搜索【技術(shù)應(yīng)用】Actran對(duì)汽車天窗氣動(dòng)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(dòng)攝影攝像的拍攝需求;隨著發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、傳動(dòng)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(dòng)噪聲已成為當(dāng)前高速車輛的主要噪聲源之一;汽車天窗會(huì)因玻璃的不同位置和狀態(tài)帶來不同的風(fēng)噪特性。
背景知識(shí)
1汽車天窗降噪必要性 1. 當(dāng)天窗玻璃處于完全開啟時(shí),車內(nèi)乘客經(jīng)常可以聽到頭頂處發(fā)出嗡嗡的低頻(小于20Hz)強(qiáng)噪音(大于100dB)2. 這種由風(fēng)的振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲是風(fēng)噪的一個(gè)重要組成部分,雖不易被人耳聽到,但其產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力卻能使乘客感到煩躁和疲憊
2汽車天窗噪聲機(jī)理 1. 當(dāng)汽車天窗開啟時(shí),車廂內(nèi)就如同一個(gè)空腔2. 當(dāng)天窗附近渦團(tuán)的發(fā)散頻率與汽車內(nèi)部空氣的固有頻率正好一致時(shí),產(chǎn)生亥姆霍茨共振現(xiàn)象3. 汽車天窗風(fēng)振屬于亥姆霍茨共振的一種,根據(jù)其噪聲產(chǎn)生機(jī)理得出預(yù)測(cè)其噪聲頻率公式:
式中:f 是風(fēng)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(yùn)用CFD與專業(yè)聲學(xué)軟件Actran耦合算法,進(jìn)行氣動(dòng)噪聲計(jì)算,CFD運(yùn)用大渦數(shù)值模擬方法
本文采用兩種汽車模型進(jìn)行天窗氣動(dòng)噪聲研究:
- 簡(jiǎn)化車體模型
-
實(shí)車模型
聲場(chǎng)設(shè)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(xué)有限元2. 可以認(rèn)為聲音向自由場(chǎng)中傳播,由此定義出一個(gè)聲學(xué)無限元3. 為了模擬人耳處的SPL曲線,需要設(shè)置麥克風(fēng),即定義一個(gè)場(chǎng)點(diǎn)4. 由于聲源區(qū)是由CFD計(jì)算結(jié)果獲得,并通過Lighthill聲類比進(jìn)行轉(zhuǎn)換,所以要定義一個(gè)Lighthill volume作為氣動(dòng)聲源區(qū)
聲學(xué)計(jì)算結(jié)果1. 為分析車內(nèi)部聲學(xué)響應(yīng),建立9個(gè)場(chǎng)點(diǎn),場(chǎng)點(diǎn)位于車內(nèi)對(duì)稱面上2. 下圖為9個(gè)場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)響應(yīng)頻譜曲線,總體上頻譜特性類似,在f=15Hz、25Hz、50Hz時(shí)存在極值點(diǎn)
3. 天窗開口處即點(diǎn)1處聲壓級(jí)較高,主要是由于此處存在剪切層渦脫落,流動(dòng)復(fù)雜所致
4. f=15Hz時(shí),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(shí)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(duì)于此類“大腔體小開口”的空腔,腔內(nèi)部聲場(chǎng)將會(huì)出現(xiàn)由幾何尺寸決定的聲學(xué)駐波模態(tài)
2實(shí)車模型 模型及網(wǎng)格1. 實(shí)車模型采用標(biāo)準(zhǔn)米拉模型,內(nèi)含內(nèi)飾和假人(前排兩個(gè),后排兩個(gè)),采用與簡(jiǎn)化模型完全相同的計(jì)算方法2. 計(jì)算域的選擇滿足阻塞比較小的要求3. 邊界條件的設(shè)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?cái)嗉夹g(shù)”——聲源濾波1. 聲源濾波效應(yīng)主要運(yùn)用在流場(chǎng)邊界條件對(duì)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(zhǔn)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(shí)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?cái)?曲線B為不考慮聲源截?cái)?. 本算例有無聲源濾波操作對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小3. 聲源區(qū)域離流場(chǎng)邊界處較遠(yuǎn),流場(chǎng)邊界對(duì)其影響可以忽略,另外聲源區(qū)域邊界處的聲源相對(duì)較小,因此聲源截?cái)鄷r(shí)的誤差相對(duì)較小
聲源區(qū)源項(xiàng)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(qiáng)的氣動(dòng)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(chǎng)分離點(diǎn)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(xué)計(jì)算結(jié)果 乘員人耳處聲壓級(jí)響應(yīng)1. 所有乘員人耳處監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如下圖所示。為了便于區(qū)分,編號(hào)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(gè)點(diǎn)處聲壓級(jí)響應(yīng)頻譜類似,在17Hz、30Hz、60Hz、84Hz時(shí)存在極值點(diǎn),并且在30Hz時(shí),聲壓級(jí)達(dá)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(duì)乘員的影響主要集中在100Hz以下的低頻段 聲壓級(jí)分布云圖1. 17Hz時(shí)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(shí),乘員艙室內(nèi)部為噪聲極大值區(qū),這三個(gè)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(chǎng), 其噪聲級(jí)相對(duì)其它位置較強(qiáng)
總聲壓級(jí)計(jì)算不同位置的人耳處A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)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(dòng)聲學(xué)混合方法,模擬天窗氣動(dòng)噪聲問題。研究對(duì)象包含簡(jiǎn)化車體模型、實(shí)車模型,分析得到以下結(jié)論: 天窗風(fēng)振的頻率1. 汽車天窗及乘員艙室形成的未封閉腔體,導(dǎo)致在某些共振頻率處車內(nèi)乘客人耳處聲壓級(jí)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(fēng)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(shí),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(yù)測(cè)天窗共振頻
率,并進(jìn)行天窗優(yōu)化
設(shè)計(jì)。
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