板前部→底板后部；天窗前板激勵→天窗前板→天窗→前排聲腔；天窗前板激勵→天窗前板→頂部聲腔→后排聲腔；前車門-下部激勵；前車門后下部脈動激勵→前車門后下部路徑。在此類傳播路徑之上，聲能量輸入主要以脈動傳遞為主，聲傳播可以忽略。

(4) 聲腔→聲腔

其中包括前排聲腔→后排聲腔；底部聲腔→前排聲腔；前門聲腔→前排聲腔。聲腔之間的傳播特性為由車外空氣脈動產(chǎn)生的聲能量具有中頻偏低頻特性：車外空氣脈動激勵導(dǎo)致的聲腔間的聲能量傳遞具有中頻偏低頻特征，車外聲場激勵導(dǎo)致的聲腔間的聲能量傳遞具有中頻偏高頻特征。

3 簡化SEA模型的建立

為了簡化計算分析，又能反映主要傳播路徑的特征，依據(jù)上述主要傳播途徑結(jié)果(圖3和4)，建立了一種SEA簡化模型(簡化模型1)。

子系統(tǒng)包括：右前車窗、左前車窗、右后車窗、左后車窗、左后側(cè)車門后上部、右后側(cè)車門后上部、車底后板、前風擋、車底前板、前圍板、尾窗、右后門框上部、左后側(cè)車門前上部、左后門框上部、天窗、左前門框上部、右前門框上部、右后側(cè)車門前上部。

假設(shè)其他子系統(tǒng)在能量傳遞過程中不傳遞能量，可近似為剛體，此時這些子系統(tǒng)的彈性模量E和剪切模量G可近似為無限大，其泊松比無限接近于0。在計算中，可通過對這些子系統(tǒng)材料的彈性模量放大100倍來實現(xiàn)它們不傳遞能量的目的，而主要傳遞能量的子系統(tǒng)其參數(shù)按照真實情況處理。

該簡化模型中窗結(jié)構(gòu)成為傳遞噪聲能量的重要子系統(tǒng)，在一些工程計算中就有僅將車窗作為子系統(tǒng)、其余子系統(tǒng)簡化為剛體的處理方式。所以，本文建立的另一個簡化模型(簡化模型2)的主要子系統(tǒng)包括：前風擋、尾窗、天窗、右前側(cè)窗、左前側(cè)窗、右后側(cè)窗、左后側(cè)窗、左側(cè)三角窗和右側(cè)三角窗。

分別對簡化模型1和簡化模型2車內(nèi)噪聲進行計算，可得到表1的車內(nèi)總噪聲級計算結(jié)果。表中的-f，-r分別代表前后排，prototype、rigid1和 rigid2分別表示原模型、簡化模型1和簡化模型2。

表1 等效前后排綜合聲壓級對比Table 1 Equivalent front and rear integrated sound pressure level comparison

由表1可知，簡化模型和原車模型車內(nèi)噪聲結(jié)果差異較大，前排總聲壓級相較于原型分別上升6.75和4.09 dB(A)，后排綜合聲壓級上升5.44和4.16 dB(A)。

圖5～6為原始模型和2種簡化模型前排和后排聲壓級頻譜圖。簡化模型與原型相比，幾乎整個頻段值都偏大，尤其在中低頻變化較大，且趨勢不同，最大差異超過5 dB(A)。從圖中還可以看出，模型1的結(jié)果在中低頻大于模型2的結(jié)果，在高頻相反。盡管模型1包含的子系統(tǒng)多于模型2，但其計算結(jié)果并沒有體現(xiàn)出其更接近真實情況。簡化模型前后排變化趨勢較一致，前排中低頻誤差更大一些，但都和原型結(jié)果有較大差異。

圖5 前排聲腔剛體化前后聲壓級頻譜圖

Fig.5Soundpressurelevelspectrumsbeforeandafterrigidizationoffrontrowcavity

上述研究分別采用較多的主要傳播路徑上的子系統(tǒng)以及最主要的傳遞能量的幾個子系統(tǒng)路徑模擬原系統(tǒng)，但和原模型相比誤差較大，其特征規(guī)律性不明確，說明通過簡化子系統(tǒng)來實現(xiàn)近似模擬實車的風噪傳遞特性可行性較差。

圖6 后排聲腔剛體化前后聲壓級頻譜圖

Fig.6Soundpressurelevelspectrumsbeforeandafterrigidizationofrearrowcavity

4 簡化SEA模型的結(jié)果分析

4.1 主要傳遞路徑對比

對簡化模型1進行主要路徑分析得到圖7～8前、后排能量的主要傳播路徑。傳至前排聲腔的有2條主要路徑：前風擋擴散聲場激勵→前風擋→前排聲腔；前門門框上部脈動激勵→前門門框上部→前風擋→前排聲腔。能量傳播至后排聲腔的也有2條主要路徑：前排聲腔→后排聲腔；后側(cè)窗擴散聲場激勵→后側(cè)窗→后排聲腔。

圖7 簡化后模型1前排主要傳播路徑

圖8 簡化后模型1后排主要傳播路徑

對簡化模型2進行主要路徑分析得到圖9～10前、后排能量的主要傳播路徑。傳至前排聲腔的只有一條主要路徑：前風擋擴散聲場激勵→前風擋→前排聲腔。傳至后排聲腔的有兩條主要路徑：前風擋擴散聲場激勵→前風擋→前排聲腔→后排聲腔；尾窗擴散聲場激勵→尾窗→后排聲腔。

圖9 簡化后模型2前排主要傳播路徑

Fig.9Mainpropagationpathoffront-rowforsimplifiedmodel2

圖10 簡化后模型2后排主要傳播路徑

可以得出：前排原路徑中側(cè)窗作為重要的能量傳遞子系統(tǒng)，在簡化模型中作用較小。同樣，后排原路徑中的尾窗頂板聲腔在模型簡化后，未成為能量傳遞的主要子系統(tǒng)。

將簡化模型2與原型進行對比，可以得出：原路徑前風擋的能量流入來源于門框上部，而在簡化模型中將前風擋兩側(cè)門框上部2個子系統(tǒng)等效為剛體(無法參與能量的傳遞)，故前風擋的主要能量流入來源于前風擋擴散聲場激勵。底部聲腔、前門聲腔、天窗等子系統(tǒng)均因上一層路徑的子系統(tǒng)是車身門板，被簡化為剛體(無法參與聲能量的傳遞)，故上一層路徑的能量無法傳遞到窗結(jié)構(gòu)。

4.2 功率響應(yīng)對比

從子系統(tǒng)輸入輸出的響應(yīng)來研究簡化模型的誤差原因。側(cè)窗與前風擋為噪聲傳遞的重要子系統(tǒng)，在簡化模型中，選取前后側(cè)窗、前風擋作為重要子系統(tǒng)進行響應(yīng)分析。

圖11為不同模型下前側(cè)窗的響應(yīng)特性，其激勵壓力譜相同，但其對應(yīng)的功率響應(yīng)不同。100～400 Hz時簡化模型1、2能量輸入頻譜與原型差值較大，400～4000 Hz時變化趨勢一致，可使用簡化模型進行高頻的噪聲預(yù)測。

圖11 3種模型下的前側(cè)窗能量輸入頻譜

圖12為不同模型下后側(cè)窗的響應(yīng)特性，其激勵壓力譜相同，但其對應(yīng)的功率響應(yīng)不同。100～630 Hz時，簡化模型1、2能量輸入頻譜與原型差值較大，最大可達27.99 dB(A)。1600～4000 Hz時變化趨勢一致。

圖13為不同模型下前風擋的響應(yīng)特性。簡化模型1與原型的功率響應(yīng)變化趨勢較為一致，最大差值為3.63 dB(A)。但簡化模型2則差異較大，最大差值為8.01 dB(A)。

從上述子系統(tǒng)對相同激勵的功率譜響應(yīng)看，對其他子系統(tǒng)剛性化處理使得子系統(tǒng)的邊界條件發(fā)生了變化，其響應(yīng)特性隨之發(fā)生變化，引起該條能量傳遞路徑的傳遞特性發(fā)生變化，致使簡化模型和原型的差異。

圖12 3種模型下的后側(cè)窗能量輸入頻譜

圖13 3種模型下的前風擋能量輸入頻譜

5 結(jié) 論

本文運用整車SEA模型，將主要傳播路徑上的子系統(tǒng)按照其傳播特性進行分類，保留其物理和幾何特性，對次要傳播路徑上的子系統(tǒng)進行剛化處理，建立了簡化模型1和2，以此研究簡化模型模擬真實結(jié)構(gòu)的近似性。研究結(jié)果表明：

(1) 通過簡化子系統(tǒng)來實現(xiàn)近似模擬實車的風噪傳遞特性誤差較大，可行性較差。

(2) 對整車模型的簡化處理，保留主要能量傳遞路徑上的子系統(tǒng)特征,剛性化其他次要子系統(tǒng)，一方面會導(dǎo)致能量傳播路徑發(fā)生變化(因為子系統(tǒng)能量進行了重新分配,導(dǎo)致傳遞路徑和特性改變)；另一方面次要子系統(tǒng)的剛性化處理,會改變簡化模型子系統(tǒng)的邊界條件,也會改變其響應(yīng)特性,從而導(dǎo)致能量傳遞路徑和傳遞特性的改變。上述2個原因都會引起簡化模型和原型的差異，所以簡化模型的使用要慎重,不能通過簡單的簡化替代原模型。

本文研究結(jié)果可以為如何得到更有效的簡化模型提供一個思路,就是在確定主要傳播路徑后,對次要傳播路徑上子系統(tǒng)傳遞的能量進行等效,此等效方法可根據(jù)子系統(tǒng)的類別及子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、聲振參數(shù)進行歸納,但此過程較為復(fù)雜,仍需要進一步研究。