基于声学有限元法的汽车风噪声仿真方法研究

许志宝，汪东斌，李忠禹，徐寅生

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于声学有限元法的汽车风噪声仿真方法研究

许志宝，汪东斌，李忠禹，徐寅生

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于声学有限元计算方法，借助 CFD软件进行了某 SUV车型外流场模拟，将外流场分析数据导入 LMS Virtual.Lab Acoustic声学有限元模块进行气动噪声车内声场的响应研究。通过流场与声场的耦合求解，完成车内监测点的声压频谱计算，并与试验数据进行对比发现，该仿真方法精度高，工程应用潜力大。

气动噪声；声学有限元方法

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-77-03

引言

有限元理论经过几十年的发展，已在工业领域得到广泛的应用。而长期以来，受硬件资源限制及超大计算量的影响，声学问题，尤其高频声学问题，往往无法应用有限元方法进行开展。近些年，随着硬件计算资源的丰富，应用有限元方法进行大规模声学问题解算，已经初步具备条件。

汽车气动噪声是由于车辆在高速行驶中，车辆对气流扰动产生的压力脉动产生，因此进行汽车瞬态流场仿真，获取车外的压力波动可以对车辆风噪声性能进行初步评估。进行表面压力与试验的验证分析，可以对瞬态流场仿真结果进行评价，是进行车内声场仿真准确性最初步的判定。本文以某在研SUV车型气动噪声风洞试验数据为基础，通过进行车外流场相关性对比、车内声场相关性对比，对基于声学有限元法的汽车风噪仿真方法进行校验，以期证明该方法能够应用于车辆气动噪声性能开发。

1 流场模型搭建

在前处理软件Ansa中对该SUV车型整车数模进行几何清理，并完成面网格划分。之后网格文件导入流体通用分析软件 STAR-CCM+中，创建一适当大风洞，其表面进行三角化网格处理，各部分网格均体现车型的设计状态。在最为关注的A柱、前风挡玻璃密封条、后视镜、驾驶员侧的侧窗玻璃及玻璃水切和密封胶条均保留详细几何，所有缝隙保留至少一个单元的深度，网格进行细化。

图1 仿真模型

由于需要进行外部流场仿真精度的相关性对比，需要在侧窗玻璃表面建立试验中表面麦克风模型，用以更加准确的扑捉侧窗表面信息。计算域生成Trimmer流体网格，计算域整体网格规模近一亿。

图2 侧窗表面建模

设定风速为 120kph，进行 0.5s瞬态计算，时间步长为2E-5 s，计算按时间步自动输出侧窗玻璃表面压力脉动数据，同时对侧窗表面麦克风位置进行监测点设定，采集各点位置随时间变化的脉动压力信息。

2 侧窗表面麦克风数据对比

图3 外场测点仿真数据与试验数据对比

车外流场相关性的对比，主要思路是借助侧窗玻璃的表面麦克风数据与仿真数据进行对比。瞬态计算完毕，得到侧窗表面各点的随时间变化的压力信息，通过快速傅里叶变换，将总的计算时间的后 0.3s时间内数据进行时域向频域的转化，从而得到各麦克风对应位置处的SPL曲线。图3中分别对5个侧窗外表面麦克风测点进行了对比。

由上述图线发现，在400Hz到20000Hz频率上声压级的分布可知，目标频域范围内，仿真与试验结果比较接近。在400Hz-20000Hz区间内的总声压级偏差均在5dB以内。

通过侧窗表面麦克风位置仿真与试验的数据对比，可初步判定，风噪分析过程中，外场数据的仿真准确性得到了验证，也就是用于声场响应计算的边界条件是符合要求的。

3 声场模型搭建

进行车内风噪声计算，需要进行驾驶室声腔网格的准备。同时，连接外部流场与车内声场的，是侧窗玻璃等结构部件，因此同样需要进行侧窗玻璃模型的搭建。

3.1 侧窗玻璃结构网格准备

从整车模型中，将侧窗玻璃分离出来，可将侧窗玻璃视为一大平板，可直接对其进行结构网格划分，划分尺寸为5mm。

3.2 乘员舱声腔网格准备

进行乘员舱声学网格制作，根据网格尺寸和网格截断频率的关系：最大声腔网格尺寸为14mm。

图4 侧窗玻璃结构网格及乘员舱声腔网格模型

3.3 声场场点布置

该车型实车风洞试验，车内布置了人工头进行声学响应的采集，如图5所示。为保证仿真结果的一致性，需要在声场计算前，进行场点设定，从而得到响应位置的声学信息。

图5 人工头测点位置及声场仿真过程中监测点的对应位置

4 车内响应分析

4.1 声学计算模型搭建

在LMS Virtual.Lab Acoustic模块下导入流场数据、侧窗结构网格、车辆驾驶舱声腔网格。首先进行流场数据向侧窗结构的数据转移，期间进行傅里叶变换，将流场计算中随时间步输出的侧窗压力时域数据转换成频域数据；在驾驶舱声腔内建一驾驶员耳旁测点。同时，为考虑驾驶舱内吸隔声性能，需分别对各关键部位，如顶棚、地毯等区域进行材料属性赋予， 之后采用直接声振耦合方法进行计算分析，模型搭建完毕如下图所示。

图6 侧窗风噪计算模型与结构树

4.2 结果分析

图7为400Hz到4000Hz频率段上声压级的分布，计算的总声压级为66.52dB，风洞试验的测试结果为64.74dB，仿真结果与风洞试验测试结果对应较好，差别为2.7%。

图7 相关性数据在400Hz到4000Hz频率段上SPL曲线对比

在风噪车内响应宽频数据的处理中，可以采用趋势线进行相关性对比，通过趋势线的对比可以看出，仿真分析与测试结果趋势一至，并且最大的差别出现在 2000Hz处，差别最大为5dB。可认为仿真结果与测试结果一至性较好。

图8 监测点处试验与仿真声压级趋势线对比

5 结论

风噪车辆外部流场计算是风噪声仿真的基础，也是最为耗时的过程，为能够准确扑捉车辆外形细部流动特征，需进行毫米量级的网格加密，通过加密处理及合理的瞬态时间步长布置，能够得到较好的外部流场信息。

采用CFD与声学有限元方法相结合，进行车辆风噪声仿真分析得到很好的结果，通过本次方法研究，充分证明了该方法的可用性。随着各大主机厂硬件资源的扩展，以及超算资源愈发充裕，基于声学有限元法的车辆风噪声仿真分析方法将得到很好的推广和应用。

Method Study of Automotive Wind Noise Simulation Based on the Acoustic FEM

Xu Zhibao, Wang Dongbin, Li Zhongyu, Xu Yinsheng
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

Base on the acoustic finite element calculation method, and make use of CFD software to simulate one SUV external flow field,then import the external flow field data into the LMS Virtual. Lab Acoustic FEM module and study the aero-acoustic of internal sound field response. By means of the coupling solving of flow field and sound field, complete the calculation of sound pressure spectrum of internal monitoring points. Comparing with the testing data,it is found that this simulation method has high accuracy,and has great engineering application potential.

Aero-acoustic; Acoustic finite element method

U467.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)20-77-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.026

许志宝，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。