纯电动汽车车底风噪声传递的数值分析

摘要

本研究以电动汽车（BEV）底盘结构中底盘风噪声的传播机制为研究对象，利用耦合的气动、振动和声学分析方法进行探索。通过建立模拟模型，并进行计算流体动力学（CFD）和振动声学分析，揭示了BEV底盘结构中底盘风噪声的复杂传播路径和影响机制。研究发现，在底盘结构中，振动从不同的输入位置传播到车厢内，形成了复杂的声传播路径，并导致声压波动和声辐射。特别是在电池和外部表面之间的有限空间中，振动和声波的相互作用使得传播路径更加复杂。这些发现对于改善车辆的静音性能、优化车内噪声控制和提升驾驶体验具有重要意义。

简介

该研究的结果有助于揭示底盘结构中底盘风噪声产生与传播的关键因素，为设计和优化车辆结构提供了理论依据和技术指导。减少底盘风噪声的传播对于提高车辆的整体静音性能尤为重要，尤其是在电动汽车普及和自动驾驶技术发展的背景下。在智能驾驶系统越来越普遍的情况下，降低风噪可以提升驾驶员的乘车舒适度和安全感。此外，随着电动汽车市场的扩大，低噪音的驾驶体验也是吸引消费者的一个重要因素。因此，对底盘风噪声传播机制的深入研究具有重要的工程应用和经济意义。

在本文中，我们描述了本研究中模拟模型的建立以及计算流体动力学（CFD）和振动声学分析的方法。随后，我们讨论了CFD和振动声学分析的结果。最后，给出了研究的结论。

数值方法

模型总览

图1展示了仿真中使用的BEV的底盘结构。研究确定了两个底盘风噪声导致的压力涨落的输入位置。其一是直接暴露在底盘风噪声下的车辆外表面，如保护板和悬挂装置，其二是底盘风噪声下的地板板块。图1中显示的底盘空间包括地板板块下方的空间，包括电池盒外侧与地板板块或保护板之间的间隙、电机室内的空间以及外表面到地面的空间。

通过两个步骤来研究底盘风噪声的传输机制：第一步是使用计算流体动力学（CFD）模拟在外表面和地板板块上由底盘风噪声引起的压力涨落；第二步是以CFD计算结果作为负载输入，分析振动声学传输到车厢内部。分析假设外表面和地板板块在CFD中是没有振动的刚体，并且它们在振动声学分析中以表面压力涨落输入作为弹性振动。图2显示了振动声学噪声进入车厢的三种可能传输路径。在路径1中，外表面的流体压力涨落经由车辆结构振动传递并到达地板板块，然后传输进入车厢。在路径2中，由于外表面的压力涨落引起的声波辐射传播到底盘空间，然后传至地板板块进入车厢。在路径3中，由于流场引起的压力涨落直接到达地板板块，然后传输进入车厢。

图1 本研究分析的纯电动汽车车底结构为横断面图:整车模型(上)和电池上方车底空间(下)

图2 噪声进入车厢的三种可能传输路径

CFD方法

为了计算车辆周围的流场和声场，本研究使用了基于格子玻尔兹曼方法的商业流体分析软件PowerFLOW。所使用的模型是一款详细几何结构的C段SUV型BEV，包括上部车身、电机室、电池、悬挂、保护板和地板板块。计算域是一个100m边长的立方体，空间中的计算网格在底盘下部有高分辨率。计算所使用的网格大小从最小的1.25mm逐渐增加到最大的1.28m。整个计算域的网格数约为2亿。

图3 汽车CFD模型

车辆的速度为120km/h，偏航角为0°。声速设定为343.2m/s，等于20°C干燥空气中的实际声速。为了进行物理计算，时间增量设定为2.09×10^-6s，持续计算时间为2.0s。计算开始时，整个计算域中的速度沿x方向（主要流动方向）为120km/h，压力为101,325Pa。

图4 CFD网格解析度

振动声学分析方法

  使用商业软件wave6，通过有限元（FE）或边界元（BE）方法计算车身振动和车厢内外声场，这些振动由振动引起。图6显示了用于振动声学分析的模型的网络图和每个子系统的模型。结构有限元模型包括车体、电池、悬挂和底板。通过CFD获得的表面压力涨落作为输入负载时，从结构有限元模型中提取这些区域的元素和振动模态，并将其作为底盘结构有限元模型的子系统进行整合。

图5 用于振动声学分析输入的测量面

使用只表示外部形状而没有内部结构（如座椅和饰板）的几何模型，通过边界元方法模拟车厢内部的声场。使用无限边界边界元模型，模拟噪声通过扩散到车辆周围的衰减效应，该边界元模型围绕底盘空间有限元模型。

图6 网络图及各子系统:a)振动声学模型各子系统网络图，b)客舱空间BE模型，c)车底结构有限元模型，d)车底空间有限元模型

准确性验证

数值方法准确性验证

在风洞实验中，测量了底板表面的压力波动，并与CFD结果进行了比较。结果显示，在低于500Hz的频率范围内，实验和CFD的平均频谱大致匹配。尽管在某些频率范围内，实验和CFD的平均频谱有些差别，但在短时间实验频谱的水平范围内，它们是相符的。CFD结果准确模拟了实际车辆的表面压力波动，并用于进行振动声学分析。

图7 外表面(上)和底板(下)声压级的实验与CFD比较

振动声学分析准确性验证

为了验证振动声学分析模型，比较了在驾驶员头部位置放置点源噪声时的分析和实验结果。分析结果显示，在实验中测得加速度响应的部分区域，相比于外表面，地板板块的响应普遍较高；地板板块中靠近前后座位脚部位置的响应也相对较高。这个准确模拟实际车辆的振动声学分析模型被用于分析底板风噪声传递。

图8 外表面(上)和底板(下)在200hz下的加速度响应分析与实验对比:30db动态尺度。

结果讨论

CFD结果分析

图9显示了在外表面和地板板块上的表面压力波动的分贝图，显示在200 Hz和400 Hz中心频率的1/3倍频带处，前悬长度的表面、前轮舱后方的表面以及前后悬挂的表面上的压力波动水平较高。然而，在地板板块上，虽然没有观察到局部高压波动水平，但在200 Hz时，地板板块的中心区域有一个相对较高压力波动的区域，并且在400 Hz时呈条纹状分布。

图9 外表面(上)和底板(下)波动压力分贝图，200和400赫兹三分之一八度频带，50分贝动态刻度

为了确定流场中的涡旋噪声源的分布，对Powell's声源项进行了频率分析。结果显示大量的噪声源分布在前轮和前悬长度周围的底盘空间中，并且在前轮舱后方和前后悬挂的表面周围也有分布。这些噪声源的分布与在外表面上观察到的高压波动区域相吻合。此外，通过比较速度大小的分布，发现地板板块附近的噪声源的强度较低，仅为流场外表面下方噪声源的1/256。

表面压力载荷分析

使用CFD模拟得到的外表面和地板板块上的压力波动作为输入，通过声-振动模型分析了车辆内部空间的噪声。研究评估了车厢内的声音水平，并计算了输入功率，即从底盘结构传递到车厢空间的声功率之和。通过改变结构振动模态的数量，研究了不同传输路径对车厢的功率输入的影响。在对五种不同的表面压力波动输入情况进行分析后发现，地板板块的输入对车厢的输入功率起主导作用。其他三种表面输入情况的输入功率比地板板块少约20 dB。进一步分析表明，底盘空间对车厢的输入功率几乎没有影响。这些结果表明，来自车辆外表面的噪声传输主要是通过结构振动路径实现的。

图10 电机室及蓄电池周围时间平均速度大小分布

表面压力载荷分析

图11显示，地板板块上的压力波动对车厢的贡献大约是外表面的20 dB。本节对来自CFD的表面压力波动数据进行分析，以研究这种差异的原因。在特定频率下，通过中心频率为200 Hz和400 Hz的带通滤波器提取压力波动，并比较了外表面和地板板块上的压力分布。结果显示，外表面上存在与湍流传热相关的短波长压力波动，而地板板块上的压力波动具有与声波一致的较长波长。这说明地板板块受到的湍流压力波动影响较小，因为它们主要受到声波的影响。

图11 通过改变表面压力负载向舱室空间输入动力。

对压力波动进行二维波数-频率谱分析，以定量评估外表面和地板板块之间的差异。分析结果显示，在第一个三分之一八度频带频率为200 Hz和400 Hz处，外表面和地板板块都展示了接近波数坐标系原点的声波数分量。然而，在外表面上，与湍流传热相关的压力波动区域分布在波数右侧，显示出沿x轴正向的湍流，并且在y轴方向上几乎没有偏离。相比之下，地板板块上的压力波动没有显示出对流分量，表明声波数分量占主导地位。

图12 二维频谱的波数和频率分析，200和400赫兹的三分之一倍频带，和90分贝的动态尺度。:外表面(上)和地板(下)。

为了定量比较外表面和地板板块上压力波动的声波数分量功率，使用波数空间中的积分来计算每个角频率下的波数分量功率。这些结果显示，对于低于160 Hz的频率，地板板块上所有波数分量的功率要比外表面高约5 dB。然而，在高于200 Hz的频率范围内，两者的功率相似，说明地板板块在频率高于150 Hz的范围内对车厢的影响更大。另外，这些地板板块上的声波数分量会激发相应频率以下的振动模态，并对质量-法则路径有贡献。

图13 地表压力波动功率谱:左为所有波数分量，右为声波波数分量

此外，从表面处的波动功率谱和频率分贝图中可以观察到，地板板块上的压力波动在100-500 Hz频率范围内存在许多峰值。这些峰值的频率与相应的声波波长一致，表明由于地板板块下的空间中的声波模态，压力波动水平高于外表面。因此，通过这些分析结果可以得出，地板板块上的压力波动对车厢的噪声影响较大。与外表面相比，地板板块上的压力波动具有更长的波长，并且主要由声波引起，而不是湍流引起的压力波动。这可能是由于地板板块下的空间中的声波模态对压力波动的贡献较大。

图14 外表面和底板窄带压力谱

总结

为了明确BEV车辆底盘风噪声的传输机制，对底盘结构进行了耦合的气动-振动-声学分析，并将外表面和地板板块作为压力波动输入。得到了以下结论：

· 在低频范围内，底盘空间中分布着众多底盘气流的噪声源，主要集中在前轮和前凌挂部分周围。

· 在150 Hz以上的频率范围内，结构振动向车厢传递的主要路径是质量-法则路径。

· 由于外表面的弹性振动，声波辐射进入底盘空间并达到地板板块的声波传输路径对车厢的影响可以忽略不计。

· 车厢空间的主要输入是地板板块上的压力波动，因为地板板块上的压力波动的声波波数成分水平比外表面上的要大。

地板板块上的压力波动的声波波数成分水平较大，是由于地板板块下的底盘空间中的声学模态的影响。一项研究表明，在BEV的底盘结构中，在地板板块和电池之间引入吸声材料可以减少车厢内部的噪声，对声学输入和结构激励起到一定的降噪效果。在未来的研究中，应对减少底盘风噪声的对策进行研究，并验证其有效性。

参考文章来源：Tomoya Washizu, Tadayoshi Fukushima,  et al., "Numerical Analysis of Wind Noise Transmission through BEV Underbody," SAE Technical Paper 2023-01-1119, 2023, https:// doi:10.4271/2023-01-1119.