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汽车气动噪声研究方法
2020-09-30 09:32:45· 来源：AutoAero 作者：王中俭
汽车气动噪声的研究，目前来说研究方法大致分为两种：一是进行实验测试，利用专业声学测试设备，包括传声器和测试系统，对车内外的风噪声进行精细的测量。不过实
汽车气动噪声的研究，目前来说研究方法大致分为两种：一是进行实验测试，利用专业声学测试设备，包括传声器和测试系统，对车内外的风噪声进行精细的测量。不过实验测试根据测试方式和测试环境的不同又可以细分为两种，分别是道路风噪测试和风洞风噪试验；二是进行数值仿真计算，主要包括采用不同的方法对车内外声场进行仿真分析。
一、道路风噪测试
通过实车道路测试进行风噪声测试，优点在于灵活性好，成本低，实验准备比较简单，而且更加贴近生活中实车的驾驶状态，便于进行主观评价，同时通过在车内布置声学传感器可以实时监测车内噪声水平。但是实车道路测试受限于环境的影响，并且测试效果受路面、轮胎噪声、发动机噪声与传动系机械振动噪声影响较大，且路面不可控性大。
二、风洞风噪试验
严格来说，汽车风洞风噪试验应该在低噪声风洞中进行，它与一般空气动力学风洞的区别就在于进行了风噪背景噪声的处理，主要集中在风洞进出口，拐角以及风机叶片等等，如图1所示。
图1 声学风洞
相比于道路实验测试，风洞风噪试验独特的优势就是排除了其他声源干扰，可以更精确的识别出风噪声源，同时可以采用波束成形技术、表面声压测量技术等对车外噪声进行测试。不过风洞测量费用昂贵，相比来说，采用数值仿真计算在汽车开发前期进行风噪声的研究工作相对来说更为便捷。
汽车气动噪声的数值模拟方法主要分为两种类型，一是对汽车外部气动噪声的数值模拟，一种是对车内气动噪声的数值模拟，汽车外场噪声计算方法主要分为计算气动声学方法、声类比方法等；汽车车内气动噪声模拟方法主要是采用 CFD 与声学求解器耦合的方式，即应用 CFD 与基于有限元方法的求解器进行耦合，求解车内中低频气动噪声。
三、计算气动声学方法
计算气动声学方法（Computational Aeroacoustics，CAA），即在对流场进行求解的过程中，也对声压脉动进行充分的瞬态求解，通过傅里叶变换将监测点处的压力脉动转换成所需的声压级形式。不过由于 CAA 方法在求解过程中，对网格要求过高，网格量多，计算时间太长，很难直接应用于整车外流场的气动噪声研究中。
四、声类比方法
声类比方法（Acoustic Analogy，AA）主要步骤大致分为两步，首先使用 CFD 对声源附近的流场进行准确模拟，然后对波动方程进行求解，计算所求噪声。瞬态求解的时候既可以使用 LES（大涡模拟） 方法，也可以使用 DES（分离涡模拟） 或者瞬态 RNS 等，相比于 CAA 方法，计算量小，不过没有充分考虑到流体流动对声音传播的影响，计算结果精度欠佳。
五、CFD 与声学求解器耦合
利用 CFD 与专业声学求解器进行耦合，其主要思想是利用 CFD 软件对汽车模型源场进行仿真，将源场的数据作为输入源导入到声学求解器中，从而计算汽车车内气动噪声的传播。在保证 CFD 数据计算精确的前提下，应用何种方法的求解器就成为了能否保证声压求解频率，以及车内声压级与实验是否能够符合的关键，目前来说，对车内气动噪声进行预测方法大致分为三种：边界元法，有限元法和统计能量法。
1、边界元法：基本思想是将微分方程转化为在边界上定义的边界积分方程，并将边界离散化，使积分方程成为只含有边界节点未知量的代数方程组，将边界上的节点参数进行求解，进而分析域内的计算参数。但边界元法的优势主要体现在解决无界区域的声学问题上，如外部声辐射或振动结构的散射。
2、统计能量法：统计能量法（SEA）已经成为分析汽车高频振动噪声问题的主要方法，但是由于汽车研发的前期对于结构的损耗因子无法准确预测，因此在新车型开发前期采用统计能量法对由空气动力特性影响的车内噪声水平进行分析比较困难。统计能量法的假设之一是每个子系统有充分的共振模态，也即子系统的模态密度较大的情况下才能保证计算结果的有效性，因此该方法主要适用于中高频噪声问题。
3、声学有限元方法：声学有限元方法的基本思想是采用有限单元将声传播的空气域（比如汽车车厢内部的乘员舱空间）进行离散化，通过声学波动方程对空气域内的声学特性进行求解。声学有限元方法主要用于分析由汽车结构振动引起的车内噪声问题。在数学上，该方法将连续的无限自由度问题转化为离散的有限自由度问题。利用变换的思想，可以求解未知数，然后可以用插值函数求解连续体上的场函数。物理上，该方法主要是将待求解的对象分解为几个节点连接的单元，然后分别分析每个单元的特性，通过节点力传递能量，从而求解连续体的性质。有限元法是解决工程问题最常用的数值预测技术，它求出一个（或多个）场变量在连续域中的分布，由一组适当的偏微分方程和边界条件控制。利用有限元方法直接求解法，能够在每一个需要的频率下直接求解未知节点的压力向量，将向量反向带入压力扩散公式得到稳态声压场的有限元近似场。
一、道路风噪测试
通过实车道路测试进行风噪声测试，优点在于灵活性好，成本低，实验准备比较简单，而且更加贴近生活中实车的驾驶状态，便于进行主观评价，同时通过在车内布置声学传感器可以实时监测车内噪声水平。但是实车道路测试受限于环境的影响，并且测试效果受路面、轮胎噪声、发动机噪声与传动系机械振动噪声影响较大，且路面不可控性大。
二、风洞风噪试验
严格来说，汽车风洞风噪试验应该在低噪声风洞中进行，它与一般空气动力学风洞的区别就在于进行了风噪背景噪声的处理，主要集中在风洞进出口，拐角以及风机叶片等等，如图1所示。
图1 声学风洞
相比于道路实验测试，风洞风噪试验独特的优势就是排除了其他声源干扰，可以更精确的识别出风噪声源，同时可以采用波束成形技术、表面声压测量技术等对车外噪声进行测试。不过风洞测量费用昂贵，相比来说，采用数值仿真计算在汽车开发前期进行风噪声的研究工作相对来说更为便捷。
汽车气动噪声的数值模拟方法主要分为两种类型，一是对汽车外部气动噪声的数值模拟，一种是对车内气动噪声的数值模拟，汽车外场噪声计算方法主要分为计算气动声学方法、声类比方法等；汽车车内气动噪声模拟方法主要是采用 CFD 与声学求解器耦合的方式，即应用 CFD 与基于有限元方法的求解器进行耦合，求解车内中低频气动噪声。
三、计算气动声学方法
计算气动声学方法（Computational Aeroacoustics，CAA），即在对流场进行求解的过程中，也对声压脉动进行充分的瞬态求解，通过傅里叶变换将监测点处的压力脉动转换成所需的声压级形式。不过由于 CAA 方法在求解过程中，对网格要求过高，网格量多，计算时间太长，很难直接应用于整车外流场的气动噪声研究中。
四、声类比方法
声类比方法（Acoustic Analogy，AA）主要步骤大致分为两步，首先使用 CFD 对声源附近的流场进行准确模拟，然后对波动方程进行求解，计算所求噪声。瞬态求解的时候既可以使用 LES（大涡模拟） 方法，也可以使用 DES（分离涡模拟） 或者瞬态 RNS 等，相比于 CAA 方法，计算量小，不过没有充分考虑到流体流动对声音传播的影响，计算结果精度欠佳。
五、CFD 与声学求解器耦合
利用 CFD 与专业声学求解器进行耦合，其主要思想是利用 CFD 软件对汽车模型源场进行仿真，将源场的数据作为输入源导入到声学求解器中，从而计算汽车车内气动噪声的传播。在保证 CFD 数据计算精确的前提下，应用何种方法的求解器就成为了能否保证声压求解频率，以及车内声压级与实验是否能够符合的关键，目前来说，对车内气动噪声进行预测方法大致分为三种：边界元法，有限元法和统计能量法。
1、边界元法：基本思想是将微分方程转化为在边界上定义的边界积分方程，并将边界离散化，使积分方程成为只含有边界节点未知量的代数方程组，将边界上的节点参数进行求解，进而分析域内的计算参数。但边界元法的优势主要体现在解决无界区域的声学问题上，如外部声辐射或振动结构的散射。
2、统计能量法：统计能量法（SEA）已经成为分析汽车高频振动噪声问题的主要方法，但是由于汽车研发的前期对于结构的损耗因子无法准确预测，因此在新车型开发前期采用统计能量法对由空气动力特性影响的车内噪声水平进行分析比较困难。统计能量法的假设之一是每个子系统有充分的共振模态，也即子系统的模态密度较大的情况下才能保证计算结果的有效性，因此该方法主要适用于中高频噪声问题。
3、声学有限元方法：声学有限元方法的基本思想是采用有限单元将声传播的空气域（比如汽车车厢内部的乘员舱空间）进行离散化，通过声学波动方程对空气域内的声学特性进行求解。声学有限元方法主要用于分析由汽车结构振动引起的车内噪声问题。在数学上，该方法将连续的无限自由度问题转化为离散的有限自由度问题。利用变换的思想，可以求解未知数，然后可以用插值函数求解连续体上的场函数。物理上，该方法主要是将待求解的对象分解为几个节点连接的单元，然后分别分析每个单元的特性，通过节点力传递能量，从而求解连续体的性质。有限元法是解决工程问题最常用的数值预测技术，它求出一个（或多个）场变量在连续域中的分布，由一组适当的偏微分方程和边界条件控制。利用有限元方法直接求解法，能够在每一个需要的频率下直接求解未知节点的压力向量，将向量反向带入压力扩散公式得到稳态声压场的有限元近似场。
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