汽车气动噪声外辐射声场的数值仿真概要.docx

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汽车气动噪声外辐射声场的数值仿真概要

2013年（第35卷第1期

汽车工程AutomotiveEngineering

汽车气动噪声外辐射声场的数值仿真牵

郑拯宇1’,李人宪1

（1.西南交通大学机械工程学院,成都610031;2.重庆理工大学重庆汽车学院,重庆400054

2013018

[摘要]从LighthiH声类比理论出发,将流体动力学技术与边界元法结合起来,在某轿车边界元模型中,导入流场边界脉动压力数据,并经转换和计算获得汽车表面附近的气动偶极子声源边界条件;采用直接边界元算法进行汽车气动噪声外辐射声场的数值仿真。

结果表明:

轿车表面的偶极子声源强度随频率增大而降低;在120km/h车速和2000Hz频率时后视镜附近声场的气动噪声声压级可达78dB左右;在同一频率下,轿车在纵向对称面上的气动声源辐射强度要大于地平面上的气动声源辐射强度。

关键词:

汽车气动噪声;偶极子声源;辐射声场;边界元法

NumericalSimulationontheExternalRadiationSound

FieldofVehicleAerodynamicNoise

ZhengZhengyul’2&LiRenxianl

1.SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUnivecsity,Chengdu610031;

2.ChongqlngAutomobileCollege,ChongqingUnb口ersityofTechnology,Chongqing400054

[Abstract]BasedonLighthillacousticanalogytheoryandcombiningboundaryelementmethod（BEMwithcomputationalfluiddynamics（CFD,thepulsatingpressuredataofflowfieldboundaryareinputintotheBEM

modelfora

passengercal",and

theboundaryconditionsofaerodynamicdipolesoundsourcenearcarsurfaceareob-tainedthroughconversionandcalculation.AnumericalsimulationontheexternalradiationsoundfieldofvehicleaerodynamicnoiseisconductedbyusingdirectBEM.Theresultsshowthattheintensityofdipolesoundsourceoncarsurfacedecreaseswiththeincreaseoffrequency,thesoundpressurelevelofaerodynamicnoisenearrearviewmirrorsisuptosome78dBat2,000Hzwithavehiclespeedof120km/h,andatthesamefrequency,theradiationintensityofaerodynamicsoundsourceonthelongitudinalsymmetricplaneofvehicleislargerthanthat013horizontalplane.

Keywords:

vehicleaerodynamicnoise;dipolesoundsource;radiationsoundfield;BEM

日!

j吞

气动噪声又称气流噪声。

当汽车高速行驶时,周围的空气在汽车表面附近形成流动状态十分复杂的湍流场,而流场中的涡运动将在车身表面附近形成一种压力脉动,这种压力脉动是诱发汽车产生气动噪声的主要原因。

研究表明:

气动噪声是与车速的6次方成正比¨五1。

随着车辆工程技术的发展,汽车其它噪声（诸如发动机噪声、传动系噪声等得到有效控制,而气动噪声则随着车速的不断提高而增强,并逐步成为汽车高速行驶时的主要噪声源之一。

这种气动噪声对于轿车乘坐舒适性以及对高速公路周边的环境噪声污染等指标产生重要影响∞‘5J。

国内外学者已在相关领域做了大量的研究工作,并取得一定进展怕4J。

但由于气动噪声是在

+高等学校博士学科点专项科研基金（20100184110002、重庆市科委自然科学基金项目（CSTC,2008BB7341和重庆市教委科学技术研究项目（KJl00S11资助。

原稿收到日期为2011年4月6口,修改稿收到日期为2011年9月22日。

万方数据

郑拯宇,等:

汽车气动噪声外辐射声场的数值仿真‘—里!

二

一个宽频带范围呈连续分布,故从实车实道现场采样数据中提取并分析气动噪声信号存在较大技术困难;静音风洞数量稀少、成本高;而目前相关的数值仿真技术则主要致力于车辆内部封闭空间的声场分析,或针对车辆外部流场中有限个离散点的噪声信号进行预测,或局限于选择某种基于稳态流场建立起来的宽带声源模型理论对车辆表面气动声源强弱的分布进行大致预判,而这些宽带声源模型在其理论推导过程中做了一系列必要的简化假设,忽略了湍流中涡旋在时间历程上对整体流场声能的影响,不仅精度不高,而且不能获得基于车辆表面气动声源的外辐射声场。

上述研究均不能对车辆外部空间气动噪声场进行较为全面、直观的认识和理解。

本文中从Lighthill声类比理论¨0。

11o出发,利用气动偶极子声源原理,将流体动力学数值分析技术与边界元声场分析方法结合起来,在某轿车边界元模型中,导人流场脉动压力数据并转换成气动偶极子声源边界条件,采用直接边界元算法进行基于气动偶极子声源的轿车气动噪声外辐射声场的数值仿真分析,为进一步研究轿车车身优化设计和高速公路沿线噪声环境控制的可行性方案提供数值依据。

文献中指出:

气动噪声中四极子声源与偶极子声源强度之比正比于马赫数的平方¨j,而地面行驶的汽车运动仍属于低速运动（远小于马赫数,其四极子源噪声强度远小于偶极子声源,故四极子源项（第1项亦可忽略不计。

因此适合车辆流场的Fw—H方程可简化为

等哪:

等一砉【p,6∽差】c2,式（2表明:

汽车高速行驶时,车身表面附近流场脉动压力p。

i所形成的车身表面偶极子声源决定了汽车外部的气动噪声辐射声场。

1.2边界元基本原理

边界元方法（boundaryelementmethod,BEM是分析声场问题最常用的方法,基本思想是基于格林公式的应用,即将一个区域上的积分转化为该区域边界上的积分,将问题的维数降低一维,从而使求解的方程数目大大降低。

1卜14J。

边界元法分为直接边界元法与间接边界元法两种,其中直接边界元法用于分析封闭结构的内声场或外声场,以解决声波的辐射和散射问题,其起点是外部Helmholz边界积分方程:

1Kghthill声源理论与边界元基本原理P（笕=巧[p（y望学一G（戈,,笔}]ds（,（3

1.1车辆气动噪声场中的声源理论

针对流场中运动存在运动固壁的情况,FfowcsWilliams和Hawkings扩展了Lighthill方程的解,得到如下FfowcsWilliams-Hawkings方程（简称Fw—H方程‘12|:

ic32pr矗警=堕OxiOx一珈艿∽期+珈舢鞠j

i川。

面。

——一面【p户…瓦J+面【助%w’面J（1式中:

p’为流场压力脉动量;a。

为声传播速度;瓦为Lighthill张量}pii为作用在运动固壁表面附近的压力;6∽为狄拉克-Delta函数;风是未受扰动的流体密度或均值。

式（1方程右边的第1项是四极子声源项,只存在于运动固体表面之外;第2项表示由表面脉动压力引起的声源,是偶极子声源项;第3项表示由表面加速度引起的声源,是单极子声源项。

第2、3项仅在固体表面上产生。

对于在空气流场中高速行驶的车辆,车身表面可视为刚性,体积脉动量几乎为零,所以单极子声源项（第3项积分可不必考虑;另外,式中:

p（茁和p（y分别为观测点x处的辐射压力和声源点Y处的脉动声压;刀为辐射源表面.s上Y点外法线向量。

在其推导过程中,Helmholz积分方程严格自动满足无界区域的Sommerfeld辐射条件:

1imf,f竺+i纫（,11:

o（47…L、or,J

式中:

r为声源指向观测点的矢量;p（,为helmholtz方程的解;k=2wf/Co为波数/为声源自振频率。

由此,外部辐射声场中任意一点戈处的声压与辐射源表面|s上的声压和声压梯度值之间就可以利用式（3联系起来。

本文中首先将所计算的车身表面附近流场的脉动压力数据导入声振耦合软件SYSNOISE中,利用式（5转换成声辐射压力;然后利用快速傅里叶变换（FFTr将流场中时域脉动信号变换成频域信号,再根据式（6求出压脉动频率¨5|,从而获得气动噪声辐射场中的边界偶极子声源条件:

%=『p（y掣ds,（5

万方数据

汽车工程2013年（第35卷第1期

fanalysis=kⅣ=q忐（6式中:

‰为辐射声压;p（Y为流场中运动固壁边界上脉动压力;Ⅳ为采样点数;矗为第k个采样点。

最后利用直接边界元法,采用式（7计算辐射声场中任一点P处的声压:

PP={8}1{P}+{b}1h}（7式中{12}和{b}是网格数据导人SYSNOISE后所生成的影响矩阵[A]和[B]中相对应的向量。

2表面气动偶极子声源边界条件建立

计算以ToyotaYaris1.6RS轿车为实例,其车身基本数据为:

长3750ram、宽1695mm、高1545mm、轴距2460mm、前轮距1460mm、后轮距1460mm,其几何模型如图1所示。

首先建立轿车外部空气

流场模型,利用流体动力

学数值分析工具,在非稳

态下采用大涡模拟

（LES湍流模型,对车速

为120km/h的轿车外部

图1轿车几何模型

流场进行仿真分析,算出轿车车身表面附近流场的脉动压力数据。

建立用以生成声源边界条件的轿车表面边界元声学网格,将所获得的脉动压力数据导入并在声学网格上转换成偶极子声源边界条件?

其中声学网格尺寸的大小由所确定的分析频率上限决定。

同时,由于耳道频率

共振的原因,人耳最敏感

的声波频率在1000~

3000Hz,因此本文中轿

车气动噪声分析频率范

围设定在此区域内,采用

最大单元长度为18ram

的四边形声学网格,以满

足声场中上限频率

图2轿车车头声学网格

（3000Hz的计算精度要求,轿车车头部分声学网格如图2所示。

在120km/h车速下频率设定为1000Hz时,由轿车外流场边界脉动压力在轿车表面声学网格上所转换生成的偶极子声源边界条件如图3所示。

由图可见:

由于轿车周围涡系和尾部涡系的相互作用,在车体侧后部形成了压力脉动较强的复杂紊流区,是轿车车身表面主要的分布噪声源,其声压

偶极子声压级/dB

592E+001一

。

e。

叫刚圉194E+001㈠995E+001I|

。

ee+。

。

ll597E+001圈398E。

001I;^j

图3偶极子声源边界条件

（频率1000Hz,速度120km/h

级（SPL在71—96dB范围内,最高声源声压级为95.92dB;前后轮附近流场紊乱,所产生的气动声源对于整车噪声能贡献量较大,最高达95.1dB。

在车速相同的条