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南京理工大学硕士学位论文 【车风噪声的数值仿真与分析 摘要 汽车工业的迅速发展，在给人们带来方便与舒适的同时，也带来许多新问题。近 年来，随着高等级公路的修建，汽车行驶速度不断提高，汽车风噪声已经成为汽车技 术和城市环境领域研究的重要课题之一。由于汽车车身是具有突出物的三维曲面几何 体，其周围的非定常流具有复杂的流动分离结构，这给汽车风噪声的分析带来了困难。 本文采用数值模拟与理论分析相结合的方法对汽车风噪声问题进行了仿真计算与分 析，其主要内容包括： 第一，阐述了汽车风噪声的特点及流场噪声的发声原理；建立了汽车三维绕流流 动的物理数学模型；给出了噪声预测的三种方法，即：直接法、声模拟法和宽频带噪 声源模型法，分析与比较了各自的适用条件，为选择合理的汽车风噪声计算方法提供 了依据。 第二，考虑到后视镜和车轮对风噪声的影响，本文采用c a t i a 软件建立了无后 视镜、轮胎的模型以及有后视镜、轮胎的模型。针对车身外形的复杂性，在网格生成 时采用非结构网格。 第三，为分析汽车周围空间噪声分布，以大涡模拟作为湍流模型对两种模型的汽 车风噪声现象进行了数值仿真，利用声模拟法进行计算与分析，获得了车身空间噪声 的分布规律；并通过对两种模型的数值结果对比，较好地反映了后视镜，轮胎等对风 噪声的影响程度；同时对比计算了不同车速下的风噪声效应，给出了风噪声随车速的 变化规律；并将特定位置的噪声信号进行傅立叶变换，进行声压与频率关系的谱分析 第四，为了得到风噪声功率的变化，湍流模型中采用k 一占模型，利用宽频带噪 声源模型法对噪声源声功率进行计算，获得了汽车各位置声功率分布，并计算在不同 车速下汽车各部分噪声功率的变化情况。 优化汽车外形，减少风噪声是汽车外形设计的最终目标。本文的工作可为汽车风 噪声的研究开辟一条可行的途径。 关键词：汽车风噪声，数值仿真，大涡模拟，k s 模型，声模拟法，宽频带噪声源 模型法 南京理工大学硕士学位论文 汽车风噪声的数值仿真与分析 a b s t r a c t r a p i dd e v e l o p m e n to fv e h i c l ei n d u s t r yb r i n g st i t s s o m en e wp r o b l e m st h o u g h c o n v e n i e n c ea n dc o m f o r t r e c e n ty e a r s ，v e h i c l e sd r i v i n gs p e e dh a si n c r e a s e dg r e a t l ya s a d v a l l c e dh i g hw a y sc o n s t r u c t i o n 1 kv e h i c l e sw i n dn o i s eh a sb e c o m ea l li m p o r t a n t p r o b l e mo fb o t hv e h i c l et e c h n o l o g ya n dc i t ye n v i r o n m e n t c a r - b o d yi sat h r e e - d i m e n s i o n g e o m e t r ye n t i t yw i t hp r o t r u s i v eo b j e c t s ，s oa i rf l o ws u r r o u n d i n gc a l i su n s t e a d ya n de a s yt o b es e p a r a t e d ，w h i c hc a u s e dg r e a td i f f i c u l t yt 0a n a l y z ew i n dn o i s e i nt h i st h e s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a lm e t h o dw e r ec o m b i n e dt oa n a l y z ev e h i c l ew i n dn o i s e t h em a i n w o r ko f t h e s i si n c l u d e d ： f i r s t l y , t h e o r yo fv e h i c l ef l u i dn o i s ea n di t sb a s i cc h a r a c t e r sw e r ei l l u m i n a t e da n d p h y s i c a lm o d e lw i t hg o v e r n i n ge q u a t i o n sw e r ed e s c r i b e d t h r e em e t h o d sf o rp r e d i c t i n g s o u n dn o i s e ( d i r e c tm e t h o d ，a c o u s t i ca n a l o g y , b r o a d b a n dn o i s es o u r c em o d e l ) w e r e i n t r o d u c e da n dc o m p a r e d a c c o r d i n gt ot h ei n t r o d u c t i o na b o v e ，t h es e l e c t e dm e t h o d si n t h i st h e s i sw e r er e a s o n a b l e s e c o n d l y , c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fm i r r o ra n dt i r et ow i n dn o i s e ，t w ok i n d so fc a r m o d e lw e r eb u i l tw i t hs o f t w a r ec a t i a u n s t r u c t u r e dm e s ht y p ew a sa d o p t e dt og e n e r a t e m e s h e s t h i r d l y , l a r g ee d d ys i m u l a t i o na n da c o u s t i ca n a l o g ym e t h o dw e r eu s e dt oc o m p u t e w i n dn o i s ei nd i f f e r e n ts p a c e sa r o u n de a r , b yc o m p a r i n gt h er e s u l t so f d i f f e r e n tm o d e l s ，t h e c o n t r i b u t i o no fs i d el n i l t o ra n dt i r et ow i n dn o i s ew a ss u m m a r i z e d b yc o m p a r i n gt h e r e s u l t si nd i f f e r e n ts p e e d , r e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i n dn o i s ea n dv e l o c i t yw a sf o u n d e d n o i s e m e a s u r i n gp o i n t sw e r es e a l e do nc e r t a i np a r t s ，b yf f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) ，s p e c t r u m a n a l y s i sw a sd o n et os h o wt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o u n dp r e s s u r ea n df r e q u e n c y f o u r t h l y , t h r o u g h 蠹- - em o d e la n db r o a d b a n dn o i s es o u r s ：m o d e l ，a c o u s t i cp o w e ro f c a rw a sc o m p u t e da n dq u a n t i t yd i f f e r e n c e si nd i f f e r e n td r i v i n gs p e e dw e r es t a t e d o p t i m i z i n gm o d e la n dr e d u c i n gn o i s e i sf i n a lp u r p o s e ，a l le f f o r t sa b o v em a y s u p p l ya l l a v a i l a b l ew a yf o rw i n dn o i s ea n a l y s i so f o r i g i n a lc a l k e y w o r d s ：v e h i c l ew i n dn o i s e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , l a r g ee d d ys i m u l a t i o n , k - - 占m o d e l ，a c o u s t i ca n a l o g y , b r o a d b a n dn o i s es o u r c em o d e l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：望塾妒6 年彳月匆日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：! 翌鱼知年i 了3 0 h 南京理工大学硕士学位论文汽车风噪声的数值仿真与分析 l 绪论 1 1 课题的研究背景和意义 汽车是一种面广量大的工业产品，随着我国经济的持续发展、道路状况的逐步改 善，车辆拥有量在逐年增加。汽车的普及在给人们带来方便与舒适的同时，车辆噪音 也对人们的生活、工作及居住环境产生了严重影响。根据1 9 9 5 年对全国大中城市的 相关调查，交通于线两侧区域噪声超标的城市占7 0 以上【”。又据1 9 9 7 年的资料统 计，在城市噪声源中，交通噪声在城市噪声源中的比重最大，占到4 6 8 f 2 j 。交通噪 声是指由各种交通工具( 包括汽车、火车、飞机、船舶等) 引发的噪声，这种流动性 的噪声对环境影响比较广，随时问起伏大，瞬间可达到8 0 d b 9 0 d b ，随即又消失。 在多数城市的市区，交通噪声主要由机动车辆产生，车辆噪声与多种因素相关，如车 速、流量、路面条件、路旁设施等。据测量统计，我国城市机动车辆噪声主要集中在 7 0 d b 7 5 d b 范围内，在南京市主要交通干道，平均噪声甚至超过8 0 d b 3 1 。为此，我 国于2 0 0 2 年1 月4 日修改并通过了新国家标准g b l 4 9 5 - 2 0 0 2 汽车加速行驶车外噪 声限值及测量方法，以此来缩短我国汽车噪声限值水平与国外的差距。 车辆噪声是车辆的重要性能指标之一，是人们判断汽车产品质量的一项依据。在 市场竞争日益激烈的当今时代，国内外各大汽车公司历来十分重视对汽车噪声控制技 术的研究并逐年加大资金投入。行驶中的车辆，噪声包含有多种成分，如发动机噪声， 轮胎噪声以及气动风噪声等等1 4 】。随着汽车工业的发展，车辆噪声控制在不同时期具 有不同的研究重点：在控制车辆噪声初期，发动机噪声，传动系噪声和底盘噪声等曾 是车辆嗓声控制的研究重点，经过汽车工程师多年来的努力，这种机械噪声逐步得到 了控制。后来，人们又发现当车辆在较高速度下行驶时，轮胎噪声变得和其它噪声同 等重要，同样经过人们的不断改进，轮胎噪声情况也极大地改善。近些年来，随着车 辆性能的提高以及高等级公路的建设，车辆的速度越来越快，车辆外流场的气动噪声 以车速的六次方的数量增长1 5 i ，因而，当车辆的其它噪声得到有效的控制后，车辆的 气动噪声就变得尤为重要了。七十年代，研究人员发现，车速为7 0 公里4 , 时的情况 下，气动噪声的范围为6 2 7 8 d b ( a ) ，而在速度为1 1 0 公里，j 、时的情况下，气动 噪声的范围达到8 0 9 0 d b ( a ) 【6 l 。新的研究指出，车速超过1 0 0 公里，小时，气流 噪声对车外噪声的影响已超过了其它噪声，而目前高速公路上的车速大多超过1 0 0 公里，小时嘲 在可预见的未来，气动噪声控制技术必将成为各大汽车公司研究的重点技术之 一，与此同时，人们正在不断提高对环境质量的要求，控制噪声已是势在必行的客观 要求。所以，研究流场的气动噪声无论从经济利益，还是环保角度，都具有定的价 1 南京理工大学硕士学位论文汽车风噪声的数值仿真与分析 值。如果能结合车辆气流噪声的研究，对流体噪声产生影响的有关流场参数进行一些 仿真计算等方面的探索。则不仅对于车辆噪声，而且对一般流体力学及流体发声等问 题的仿真分析也具有积极的意义。 1 2 国内外研究现状 汽车风噪声的产生原因较为复杂，高速行驶中的汽车和空气发生相互作用，在汽 车外部形成复杂的绕流场。由于汽车的复杂外形，气流流动多是不平顺的，在汽车大 的拐角处都会发生气流分离的现象，形成复杂的涡流流动，正是这些复杂的涡流流动 产生了很高的压力脉动，进而诱发了极大的噪声，所以研究车外流场是研究车辆气动 噪声的第一步。汽车外部流场及气流噪声研究所涉及的学科主要是汽车空气动力学 它不仅研究高速时汽车周围流场的流动，还要结合高速气体和汽车之间的相互作用来 研究汽车的气流噪声事实上，汽车气流噪声属于流体声学研究的一部分，涉及流体 力学和声学等多门学科，通常也被认为是流体力学与声学的交叉学科。近代以来，人 们对其现象、原理、规律进行了深刻研究。 在理论分析方面，在1 8 2 7 年和1 8 4 5 年，由n a v i e r 和s t o c k e s 分别推导出的n s 方程，描述了流体的一般运动与声波波动的内在关系。1 9 5 2 年，l i g h t h i l l 根据n s 方程导出描述气流运动的发声方程，建立了声波波动与流场参数之间的直接联系，成 为研究气动声学最基本的方程，标志着气动声学的诞生。1 9 5 5 年，c u r i e 首先用基尔 霍夫方法将l i g h t h i l l 理论推广到考虑静止固体边界的影响。结果表明，固体边界的作 用相当于在整个固体边界上分布偶极子源，且每点偶极子源的强度等于该点固体表面 作用在流体上的力的大小。1 9 6 9 年，f f o w c sw i l l i a m s 和h a w k i n g s 应用广义函数法将 c u r i e 的结果扩展到考虑运动固体边界对声音的影响，即物体在流体中运动的发声问 题，得到一个较为普遍的结果f f o w c sw i l l i a m s - h a w k i n g s 方程( 简称f w - h 方程) 。 从f w - h 方程可以看出，运动物体与流体相互作用产生的声场是由四极子源、偶极子 源以及由于位移所产生的单极子源迭加组成的1 4 1 。 以上所述是近现代以来人们在流场声学方面取的主要理论进展，在大多数情况 下，对流场噪声的研究通常都是在理论结合实验的基础之上进行的，一方面由于实验 具有直观与数据可靠的优点，另一方面，理论需要由实验数据不断的加以修正和改进， 因此无论是过去或是今后，实验都是研究气流噪声的重要手段之一。 多年来，人们为了认识车辆气流噪声的特性、产生机理和传搔规律进行了大量的 实验研究，主要方法是利用风洞模拟流场环境，记录实验数据。风洞实验是研究流场 最有力的手段，具备诸多优点，如不受环境干扰，流场诸多参数可以人为地精确调整 等。但是同时，风洞的本底噪声对噪声测量结果有直接的影响。所以车辆气流噪声一 般要求在低噪声风洞中迸行，并要对实验数据进行必要的修正。现有的绝大多数风洞 2 南京理工大学硕士学位论文 汽车风碡声的数值仿真与分析 在当初都仅仅是为进行空气动力性实验目的而设计建造的，因而没有考虑噪声问题， 因此至今许多气流噪声的实验也只能在这样的风洞中进行。人们想出了消除本底噪声 的方法：在实验前铡出风洞的本底噪声，同时测量本底噪声对测量数据的影响，然后 在正式实验中扣除这一本底噪声的影响，实验证明，这种方法具有良好的效果。但是 最好的实验还是在低噪声风洞中完成的，目前低噪声风洞还很少，已知的大型低噪声 实车风洞包括：德国的s t u t t g a r t 大学i v k 风洞、意大利的i n i n f a r i n a 风洞、荷兰的 d n w 风洞、德国的b m w - t e c l m i k 风洞和瑞典的v o l v o 风洞【刀。 国内目前在这一领域的研究相对较少，尚处于起步阶段，且目前对车内噪声研究 较多，对车外噪声研究较少。车内噪声研究方法有统计能量法、边界元法、有限元法、 近场声全息法等等i s - 1 0 1 ，但是这些方法并不能有效的应用于对车外噪声的试验与模 拟，所以至今对汽车气流噪声的预估和控制尚未形成系统完整的理论。江苏大学的富 镇教授等人针对车辆外部流场中气动噪声问题进行了比较深入的研究，取得了重要的 科研成果。对高速车辆外部流场噪声的研究，因其固有的学术价值和现实意义，在国 内也将得到越来越多的重视。 2 0 世纪七八十年代以来，流体力学数值模拟技术兴起，并飞速地发展起来，对 实验和理论研究都起到了积极地促进作用，为研究流动模型提供了更多的依据，也使 得更多的分析方法得到了完善和发展。数值模拟在流体力学中被称为计算流体力学 ( c f d ) ，它逐步形成了一门独立的学科，成为人们进行研究的有力工具。相比较传 统的方法而言，数值模拟的优势更为明显，例如在典型的汽车工业应用中的优势： 数值模拟方法可在新车设计初期的造型阶段进行空气动力性能及其它有关性能 的预测，为选型及造型参数修改提供依据，从而可以较旱地得到较理想的产品，避免 产品缺陷。 数值模拟方法应用范围广，不受风洞实验边界条件的影响及湍流、风速、风向、 雷诺数等因素的影响与限制，可以根据要求设定成为理想中的实验环境。 数值模拟可以计算实验方法难以测量的场合，如细微湍流结构，还可以研究不 可能进行实验的场合，如汽车同向近距离行驶及对开时的气动干扰问题等。 数值模拟可以同时得到流场全场的多项参数，减少了实验的准备周期和仪器费 用，从而极大地降低了研发成本。 数值模拟的精度虽然比不上实验方法，但从上面的论述可以得出结论，前者克服 了后者的很多局限性。目前，从层流到湍流、定常到非定常、不可压到可压、无粘到 有粘的几乎所有的流动现象，都可以通过数值模拟在计算机上加以再现，并且随着计 算机硬件的持续发展，算法程序的不断完善，数值模拟的精度将逐步提高。 南京理工大学硕士学位论文 汽车风噪声的数值仿真与分析 1 3 本文的主要工作 本文的研究对象是汽车风噪声，具体工作如下： 一对流体发声原理及数学描述，进行了比较系统的阐述。在此基础上，综合比 较了计算流场噪声的三种方法：直接法、声模拟法及宽频带噪声源模型法，在可行性， 适用性以及准确性等方面进行论述，并结合实例加以说明。 二利用三维建模软件c a t i a 建立汽车模型，分无后视镜和无轮胎的模型一以及 有后视镜和轮胎的模型二，将模型以s t e p 的文件格式导入前处理软件g a m b i t ，选择 非结构网格划分计算区域，并在后视镜、轮胎区域使用精细网格。 三在计算流体动力学软件f l u e n t 中，选择大涡模拟湍流模型( l e s ) ，基于 l i g h t h i u 方程的声模拟法计算多种工况下的汽车空间外流场及噪声场。在气流流动不 平顺的车身上方拐点、侧面、车顶以及后视镜与轮胎附近设定多点噪声测量点，通过 以点代面的形式，了解整个声场分布情况。同时对以车为中心的周围环境的风噪声情 况也进行了阐述说明，以水平面和垂直面为例，对其分布，衰减特性进行了初步总结。 四选取车身附近空间风噪声大的位置进行噪声信号的频谱分析，重点是人耳所 能感知的2 0 h z 2 0 k h z 频段内的噪声频率特征。 五在计算软件f l u e n t 中，选择k s 湍流模型，宽频带噪声源模型法计算得到风 噪声功率值，以及在不同车速下声功率的数值变化。 4 南京理工大学硕士学位论文 汽车风噪声的数值仿真与分析 2 数学物理模型 数值模拟建立在对自然界物理现象正确理解的基础上，要求具备描述这一现象的 准确的物理模型，再用数学的方法加以概括。对所讨论的流体噪声问题而言，要详细 了解其发生机理以及此流场所具有的一般性与特殊性的特点，然后可以选择相应的物 理模型，通过与模型相关联的数学方法来实现数值的模拟，并达到精度要求。同时计 算也要具备可行性，要考虑数学工具能解决的程度和计算水平达到的能力。因此，在 大多数情况下，要对建立的模型进行简化，但同时不能以降低模拟的真实性为代价， 要如实地反映对象的本质和变化规律，这就要求在对模型处理的时候考虑真实的物理 流动，提前做好应对措施。 2 1 汽车外流场特性与控制方程 通常情况下空气流态主要分为两种：层流和湍流。对湍流且前无确切的定义，通 常当流体流动雷诺数超过临界雷诺数时，将其视为湍流。雷诺数定义为见= f l v ， 对于汽车而言，矿取车速，三是特征长度( 整车长度) ，v 是运动粘性系数，通常取 1 4 5 3 x 1 0 6 所2 ，j ，本文计算的最小车速为3 3 3 m s ，整车长度4 7 m ，计算雷诺数为 t 0 7 x l o ，此值远远大于外流场临晁雷诺数，因此计算模型采用湍流模型：根据流体 的密度是否为常数，分为可压与不可压流体两大类，车辆行驶的速度较低，多数情况 下低于0 1 马赫，最大速度一般不超过0 2 马赫，在此情况下，汽车流场压力差，运动 速度和温度差都不是很大，为简化计算可近似将其视为不可压流；汽车总是在一定大 气环境中行驶，随时间变化的汽车外部环境使流动受到时间效应的影响，还有分离流 动、湍流具有的固有非定常性，所以非定常流成为汽车绕流流动基本属性；空气的粘 性作用对于汽车流场的影响很大，其引起的作用于车体表面的剪切应力形成空气阻 力，同时由于粘性作用，空气在汽车表面时常发生边界层分离现象，同时形成湍流涡、 涡耗散等诸多特征。综上所述，汽车绕流流场比较复杂，典型的流动特征应视为粘性、 不可压、非定常湍流流动，并伴有边界层分离现象。 除了上述的基本特性以外，流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律 包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等。对于湍流状态，系统还要遵 守附加的湍流输运方程。湍流的附加控制方程( 大涡模拟与k f 模型) 将在后几章 分别介绍，本节介绍基本方程： ( 1 ) 质量守恒方程： 任何流动都必须满足质量守恒定律，该定律可表达为：单位时间内流体微元体中 质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元的净质量。按照这一规律，可以得出质 一堕塞里三查兰堡主兰竺丝兰 塑主垦壁苎竺墼堕堕塞皇坌堑 量守恒方程，也称为连续方程，表达式为： 詈+ 未( 以) = o ( 2 1 ) 对不可压缩流体，流体密度为常数，式( 2 1 ) 筒化为 婺：0 ( 2 2 ) 式中p 流体密度： 葺挫标在i 方向上的分量； ，方向的速度矢量 ( 2 ) 动量守恒方程： 该定律可表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体 上的各种力之和，表达式为： 昙妇，) + 毒b ，叶) = 一考+ 鲁+ p g , + e ( 2 3 ) 式中p 静压： 勺瑚应力绳热气= 声学+ 簧一；毛挈； 分子粘度。 飕f 方向的体积力5 _ i 原项引起的微元体的体力 ( 3 ) 能量守恒方程： 能量守恒定律是包含热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律可表述为： 微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力和面力对微元体所做的 功，表达式为： 昙妇) + 毒妇， ) = 毒 + t ) 詈+ & ( 2 4 ) 式中t 温度5 七嘞子导熟率。 毛由于湍流扩散引起的导热率，其中屯= 等，o 为比热容，p r 为普 朗特常数； 最所定义的体积热源 6 南京理工大学硕士学位论文汽车风噪声的数值仿真与分析 2 2 流场噪声现象 汽车在路上行驶，对驾乘人员要有容纳性，这决定了其在长、宽、高三维方向上 的尺度范围，同时汽车必须具有复杂结构，来满足容纳功能的需要，所有这些都决定 了汽车复杂的外型。在行驶中，汽车复杂的外表面和空气发生强烈的相互作用，与空 气发生摩擦，由于空气的粘性作用，在汽车表面形成了湍流涡，湍流涡的存在引发了 汽车表面空气层极大的压力脉动，因此汽车周围的空气层成为噪声源，向外辐射声波， 声波由近及远地传播，就产生了流场噪声。 噪声的研究是与湍流的研究紧密相关的，湍流的形成与汽车外形有着直接的关 系：汽车外形存在大的拐角，如车头、尾及两侧等，气流容易发生分离，气流发生分 离后，在流场中形成复杂的非定常涡；汽车外表面有后视镜、雨刷、流水槽和装配缝 隙，下部有车轮、悬架、排气管等复杂的底部结构，所有这些都暴露在空气中，导致 气流流动不平顺，在旋转车轮周围，车底与地面之间，后视镜附近等部位形成涡流流 动；同时，车身表面部分气流分离后又重新附着在车身上，形成附着流动。 这些湍流是由各种不同尺度的涡叠合而成，这些涡流的大小及旋转轴的方向分布 是随机的。大尺度的涡主要由流动的边界条件所决定，是引起低频脉动的原因；小尺 度的涡主要是由粘性力所决定，其尺寸可能只有流场尺度的千分之一量级，是引起高 频脉动的原因。大尺度的涡破裂后形成小尺度的涡，较小尺度的涡破裂后形成更小尺 度的涡。因而在湍流区域内，流体涡的尺寸可以在相当宽的范围内连续地变化，导致 压力脉动在一定范围内持续变化。因此在不同的时刻，风噪声随着湍流的变动而不同。 湍流涡对于流场噪声作用是极为重要的，也决定了流场噪声宽频的性质 1 1 j 。 2 3 流体声学理论 2 3 1 流体动力声源 气体和液体的流动与声波的关系很密切，在现代科学以及环境保护中，对水流和 气流噪声的研究是很重要的部分。在气流和水流中，声源有三类：单极子声源、偶极 子声源和四极子声源。 ( 1 ) 单极子声源：媒质中流入的质量或热量不均匀时形成的声源( 或叫做简单声 源) ，单极子声源如调制气流声源( 语气声，气流扬声器) ，脉冲喷气等。单极子和 脉动球体一样，声功率均匀的向各个方向辐射，指向性是一圆球，大量单极子所产生 的声功率【1 2 】： t ，4 呢8 p o d 2 l = p o d 2 矿3 m ( 2 5 ) 7 南京理工大学硕士学位论文汽车风噪声的数值仿真与分折 式中，既是声功率有效值，c 是声速( m s ) ，矿是气流速度，d 是声源的典型长度， t ， m 是气流的马赫数二( 无量纲) ，风是空气密度。 c ( 2 ) 偶极子声源：气流速度较高时则容易产生偶极子声源，当流体中有障碍物存 在时，流体与物体产生的不稳定的反作用力形成偶极子声源。偶极子声源是力声源， 如本文研究空气流过汽车表面时产生的风声，偶极子的功率【1 2 1 ： r r 6 呒p o d 2 ；= p o d 2 v 3 m 3 ( 2 6 ) f 比单极子声源多m 2 ，指向性是“8 ”字形，所以在亚音速时效率比单极子声源低。 ( 3 ) 四极子声源：媒质中如果没有质量或热量的注入，也没有障碍物的存在，唯 有粘滞应力辐射声波，这就是四极子声源。流体中没有其他物体时，如果产生力，只 能是成对而相反的力，所以四极子声源是应力声源，其指向性是“十”字形，四极子 的功率【1 2 1 ： t ，$ 呢“风d 2 与= 风d 2 矿3 竹5 ( 2 7 ) 2 3 2 流体发声理论 在近两百年的时间里，人们对于流体发声的机理进行了大量的研究，总结出了许 多宝贵的理论和方程。 n a v i e r 和s t o c k e s 在1 8 2 7 年和1 8 4 5 年分别推导出的n s 方程是描述粘性流体运 动的最为普遍的公式，其中也包含了流体运动和声波波动的内在关系，但是该方程只 能对少数简单、非线性问题进行求解。1 9 5 2 年英国科学家l i g h t h i l l 在n - s 方程基础 上推导出气流运动发声的l i g h t h i l l 方程t b 4 了l ： 上篓一v z p ，：_ 旦二z ( 2 8 ) a o 西。t 3 x 。a 0 且瓦= p u ；“+ b p o 2 堍一f 口 ( 2 9 ) 其中毛是l i g h t h h 应力张量，p 7 是远场的声压( ；p - p 。) ，a o 是远场的声速， p 是密度变量，u ，分别是流场在x , y 方向上的速度分量，民是k r o n e c k e r 数。 这就建立了声场波动量与流场参数之间的直接联系，成为研究气动声学最基本的 方程，标志着气动声学的诞生。但是l i g h t h i l l 方程是在自由空间的假设下得到的，对 于固体边界不起作用。所以在1 9 5 5 年，c u r i e 用基尔霍夫方法，考虑固体边界的影响， 改进t l i g h t h i l l 方程，使之能够研究在湍流中物体发声的现象，包含静止的表面的 l i g h t h i l l c u r l e 方程如t t l 3 v r l ： 8 南京理工大学硕士学位论文汽车风噪声的数值仿真与分析 ( 寿等一v ：够一岛归= 一毒 h _ + 确磅一学) 。：加， ia 2 v ，2 卜岛删。弘一巧期包 一毒( k 以一巧) + 。一风磅一气) 筹j + 去阮酬 。一砂泣m + ! 一f ! 兰二苎2 i 塑! 些! ! ! 。搭f ，1 4 砜27 月2 其中，x 是记录声音数据的观测点的位置，y 是流场中产生声音的位置，r ；b y l 是两者问的距离，t 是固体边界的单元方向向量，等式右侧第一项是四极孑项，第二 项是偶极子项。同时，对于四极子和偶极子噪声源强度，有如下的关系表达式【1 8 1 ： 9 南京理工大学硕士学位论文 汽车风噪声的数值仿真与分析 l q p o u s o c 0 5 叠 l 。一p o v o c ；3 e 由此得到等一阿c o ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 由上式可以清楚的知道，气流噪声中的四极子源噪声与二极子源噪声强度之比正 比于马赫数的平方，地面车辆属于低速运载工具，马赫数较小，因此其四极子源噪声 远小于偶极子源噪声，可略去不计，因此研究噪声就是研究偶极子源噪声的特性，方 程式可以简化为【1 3 17 】： 酬粕h = 壶降生笋删眨 2 4 流体介质中传播噪声的表征参数 声音的传播与某种弹性介质相联系，当空间的某处产生了压力变动，必然引起周 围介质的振动，于是声音就由近及远的传播开来，被人们所接收。人所能承受的声强 变化范围很大，由最弱的能听见的声音强度到最强的承受不了的声音强度，差别可以 达到1 0 “倍，如人们通常说话的声音的约为l o 。矿，强力火箭的声功率可以达到 1 0 9 形，显然对于如此广阔的能量如果使用对数标度要比绝对标度方便，另外从声音 的接收来说，入的耳朵对声音的感知强度，并不是直接与声压大小成比例，而是和对 数成比例，因此用“级”来表征声学量更为科学。对于噪声评价的主要指标是声压级以 及声功率级，以分贝( d b ) 形式表示： p 2 声压级：s p l = l o l o g 之芋 ( 2 1 7 ) r 蠢 有效声压，在一段时间内瞬时声压的方均根值，于0 = 2 0 t p a ( 参考声压) 。 rw 、 声功率级：l w = 1 0 1 0 9 i 三 i ( 2 1 8 ) l 形j d 2 矽声功率，轩o = 1 0 。2 w ，是参考声功率，w = 仃蕊，7 是声强均值，j = 量l ， 。 。 风口。 其中匕。是有效声压，岛是介质密度，口0 是介质中的声速。 入耳能听到的声音的范围很广，大致在2 0 h z 2 0 k l 之间，因此在科学研究中， 谱分析得到了日益广泛的应用。谱分析可以提供许多信息，帮助人们更好地理解噪声 源以及噪声传播的情况。实现这一切的工具是傅立叶变换，可得至频率和相应物理量 的对应关系，在本文中，主要分析声压与频率的关系。 l o 南京理工大学硕士学位论文汽车风噪声的数值仿真与分析 2 5 声学计算模型 针对不同的条件，不同环境的声学情况，人们提出了不同的计算方法，其适用性 和计算量各不相同。目前使用最为广泛，可行性较好的有三种：直接法，声模拟法和 宽频带噪声源模型法1 1 9 1 。 2 5 1 直接法 在直接法中，声音的产生与传播直接利用流体动力学控制方程计算得到，声音的 预测基于控制方程的精确解。在用直接法的大多数情况下，要采用能表述流体粘性和 湍流作用的控制方程。 直接法要求生成精细的计算网格和非反射的边界条件，计算量很大，但数值求解 的精度很高。因此，如果要求得远场的声音数据，计算量太大，一般不会采用。例如， 计算离飞机机翼弦长百倍距离外的声音是不行的。但是，计算近场是可以的，在涉及 近场噪声的情况中，声音主要是由此位置附近的流体波动压力引起，而这是可以用少 的计算量精确求得的。在直接法中，声音的传播也是直接求解的，因此需要采用可压 性质的控制方程，在低亚音速，噪声测量点在近场能明显地获取流体压力脉动的情况 下，可采用不可压流动方程。但是，直接法的缺点是不能用来处理声波的谐振、反射 等物理现象。 2 5 2 声模拟法 对于中一远场的噪声计算，基于l i g h t h i l l 方程的声模拟法提供了可行的解决方 案。在这种方法中，近场流动由控制方程直接求得，远场噪声通过其他方程的积分求 解，获得声音数据。这种积分求解的方法是f w - h 方程，采用l i g h t h i u 声模拟法的通 用形式，能预测由等价噪声源所产生的声音，例如单极子、偶极予和四极子噪声源。 该方法采用时域积分形式，在流场中任一位置的声音信号可以通过在时间域内的面积 分得到。流场变量的精确解，如压力、速度分量、声源表面流场密度等参数预先求解 后，联合湍流模型和流动时间，就能计算流场噪声，包括宽频带频率和特定频率的噪 声。声压信号通过快速傅立叶变换，可以得到总声压级和相关频谱信息f 1 9 1 。 声模拟法是基于f f o w c sw d l i a m s - h a w k i n g s ( f w - h ) 方程的，而f w - h 方程是从 连续性方程和n a v i e r - s t o k e s 方程中推导得到的，f w - h 方程如下： 专一v 2 p t m 去乜h 鲫一毒h 帆g 。一k 炒。， + 詈咒+ p 0 。一) p 驴) ) 南京理工大学硕士学位论文汽车风唾声的数值仿真与分析 其中q 流体在x 。方向的速度分量； 垂直表面的流体速度分量； 叶x ，方向的表面速度分量； 垂直表面的速度分量； j 杪) d i r a cd e l t a 函数； 打u ) 赫维塞函数 p 是远场的声压( sp p o ) ，= o 表示的是无边界空间流动问题的一个数学定义 表面，利用通用函数和自由空间的格林函数来进行求解。这个表面( 厂= o ) 代表源面 ( 声辐射面) ，也就是不可渗透实体的体面，或者是可渗透实体的等价面( 与实体面 相远离一小段距离) 。一是指向外部区域( 厂 0 ) 的单元垂直向量，嘞是远场的声 速，瓦是l i g h t h i l l 应力张量，定义为： 瓦= p u j 盯，+ 咒一面一岛溉 ( 2 2 0 ) ，是可压缩的应力张量，对于斯托克斯流体而言，表达式如下： 咒= p 磊一l 毒+ 鼍一号卺吒l q z d 方程( 2 1 9 ) 是利用自由空间的格林函数得到的，完整的求解包含两次面积分和一次 体积分。面积分后得到的是单极子、偶极子和部分四极予声源，体积分得到的是表面 之外区域的空间四极子( 体) 声源。 2 5 3 宽频带噪声源模型法 在许多工程应用中的湍流，噪声没有明显的频段，声能在一个宽频段范围内按频 率连续分布，这涉及到宽频带噪声问题。湍流参数通过雷诺时均n - s 方程求出，再采 用一定的模型计算表面单元或是体积单元的噪声功率值，例如p r o u d m a n 方程模型， 边界层噪声源模型，线性欧拉方程模型等n 9 1 。 p r o u d m a n 方程利用l i g h t h i u 声模拟理论，推导出各向同性湍流运动的声功率方 程，l f l l e y 将p r o u d m a n 方程中忽略的滞后时间的微分加以考虑，重新推导出的方程。 这两种方程都得到各向同性湍流的单元体积的声功率( w m 3 ) 的表达式： 耻【纠专 旺2 z ) k 其中，i ，和，是湍流速度和湍流尺度，是声速，口是模型常量。用，s 的形式，方 程( 2 2 2 ) 可写为： 只= 口, p o s m s , ( 2 2 3 ) 计算时，口。依据各向同性湍流的数值模拟的结果，由s a r k a r 和h u s s a i n i 测得为0 1 。 在特定的湍流区域，p r o u d m a n 方程可以求出单元体积某处位置噪声功率。但是流动 南京理工大学硕士学位论文汽车风噪声的数值仿真与分析 必须满足高雷诺数，小马赫数、湍流各向同性等条件。 边界层噪声源模型对于研究固体表面的湍流边界层所引起的噪声( 低马赫数情况 下) 是很有意义的，基于声模拟法的c u r i e 积分可以计算出某位置的声功率。c u r i e 积分式如下： p 例= 击f 与些害侈，r 凇) ( 2 m ) 其中f = f z 是声辐射时间，s 是积分表面。利用上式，远场的声密度可以通过下 式近似求得： 矿m 志l 爿知r ) 劬 包z s ) 其中4 是关联区域，r ；障一歹| ，c o s 0 是障一爿和壁面垂直方向亓的夹角，表面辐射 的总噪声功率可以通过下式计算： 只= p o l _ a of 。r 历2 s i i l 甜彩妒5l j 眵侈) ( 2 2 6 ) 瑚；若黯阱 旺z ， ( 2 2 7 ) 可以解释为体的表面每单位面积对总声功率的贡献，表面压力的时间微分平 方的平均值项是用来进一步计算湍流参数的，例如湍流动能、湍流耗散率等。对声功 率的计算方法还有线性欧拉方程模型法等等，在此限于篇幅不作详细介绍。 2 5 4 三种模型的比较 声学计算模型的选择直接关系计算的准确性。在直接法中，声波的产生和传播都 是通过求解流体动力学方程直接计算的，它应用于计算区域不大的情况。如图2 1 是 用直接法对霍姆赫兹共振腔进行计算的例子【2 0 】，霍姆赫兹共振腔由于其构造简单，且 有良好的低频消声功能，而被广泛应用于发动机进排气消声。由于其是内腔式，因此 空间距离不大，因此可以将网格加密，采用结构网格，利用直接法对其求解。直接法 可以在流场区域内任意位置采集数据，得到声压数据与傅立叶变换后的频谱分析。 图2 1 采用直接法计算的霍姆赫兹共振腔 对于非直接法，主要是声模拟法，发声过程和声传播过程是相互解耦的。这样， 1 3 南京理工大学硕士学位论文汽车风峰声的数值仿真与分析 就允许将流场的求解和声信号的获取相分离。在此种情况下，近场的流动是通过控制 方程求解的，声学信号通过其他方法对声波方程进行积分求解。但是此类模型的一个 重大限制是只适用于向自由空间的声传播，例如对汽车和飞行器的外部空气流动的远 场计算，对于管道和壁面封闭的空间是不适用的。例如，要模拟汽车的流场噪声，通 常划分一定的计算区域进行计算，但是相比较汽车模型尺寸而言，外部空间尺寸要比 之大很多。如图2 2 所示，前后的速度进口和压力出口以及上、下、侧面的固壁( 图 中未画出) 围成了汽车的外部计算空间区域，相比较汽车而言，空间尺度是模型尺度 的十几倍关系。在此类情况下，可以认为是属于中一远场的情况，采用声模拟法进行 计算。 一 图2 2 采用声模拟法计算的汽车空间 很多问题中，湍流噪声的频率是连续变化的，没有明显的频段，在这种情况下采 用宽频带噪声源模型法可以计算声功率。测量噪声的最终目的是要减轻噪音，宽频带 噪声源模型可以获取有用的噪声源的信息，帮助人们判断到底哪部分是噪声产生的主 因。与前两种方法不同的是，它无法预测空间噪声的情况。汽车行驶的风噪声就是频 率在很宽的频段上连续变化的例子，如图2 3 是分析某型轿车在行驶过程中，汽车产 生风噪声的情况【2 ”，颜色深度不同代表了噪声功率的大小，这为工程师直观、快速地 定位噪声源提供了参考依据。 图2 3 宽频带噪声源模型法计算声功率 在计算成本上，三者也各不相同。与直接法和声模拟法不同，宽频带噪声源模型 不需要任何控制方程的瞬态求解，所有的源模型参数可由雷诺时均n - s 方程直接提 1 4 南京理工大学硕士学位论文汽车凰嗥声的数值仿真与分析 供，例如平均速度、湍流的动能、湍流耗散率等参数。因此，这种方法的计算要求最 低。对于三种模型的使用范围、计算条件与优缺点比较，可参考表2 i 。 表2 1 三种计算模型的比较 黼 趴 计算要求精度适用范围限制条件 网格要求高