（车辆工程专业论文）高速车辆车内气流噪声的理论计算方法研究.pdf

江苏大学博士研究生毕业论文 摘要 随着对车辆其它噪声源的有效控制和行驶速度的不断提高，高速车辆所引发的气 流噪声已成为影响车内噪声的主要噪声源之一。车内气流噪声严重影响了车辆乘坐的 舒适性，因此必须对其加以研究和控制。 本文首先利用a n s y s 有限元软件，选用湍流模型对汽车外部流场进行了数值模 拟，通过研究汽车外部流场的速度分布和表面静压力分布，对汽车外部流场特性进行 了定性分析，并通过对以车辆外形为边界的n s 方程进行直接数值计算，得到了车内 气流噪声的主要声源车辆表面脉动压力的数值解，结果与试验吻合良好。锰此基 础上，利用h e l m h o l t z 方程和g r e e n 函数建立了车内声场数学模型，通过对弹性薄板 进行能量流分析，利用c o r c o s 模型和s m o l y a k o v t k a c h e n k o 模型，推导出理论求解模 型壁板表面振动速度的计算方法，并编写了边界元法( b e m ) 计算程序，对车内气流 噪声的固体声分量进行了理论计算，发现计算结果与实验结果相比，在低频段吻合良 好，在中高频段误差较大。同时，根据统计能量分析( s e a ) 理论，建立了车辆模型 的固体传声和泄漏声s e a 模型，通过理论计算和实验测量确定了模型各子系统的s e a 参数，通过编写计算程序对车内声场进行f 里论计算，发现计算结果与实验结果相比， 在中高频段吻合良好，在低频段误差较大。此外，通过对车辆缩尺模型进行风洞试验， 分析研究了高速车辆表面流态、a 立柱附近的流场状况、侧板表面脉动压力的分布、 侧窗 影响 面脉动压力对车内声场的影响、以及不同位置小孔泄漏对车内气流噪声的 研究的基础上，本文首次提出利用b e m 与s e a 相结合对高速车辆车内气 流噪声进行理论估算的方法，即用b e m 分析车内气流噪声的低频段固体声分量，用 s e a 分析车内气流噪声的中高频段固体声分量和车内气流噪声的空气声分量。通过将 空气声和固体声两部分能量进行叠加，估算出同时考虑固体传声和泄漏传声时车内气 流噪声的理论声压级，与车辆缩尺模型的风洞试验结果比较，结果表明：利用b e m 与 s e a 相结合的方法，比分别单独使用b e m 或s e a 方法束估算，具有较高的精度，且 不理想的车辆) 的实际。 脉动压力边界元法统计能量分析 篡 a b s t r a c t w i t l lt 1 1 ee f i e c t i v ec o n t r o lo fo t h e rn o i s es o u r c e sa n dt h ei n c r e a s i n gd r i v i n gs p e e d ，t h e a e r o d y n a m i cn o i s ed e r i 、，e d f r o mt h eh i g h - s p e e dv e h i c l eh a sb e e nb e c o m i n go n eo ft h e m a i l ls o u r c e so fi n t e r i o rn o i s eo fv e h i c l eo 、i n gt oi t ss e r i o u si n f l u e n c eo nt h ec o m f o r t o f c a r w es h o u l dt a k ei m m e d i a t em e a s u r e st o1 e s e a r c ha n dc o n t r o li t i nt h i sd i s s m r a t i o n a t f i r s t b yu s i n g t h ef e ms o f t w a r eo fa n s y s ，w et a k et h e 1 1 l m l e r i c a ls i m u l a t i o n f o re x t e r n a la i r f l o wa r o u n d 、e h i c l ew i t hs o m es e l e c t e dt u r b u l e n t m o d e lt h e n w em a k eaq u a l i t a t i v ea n a l y s e so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ee x t e r n a la i r f l o w t h r o u g ht h es p e e dd i s t r i b u t i o na n ds t a t i cp r c s s u l ed i s t r i b u t i o no fs u r f a c e ，a n db ya d i r e c t l m m e r i c a lc a l c u l a t i o no fn se q u a t i o nw i t ht h eb o u n d a r yo fc a rs h a p e ，w e v eg o tt h e n u m e r i c a ls o l u t i o no ff l u c t u a t i n gp r e s s u r e0 1 1t h es u r f a c eo fc a r ，w h i c hi st h em a i ns o u r c e o fi n t ej i o r a e r o d y n a m i c n o i s e w h a t sm o r e i tt u r n so u tt o b ec o n s i s t e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 0 nt h eb a s i so l t h a t w es e tu pam a f l l e m a t i c a lm o d e lo ft h ei n t e r n a l s o u n df i e l d t h r o u g h h e h n h o h z e q u a t i o n a n dg 1e c l l f u n c t i o n ，b y c o r c o sm o d e la n d s m o l y a k o x t k a c h e n k o m o d e l ，t h r o u g he n e r g y f l o wa n a l y s e so n at h i n t r a n s v e r s e l y 、一i b r a t i n gp l a t e ，w eu n d e r s t a n da t h e o r e t i c a ls o l u t i o no ft h es u r f a c ev i b r a t i n gs p e e do ft h e s b e e tm e t a li n o d e l t h e nw em a k eabe m ( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) p r o g r a m ， c a l c u l a t i n gt h e s o l i ds o u n dp o r t i o ni nt h ei n t e r i o ra e r o d y j m m i cn o i s et h e o r e t i c a l l y ，a n d c o m p a r e dw i t ht h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei s a g o o dc o n s i s t e n c e i nt h el o wf r e q u e n c ys t a g ea n dah i g he r r o r i nt h e m i d d l e & h i g h f r e q u e n c ys t a g e i nt h em e a n t i m e ，a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i ce n e r g ya n a l y s i s ( s e a ) ，w ee s t a b l i s ht h e s o l i dt r a n s m i s s i o nm o d e la n dl e a k a g es o u n dm o d e lf o rt h ec a rm o d e l ，a n dd e t e r m i n et h e s e a p a r a m e t e r so fe a c hs u b s y s t e mo f c a rm o d e lt h r o u g ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lm e a s u r e t h e nw ep r o g r a mas e ap r o g r a mt o c a l c u l a t et h ei n t e r n a ln o i s e f i e l dt h e o r e t i c a l l y a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sag o o dc o n s i s t e n c ei nt h em i d d l e & 兰! ：叁耋竺! ：竺! ! 皇兰些丝兰。；一 h i g hf r e q u e n c ys t a g e a n dah i g he r r o ri nt h el o wf r e q u e n c ys t a g e ，c o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i na d d i t i o n w em a k eas e r i e so fw i n dt u n n e lt e s tf o rr e d u c e ds c a l em o d e l o fc a r ，a n d b yt h i s ，w er e s e a r c ht h ea i r f l o ws t a t e o fh i g h - s p e e dc a r ，a i r f i e l dc o n d i t i o no fa 。p i l l a r ，t h e s u r f a c ef l u c t u a t i n gp r e s s u r eo ft h es i d ep l a t e t h ei n f l u e n c eo f s u r f a c ef l u c t u a t i n gp r e s s u r e o fs i d ew i n d o wo nt h ei n t e r n a ln o i s ef i e l da n dt h ei n f l u e n c eo ft h el e a k a g eo fd i f f e r e n t p o s i t i o no nt h ei n t e r i o ra e r o d y n a m i c n o i s e t h e n a sak i n do fi n n o v a t i o n ，w ec o m b i n eb e mw i t hs e aa t t h es a m et i m et o e v a l u a t et h ei n t e r i o ra e r o d y n a m i cn o i s eo fh i g h s p e e dc a rt h e o r e t i c a l l yf o rt h ev e r yf i r s t t i m e ，t h a ti st os a y ，u s i n gt h eb e m t oa n a l y z es o l i ds o u n dp o r t i o no ft h el o wf r e q u e n c y s t a g e i nt h ei n t e r i o ra e r o d y n a m i cn o i s e ，a n du s i n gt h es e at oa n a l y z et h es o l i ds o u n d p o r t i o no t m i d d l e & h i g hf r e q u e n c y s t a g e a n da i rs o u n d p o r t i o n i nt h ei n t e r i o r a e r o d y n a m i cn o i s e7 f h r o u g ht h ea d d i n go f t h ea i rs o u n de n e r g ya n ds o l i ds o u n de n e r g y ， 、ec a ng e tt h et h e o r e t i c a lr e s u l t so fi n t e r i o ra e r o d y n a m i cn o i s e ，w h i c hi n c l u d et h es o l i d s o t m dt r a n s m i s s i o na n dl e a k a g en o i s es i m u l t a u e o u s l y t h ec o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l t so f t h ew i n dt u n n e lt e s t so fr e d u c e ds c a l em o d e lc a r ，s h o wt h a t t h er e s u l t sw i t ht h e c o m b i n a t i o no fb e ma n ds e ah a v eb e t t e rp r e c i s i o nt h a nt h er e s u l t s ，w h i c ho n l yu s et h e b e mo rs e a r e s p e c t i v e l y f u r t h e r m m e t h a ti s m o r ec o m p l i e dw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no f c a r ( e s p e c i a l l yf o rt h ec a rw i t hab a ds e a l k e 3 、o r d s ：v e h i c l e ( c a r ) a e r o d ? n a l n i cn o i s ef l u c t u a t i n gp r e s s u r e b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ( b e m ) s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ( s e a ) 江苏大学博士研究生毕业论文 第一章绪论 车辆噪声作为车辆的一项重要的性能指标，可分为车内噪声和车外噪声两方面。 车外噪声是影响周围环境、特别是城市交通噪声的重要因素；车内噪声则是影响车辆 特别是轿车舒适性的重要指标，它是车辆在行驶过程中，受发动机噪声、排气和吸气 噪声、传动系噪声、轮胎噪声、车身板壁辐射噪声以及气流噪声等影响，在车辆内部 形成的有害声响。 车内噪声恶化了车辆的运行环境，对驾驶员和乘客的情绪、精神和生理造成了很 大危害。例如，长时间的行驶，驾驶员和乘客都会出现不同程度的耳膜胀痛、轻度头 昏以及头痛等。随着科学技术的发展，人们生活条件的提高，对车内舒适性的要求也 不断提高。为了改善乘车环境，保障人们的身心健康、行车安全以及乘车舒适性，控 制车内噪声一直是广大科研工作者关心的研究课题。 1 1 车内气流噪声研究的意义 车辆噪声是车辆的主要性能之一，又是污染环境的主要公害之一。世界各国一直 重视车辆降噪的研究，并制定了车辆的车内外噪声标准。例如，美国汽车工程师协会 ( s a e ) 提出载重汽车驾驶室噪声不得超过8 8 d b ( a ) ，小客车应低于7 0 d b ( a ) ，原苏联 的国家标准( 1 9 7 4 ) 规定：旅游大客车车内噪声不得超过7 5 d b ( a ) ，轿车不得超过 8 0 d b ( a ) ，载货和大客车内噪声不得超过8 5 d b ( a ) 等。近年来，我国汽车工业迅速发展， 汽车正在成为我国人民广泛使用的运输和交通工具，车内噪声正受到汽车工程界的广 泛关注。同发达国家相比，无论是从车辆制造，还是车内噪声的控制等方面而论，我 国的汽车工业还处于发展阶段。 如前所述，行驶中的车辆，其车内噪声受发动机噪声、排气和吸气噪声、传动系 噪声、轮胎噪声、车身板壁辐射噪声以及气流噪声等多种噪声源的影响。因此，车内 噪声的控制同车辆外部多种噪声源的控制密切相关，并且随着车辆技术的发展，车辆 噪声控制在不同时期的研究重点亦不同。在车辆噪声控制的初期，由于车速不高以及 设计制造水平较低，发动机噪声、排气噪声和传动系噪声是主要的噪声源。经科学技 术人员的不断努力，这些噪声首先得到了有效控制。随着车速的逐步提高，以及发动 机和传动系等噪声得到有效控制，轮胎噪声成为了主要的噪声源之一。同样是经过科 技人员多年的努力，对轮胎噪声的控制也取得了较为满意的成果。随着上述噪声逐步 得到了有效的控制，以及车速的进一步提高，车辆气流噪声对车内总体噪声的影响显 得愈发突出，所占据的相对地位也越发重要。 1 9 7 2 年，德国学者b u c h h e i me ta 1 在对1 5 种不同汽车进行测试时发现，在车速 为7 0 m p h ( 哩小时) 的情况下，气流噪声引起的车内噪声的范围是6 2 7 8 d b ( a ) ；而 在o m p h 这个在德国不算太高的车速下，由气流噪声引起的车内噪声为7 2 8 7 d b ( a ) 不等，即在高速行驶时，仅气流噪声一项便已使得车内噪声超标。随着汽车技术的 发展，发动机噪声、传动噪声和轮胎噪声被进步降低，经研究发现，1 9 8 3 年当车速 为1 0 0 m p h 时，车辆气流噪声变得与其它噪声同等重要；而到了1 9 9 2 年，即使在6 0 m p h 的车速下，气流噪声便已明显地影响到车内噪声量，尤其是豪华型轿车的车内噪声“。 另外，美国学者k i n gw f 和b e c k e r td 。“指出，由于气流噪声随车速的六次方增长， 而火车铁轨噪声仅随车速的三次方增长，当火车的运行速度达2 0 0 m p h 时，其气流噪声 和铁轨噪声相当，而对于更高速的火车而言，气流噪声甚至比铁轨噪声更为重要。以 上情况无不说明了，在车辆高速行驶时，车辆气流噪声有取代其它噪声源成为主要噪 声源的趋势。因此研究和降低气流噪声已成为控制高速车辆噪声的关键之一。 为了减轻气流噪声对车内噪声的影响，必须先研究车辆内部气流噪声产生的机理， 弄清车外气流噪声向车内传播的途径，在此基础上，建立车内气流噪声的数学模型， 对车内气流噪声的大小进行预估，从而为有效控制车内气流噪声问题提供理论依据。 需说明的是，这早讲的车内气流噪声，实际是指车辆在空气中行驶时所产生的气流噪 声向车内传递，从而构成车内噪声中由车外气流噪声传入车内的分量，本文简称车内 气流噪声。 随着我国高速公路的不断兴建和投入运行，车辆气流噪声的控制成为了我国汽车 工程界一个亟待解决的问题。此外，由于高速车辆气流噪声问题涉及到汽车工程学、 流体力学和声学等多门学科，且有些问题涉及至今在理论上尚未得到圆满解决的领域 ( 如湍流问题) ，具有相当大的难度，故有关车辆气流噪声的研究成果必将能大大的丰 富上述学科的内涵。因此，本课题对车内气流噪声的研究无论从学术还是从现实的角 度来说，都具有重要意义。 i 2 与本课题有关的国内外研究现状 车辆气流噪声是一门新兴的学科，虽然研究时间不长，许多方面还不很成熟，但 是其研究的重要性已被人们所认识，所以已有许多科学技术人员致力于这方面的研究t 并取得了不少成果。由于车辆车内气流噪声研究不光涉及到车辆、流体力学和声学等 多门学科，而且还牵系到车辆内腔噪声分析与控制方法等问题。因此，本节主要就与 车内气流噪声相关的一些国内外研究情况作一概述。 1 2 1 气流噪声研究概况 车辆气流噪声是车辆高速行驶时，车辆与空气流场相互作用而产生的空气动力噪 声。车辆气流噪声属于流体声学的范畴，而流体声学既可以看作流体力学的一部分， 又可以看作流体力学与声学的结合。 江苏大学博士研究生毕业论文 流体力学和声学的发展都已具有相当悠久的历史。在流体力学方面，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 方程描述了牛顿粘性流体运动的最 为普遍的规律，既描述了层流运动，也描述了紊流运动，从而也包含了流体的一般运 动与声波波动的内在关系。但由于该方程的复杂性和非线性，只有少数简单的问题有 解析解。在声学方面，1 9 4 5 年英国科学家r a y l e i g hj o h nw 发表的“t h e o r yo fs o u n d ” 一书总结了此前二三百年的大量声学研究成果，开创了现代声学研究的先河。此后， 随着声学的不断发展，许多疑难的声学问题得到了解决，但直到本世纪5 0 年代之前， 人们仍尚未孬清紊流、旋涡以及运动物体的发声机制。“1 1 9 5 2 年，英国科学家l i g h t h i i l 在英国皇家学会会刊上发表了题为 o ns o u n d g e n e r a t e da e r o d y n a m i c a l l yig e n e r a lt h e o r y 的论文”1 。该论文根据n s 方程导 出了描述气流运动发声的l i g h t h i l l 方程，建立了声波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。从那时到现在，气 动声学无论是在理论或实践方面都有了较大的发展和应用。但最初l i g h t h i i i 方程的 求解是在自由空间假设下得到的，对于固体边界不起作用。1 9 5 5 年，c u r l e “3 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，成功地解决了诸如湍流中 静止小物体的风鸣声、圆柱旋涡脱落诱发的噪声等问题。其研究结果表明，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，也就是说，在这种情况下，声场是由四极子源和偶极 子源叠加组成的。但是c u r l e 理论并没涉及到运动固体边界与流体相互作用的发声问 题。1 9 6 4 年，a p o w e l r 7 提出涡声理论，为揭示湍流发声提供了理论依据。1 9 6 5 年l o w s o n 研究了自由空间里的个运动奇点的声场特性。这个奇点可以是偶极子源、单极子源 或四极子源。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 ”1 应用广义函数法将c u r l 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 lj 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的叠加组成的。但是，无论是c u r l e 方程或还是f f o w c s w i l l i o m s - h a w k i n g 方程均假定声源传播的介质是静止的。1 9 7 4 年，g o l d s t i n d 用格林 函数方法研究了均匀运动介质下运动物体的发声问题，得到更为普遍的广义l i g h t h i l l 方程。8 0 年代，j c h a r d i n ，c a v i l e g ，a a a b r a s h k i n 等对圆柱体的气流噪声特 性、远场声压估算进行了深入地研究，取得了较好的结果。 总的来说。上述研究奠定了物体在高速气流中引发噪声的理论基础，但这些研究 基本上都是在特定的假设条件下，以最典型的圆柱体在气流中引发噪声作为研究对象 的，对解决诸如车辆气流噪声这一类实际工程问题，还有不少距离。 第一章绪论 1 2 2 车辆气流噪声的研究 近二十年，国外学者开始关注车辆气流噪声的研究，美国、英国、日本等国的科 学家在这方面作了大量的工作，并取得了不少成果。这里仅就车辆气流噪声试验研究、 车外流场与表面脉动压力研究、噪声源分析、车外脉动压力向车内传播机理以及车内 气流噪声预估等方面进行概述。 i 2 2 1 车辆气流噪声的试验研究 如前所述，由于气流噪声的理论研究在许多方面距离实际应用还有相当大的差距， 而实验却具有直观与可靠的优点，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、产生机理和传播规律， 已进行了多种多样的试验研究，归纳起来可分为两种：实车道路试验和风洞试验。 实车道路试验是将车辆加速到一定速度后关闭发动机，测量出脱档滑行时车辆的 气流噪声。该试验方法具有直接真实且不需要风洞等优点，但其主要缺点也是明显的， 即很难避免轮胎噪声和其它噪声对总体噪声的影响。消除或减少轮胎噪声有两种方法： 其一是在路边设置一定高度的低噪声障碍物，使之吸收和反射一部分轮胎噪声：其二 是通过部件试验，如转鼓试验，单独测出轮胎噪声，然后在总噪声中扣除。对于前者， 1 9 8 3 年德国学者d o b r z y n s k i 等人利用该方法对车外气流噪声进行了分析研究，取得 了较为满意的结果。而后者，最好的方法可能是利用声强计直接测出轮胎噪声的影响。 此外，利用声强计还可以直接测量不同部件对总噪声的贡献。这一方法在对车内气流 噪声进行分析时特别有效。 风洞试验可分为实车风洞试验、缩尺车模型风洞试验和部件试验。风洞又有开式 风洞和闭式风洞之分。风洞试验具有不受环境和气候条件的影响、数据稳定可靠等优 点，但由于风洞建造成本高、试验费用大，尤其是实车风洞，目前世界上也仅有为数 不多的大公司和科研院所才拥有，如美国的福特公司、1 三i 本的马自达公司、意大利的 菲亚特公司、德国的s t u t t g a r t 大学等。 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 噪声风洞中进行，但对于车辆内部气流噪声及表面脉动压力的测量与分析一般也可以 在普通闭式风洞中进行，只不过需要对试验数据进行必要的修正。如1 9 8 6 年，意大利 菲亚特公司a l o r e a 和v c a s t e l l u c c i o ”。利用普通实车风洞对车内气流噪声进行了全 面的分析，得出了许多有价值的结论。他们消除本底噪声影响的方法是：在试验前测 出风洞的本底噪声，再将样车置于风洞内，在无气流的情况下用喇叭模拟本底噪声， 同时测量本底噪声对车内的影响，最后在f 式试验中扣除这一本底噪声的影响。试验 证明，这种方法具有良好的效果。1 9 9 2 年”，日本的马自达公司也利用普通实车风洞 对汽车表面流态及表面脉动压力进行了试验，效果比较理想。 4 江苏大学博士研究生毕业论文 目前国内外的低噪声风洞还很少，已知的大型低噪声实车风洞主要有德国 s t u t t g a r t 大学的i v k 风洞、意大利的p i n i n f a r i n a 风洞、荷兰的d n w 风洞、德国的 b n w t e e h n i k 风洞和瑞典的v o l v o 风洞等”“。这些风洞都是为能满足车内外气流噪声 试验研究的要求，耗巨资由原先的普通风洞改造而成的。改造时耗资如此之大，这也 充分说明了车辆气流噪声研究的重要性。 1 2 2 2 流场及表面脉动压力研究 当车辆高速运行时，车身与周围空气发生相互作用，在车辆表面形成一个边界层， 并产生强大的分离流、涡流以及湍流。流动中的涡流和湍流相互作用，从而在车身外 表层产生强大的脉动压力场。研究表明，此脉动压力场对车内噪声具有重要的影响。 由于脉动压力取决于流场状况，特别是车辆周围涡旋的分布、形成、脱落及破碎情况， 所以对车辆周围流场及脉动压力的研究是研究车辆气流噪声的基础。 1 9 9 0 年，美国学者a l b e r tr g e o r g e 发表了题为a u t o m o b i l ea e r o d y n a m i c a l l y n o is e 的论文”。文中全面地阐述了车辆气流噪声产生的机理，车外空气脉动压力的 分市，以及气流噪声对车内外的影响。并且通过分析流速、静压系数和气流噪声之间 的关系后指出：静压系数和气流噪声或脉动压力之间有着直接的联系。由于通过计算 或测量静压力或静压系数，可以反映出车辆周围脉动压力的分布情况，因此，研究车 内气流噪声时有必要先研究车辆外部流场情况。 如前所述，脉动压力是由流动中的涡流和湍流相互作用产生的，而车外脉动压力 又是车辆内部气流噪声的源。研究车外脉动压力通常有两种方法：一种是通过风洞实 验来测量车外的脉动压力；另一种是利用s 方程用数值模拟的方法来计算车外的脉 动压力。而实验方法又分烟油法和表面直接测量法等。 图1 1 是1 9 7 8 年由h u c h o ”“利用 实车风洞对汽车空气阻力进行研究时 得到的轿车周围流谱分布图。该图揭 示了汽车周围的流场及局部湍流和涡 流的情形。研究表明：a 立柱后的侧 窗附近存在着的强烈涡流，是影响车 内声场的主要声源。 图1 2 为a 一立柱附近区域的流动 情况，它是1 9 7 8 年w a t a n a b e ， mh a t it a 和e h a y a s h i ”在研究车辆 外形对气流噪声的影响时，通过汽车 表面流态显示试验得到的结果。由图 可见，a 立柱后面的侧窗表面存在着 图i 1 小轿车周围的流谱“4 强烈的涡旋，流动在这个区域上是先分 离然后再附着，整个区域可以分成分离 区和再附着区。进一步的研究表明，在 分离区内存在着两个方向相反的涡，通 过测量表明分离区的流动是有旋的，而 再附着区的流动是无旋的，并且存在涡 旋的地方静压系数的负值较大，变化率 也较大。以上研究结果表明，诱发气流 噪声的脉动压力同涡流流动是密切相 关的，可以把分离区的气流流动作为研 究气流噪声的重点之。 图1 2a 立柱附近区域的流动“j 综上所述，表面脉动压力对车辆气流噪声有着直接的影响，要研究车内气流噪声 产生的机理，并提出车内气流噪声的预估方法，首先必须弄清车外脉动压力产生的机 理以及车外脉动压力的分布，然后确定车外气流噪声向车内传播的途径。不过就目前 而言，对表面脉动压力的研究还存在相当大的困难。首先是表面脉动压力的测量还没 有一致认可的方法；其次，表面脉动压力的估算还没有较好的方法。 1 2 2 3 噪声源分析及车外脉动压力向车内传播机理研究 如前所述，产生车辆气流噪声的基本原因就是由局部气流分离引起的，在车身及 突出部件周围强烈起伏的脉动压力。车外脉动压力向车内传播气流噪声有两个基本途 径：一是脉动压力经孔隙向车内传播，即空气声传播，又叫泄漏声，指的是车外脉动 压力通过车窗、各车外部件之间的缝隙、以及车门门缝等传播到车内；二是脉动压力 经板壁传入车内，即结构声传播，又叫固体声或穿透声，指的是车窗、车门、车壁等 板壳结构在脉动压力的作用下产生振动，向车内辐射噪声，包括由车身结构支承边缘 的反射波产生的辐射声。 根据美国学者a l b e r tr g e o r g e 的研究1 ，泄漏声可分为两部分：第一部分是车 身外部的脉动流通过密封件时引起质量流，从而产生单极子噪声( 试验表明，当车辆 确实存在泄漏时，由泄漏引起的单极子噪声往往起主导作用，其次是二极子噪声，而 四极子噪声往往很小) ：第二部分是车外脉动压力透过密封件传入车内的噪声，这部分 噪声的大小与车外脉动压力及密封件的隔声能力有关，降低这部分噪声的有效措施是 采用双层密封结构而不是简单地增加密封件的质量和刚度。 图1 3 出示了汽车主要噪声泄漏源，各种泄漏源对车内声场的贡献，以及经壁板 传入车内的声能与经空隙传入车内的声能的比较“。尽管对于不同的车辆经板壁和经 空隙传入车内的声能是不一样的，但是，它仍然表明经空隙向车内传播噪声是外部脉 动压力向车内传播的主要途径之一。 兰茎查兰堡兰丝窒竺竺些篁兰 酗1 3a 汽车噪声泄漏源 8 5 8 0 7 5 7 0 6 5 6 0 5 5 5 0 a b c d e f g x y z 图1 3b 各种泄漏源对车内噪声场的贡献 a 通风窗b 底密封门c 车门把手d 前密封门e 车窗密封条f 中心密封门 g 尾密封jh 雨水槽x 车辆振动诱发噪声y 孔隙泄漏躁声z 车内总气流噪声 图1 3 汽车各噪声泄漏源对车内声场的贡献 固体声是以振动声辐射的形式将脉动压力的能量传入车内，引发车内噪声。这部 分噪声主要耿决于车外的脉动压力、车身与车窗玻璃的动力学特性以及车厢内的声学 特性在低频范围内占有较大比重。 1 9 8 6 年w d o b r z y n s k i “”“”在研究汽车车体不同部位的气流噪声源对车内总体噪 声的贡献时，得到如图1 4 的结果。该图表明，对车内声场贡献最大的是a 立柱后的 通风窗和前侧窗玻璃。其主要原因是a 立柱后存在着强烈的涡旋，侧窗表面脉动压力 较强以及侧窗的“隔声”能力较差等。分析图1 4 可知，经壁板传声也是脉动压力向 车内传播的主要途径之一。 图1 4 车身各部位对车内气流噪声的贡献“” 总的来说，影响车内气流噪声的主要因素有：车身的基本形状、后视镜、天线、 雨水槽、啊刮器、密封系统、车窗、挡风窗以及风和汽车的相对速度和方向等。由后 视镜、雨刮器、天线等外露件产生的“附件噪声”有时也会对车内产生很大的影响 jh 【q l7 2 ) 1 o 宰 1 2 2 4 车内气流噪声研究 一般而言，对于密封不良的汽车，泄漏声往往是主要的，反之则是传透声占主导 地位，而附件噪声要视具体情况而定。应该指出，现代汽车特别是一些高档轿车的密 封性一般都比较好，光凭对车身接缝处的密封件采用“修修补补”的降噪方法已难以 见效。网此，研究车外脉动压力及其向车内的传播，对研究和进一步降低车内噪声就 j 得尤为雨要。 父于i 内气流噪声的研究，近二十年来，已有不少学者为之做了大量的工作。1 9 8 6 年，h r 趴n k v 一花列汽车不同表面脉动m j 进行测量的基础上，就车身各表面对车 内粜卢的吱献进行了预估，对进一步降低年内气流噪声的研究具有指导意义。同年， a 1 mr l 嘲和、ic a s t e l l u c c i o “3 等利用风洞试验研究了标准车的不同部位气流噪声对车 内声场的影响。9 0 年代仞，同本马自达公司的科研人员s h jg e r uh a r u n a ，t a k a h i d e n “m 礼1o h ir ok a m i m o t a o j 2 “1 等从实验和数值计算两方面研究了车外脉动压力的 分布以及对年外声场的影响，并用l i g h t h l 方程，预测车外气流噪声，结果表明， 牛外气流噪声量与车速的6 次方成j 下比。马自达公司的上述研究对车内气流噪声的数 值计算刚样县有指导意义。1 9 9 0 年，美国学凿a 1 b e r tr g e o r g e 研究了车辆气流噪声 产生的机理，车外脉动压力的分布，以及气f j i l ，t 声对车内车外的影响，并把气流噪声 的研究分为四个阶段，同时指出其工作仍处于仞级阶段，离有效控制车辆气流噪声还 比较遥远。1 9 q 7 年，s f w u 。“将汽车简化成箱体，用统计能量分析法( s e a ) 初步研 究了山车辆侧窗表面脉动压力诱发产生的年内气流噪声。同年，美国福特公司的科研 人员( ；ss t r u m o l 01 “1 也用s e a 方法对车辆内部气流噪声进行了数值模拟。但s f w u 和( ，s s t r g m 0 1 0 的研究，都是在假设车辆的密封性能完好，忽略泄漏声的前提下进行 的。j - t g ，】9 9 7 年，w b c o n e y 等“用c o f c o s 模型研究了包括侧窗玻璃在内的车外表 面脉动压力，并对a 立柱附近的涡流和分离流进行了重点分析，从而揭示了分离流和 再附着流区脉动压力场的某些特性。1 9 9 9 年，f h a n 。”等利用能量流分析法( e n e r g y f l ( ，wa n a ly s is ) 研究了处于湍流边界层以及分离再附着流场中的薄板，受脉动压力激 励后的结构振动响应和辐射声能，该方法对车辆内外气流噪声预估具有指导意义。 国内在车辆气流噪声的研究方面起步较晚，还不够系统和深入。近年来，江苏大 学对车辆气流噪声问题进行了初步研究，研究的重点主要是车外脉动压力场，以及脉 动压力对车外声场的影响，对车辆表面脉动压力向车内传播的规律也进行了一定的试 验和理论研究，并取得了初步的结果。 山以上分析，综合现有的国内外资料可以得出结论：车内气流噪声是由车外的压 力脉动经孔缝“泄漏”或壁板“传透”而产生的，气流的不稳定流动和车辆附近的压 力脉动是产生车内气流噪声的根本原因，准确预估车内的气流噪声对进一步认识气流 噪声的内在规律、影响因素及降低气流噪声都具有重要的意义。由于无论车内还是车 江苏大学博士研究生毕业论文 外气流噪声的预估都涉及到表面脉动压力的问题，而压力脉动又与车辆周围涡旋的分 布、形成、脱落及破碎情况有关，因此，对车外表面的流场和脉动压力场的研究也具 有重要意义。 l 、2 3 车内噪声研究方法概述 在我国，关于车内噪声分析和控制的研究是近十多年来才得到重视的，而国外也 爿三十多年的历史。到目前为止，对于控制车内噪声的方法，综合起来可大致分为被 动控制、主动控制、和基于声固耦合振动分析的声场优化与边界结构的动力修改“。 车内声场分析实质是研究声固耦合问题。关于声固耦合问题的研究，目前主要采 用声弹性法、有限元法、边界元法、统计能量分析法等。声弹性法要求已知刚性壁腔 的声模态和真空中的结构模态，其方法简单，但精度低，般只用于形状简单、壁刚 性较好或腔体较深的情况。有限元法可适用于任何结构和声腔形状，但对较复杂的结 构，计算费用大。边界元法具有使分析问题降维、计算精度高( 其精度只与边界的离 敞有关，与模态高低或密度无关) 、以及适应于无限域问题等优点，但不足之处主要反 映在计算工作量大、奇异积分的处理以及特征频率处解的不唯一性等。统计能量分析 法主要适用于高频宽带随机振动声场，对中低频分析时，会产生过大的误差乃至于完 全失效，这与有限元法和边界元法般只适用于非均匀声场低频噪声的分析形成了鲜 明的对比。 边界元法在6 0 年代主要运用于声学领域，从7 0 年代中期才开始运用于内腔声场 声固耦合振动问题的研究。1 9 7 1 年，美国学者r p s h a w “首先提出一种处理声波问题 的边界积分方法，利用h e l m h o l t z 方程和ig r e e n 函数推导出求解声波问题的边界积分 方程，由于边界元方法独特的优越性，该方法得到了迅速的发展。1 9 8 4 年，美国学者 af s e y b e r t ”等成功地运用边界积分方程和边界元方法解决了简单声源的声辐射问 题。1 9 8 7 年，同本学者用中均“1 等综合运用处理结构振动的有限元方法( f e m ) 和处 理声场问题的边界元法( b e m ) ，首先在一个长方形箱体模型上进行分析求解，然后推 广到预测车内声场，优化车内声学环境，取得了很大的成功。1 9 9 4 年，国内学者李世 岩= “用边界元法对车内声场进行了分析计算，其结果在低频段吻合良好，但在中高频 段出现较大误差。1 9 9 8 年，国内学者姚志远1 用格林函数法建立了车外气流噪声向车 内传播的理论模型，并对车内气流噪声进行了理论计算，但其结果同样存在高频段误 差较大的问题。1 9 9 7 年以来，s e a nf w u ”。”“。”等，在利用h e l m h o l t z 积分方程求出 结构体的辐射声压的基础上，用h e l s 方法( h e i m h o l t ze q u a t i o nl e a s t s q u a r e s m e t h o d ) 重构了三维复杂振动结构的辐射声场。研究结果表明，该方法在中低频范围 内效果显著。1 9 9 7 年，台湾大学学者w s h w a n g ”“”“对声辐射问题中边界积分方 法进行了研究，对积分奇异性和特征频率处解不唯一问题的处理方法进行了深入的探 讨。此外还有不少与边界元相关的研究报道，在此就不作逐一叙述”1 。 统计能量分析( s t a r i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ，简称s e a ) 是六十年代为研究航 第一章绪论 空和宇航结构对湍流噪声和喷射噪声的影响，而发展起来的一种对高阶模态进行分析 的方法。统计能量