搜索【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(lián)網(wǎng)
汽車天窗安裝于車頂,能使車內(nèi)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(fā)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(tài)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(nèi)乘客經(jīng)?？梢月牭筋^頂處發(fā)出嗡嗡的低頻(小于20Hz)強噪音(大于100dB)2. 這種由風的振動產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)就如同一個空腔2. 當天窗附近渦團的發(fā)散頻率與汽車內(nèi)部空氣的固有頻率正好一致時,產(chǎn)生亥姆霍茨共振現(xiàn)象3. 汽車天窗風振屬于亥姆霍茨共振的一種,根據(jù)其噪聲產(chǎn)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(qū)域的面積;V 是車內(nèi)體積;h 是天窗厚度;D 是天窗打開區(qū)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(yè)聲學軟件Actran耦合算法,進行氣動噪聲計算,CFD運用大渦數(shù)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
聲場設置1. 車身表面可看做剛體,空腔內(nèi)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(qū)是由CFD計算結(jié)果獲得,并通過Lighthill聲類比進行轉(zhuǎn)換,所以要定義一個Lighthill volume作為氣動聲源區(qū)
聲學計算結(jié)果1. 為分析車內(nèi)部聲學響應,建立9個場點,場點位于車內(nèi)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(xiàn)峰值, 是由于腔內(nèi)部發(fā)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(nèi)部聲場將會出現(xiàn)由幾何尺寸決定的聲學駐波模態(tài)
2實車模型 模型及網(wǎng)格1. 實車模型采用標準米拉模型,內(nèi)含內(nèi)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(nèi)部空腔處網(wǎng)格尺寸為10mm,天窗尺寸為300*650mm,天窗頂部網(wǎng)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(qū)域,或者聲源區(qū)網(wǎng)格粗糙的地方,這些區(qū)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(shù)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(shù)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(jié)果影響較小3. 聲源區(qū)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(qū)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(qū)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(nèi)。而在50Hz以上,天窗處的聲能量逐漸占據(jù)主要地位
聲學計算結(jié)果 乘員人耳處聲壓級響應1. 所有乘員人耳處監(jiān)測點設置如下圖所示。為了便于區(qū)分,編號1為駕駛員,2為前排右側(cè)乘員,3為后排左側(cè)乘員,4為后排右側(cè)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(qū)域,尤其是在尾部區(qū)域,形成明顯的噪聲極值區(qū)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(nèi)部為噪聲極大值區(qū),這三個頻率主要是由于天窗處剪切流與乘員艙聲模態(tài)相匹配,發(fā)生共振所致3. 車身底部和地面形成的狹窄空 間內(nèi)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
總聲壓級計算不同位置的人耳處A計權(quán)總聲壓級非常接近,最大處為后排左側(cè)乘員的左耳處,為88.3dB(A),最小處為后排右側(cè)乘員左耳處為86.4dB(A)。
總結(jié) 本文利用氣動聲學混合方法,模擬天窗氣動噪聲問題。研究對象包含簡化車體模型、實車模型,分析得到以下結(jié)論: 天窗風振的頻率1. 汽車天窗及乘員艙室形成的未封閉腔體,導致在某些共振頻率處車內(nèi)乘客人耳處聲壓級較大2. 除一階共振頻率外,其他共振頻率由腔體的幾何形狀確定
天窗風振的聲能量分布
特征
1. 較低頻率處,聲能量主要集中在天窗后緣并向下游發(fā)展,一直到距離車尾1-2m處2. 頻率較高時,聲能量主要集中在天窗及乘員艙室內(nèi)可以通過仿真分析手
段,預測天窗共振頻
率,并進行天窗優(yōu)化
設計。
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