第四届Actran 用户大会汽车行业主题演讲回顾——沃尔沃乘用车NVH及声学仿真案例剖析

“沃尔沃的NVH部门对数值方法的实施由来已久。然而，传统的应用大多局限于低频的结构声分析，直至近年来研发的兴趣逐步转向更高频率的空气声分析。瑞典沃尔沃乘用车的NVH开发团队利用结构和声学仿真工具实施了众多的应用案例。这些应用涵盖了部件级和整车级分析：从进排气系统的气流噪声仿真到车外声源传至车内的声学传递函数预测；从部件的声学传递损失计算到整车声学包分析。另外，近几年逐步兴起的应用有风噪声模拟，音响系统模拟，计算大尺度声学域的高频问题，或进行NVH性能的不确定性分析等。”

以上是沃尔沃乘用车NVH资深工程师Andrzej Pietrzyk博士在上个月Actran用户大会上的主题演讲概括。

此次会议由MSC软件子公司FFT主办，于2016年10月11日至13日在比利时首都布鲁塞尔举行。相比历届会议，此次会议的一大亮点在于汽车行业的应用案例大幅增长，占据所有参会客户行业的第一位。来自众多OEM和配件商的精彩演讲让参会者感受到了Actran在汽车行业应用的蓬勃发展。下面我们一同回顾一下沃尔沃乘用车Andrzej博士的主题演讲。

主题演讲回顾：沃尔沃乘用车使用Actran案例介绍
主题演讲人：Dr. Andrzej Pietrzyk, NVH资深工程师, 沃尔沃乘用车集团
主题演讲简介：沃尔沃的NVH部门对数值方法的实施由来已久。然而，传统的应用大多局限于低频的结构声分析。近年来，我们将兴趣逐步转向更高频率的空气声分析。在寻找合适的工具时，我们选择了Actran。在主题演讲中，我将会介绍跨度较广的汽车行业声学仿真问题，以及沃尔沃集团使用Actran在这些问题上的成功应用。

这些应用包含部件级和整车级分析：从进排气系统的气流噪声仿真到车外声源传递至车内的声学传递函数预测；从部件的声学传递损失计算到整车的声学包分析。

沃尔沃目前正在测试的其他应用也将一并展示，这些包括：风噪声模拟，音响系统模拟 ，使用Actran DGM计算大尺度声学域的高频问题，使用Actran NPVM（非参数变换法）进行NVH性能的不确定性分析等。

主题演讲内容回顾：
下面摘选演讲PPT部分内容，并结合笔者现场参会经验与大家共享。首先，Andrzej 博士按照 1）振动声学，2）气动声学，3）高频/大尺度声学问题，这三个大方面对展示案例进行分类。




之后，在每个大类中均展示了两到三个应用点：
在振动声学分类中，主要介绍了三方面应用案例：
1. 部件声学传递损失分析 (transmission loss)
2. 车外声源至车内传递函数分析(transfer functions)
3. 车内音响模拟(loudspeaker model)
在气动声学分类中，也介绍了三方面应用：
4. 风噪声仿真分析 (wind noise based on Fluent CFD results)
5. 进气管道流致噪声及共鸣腔设计 (intake – flow in ducts – resonator design)
6. 排气流致噪声仿真 (exhaust – flow noise)
在高频/大尺度声学问题中，则介绍了两方面探索性应用：
7. 车内声腔的高频响应分析(high frequency cavity response)
8. 车辆鸣笛的外声场分析(exterior acoustics)

下面是具体应用介绍：
应用1：部件声学传递损失分析 (transmission loss)
这部分分析主要关注车内部件的隔音问题，如前围板的隔音问题，地板的隔音问题等。

Andrzej博士首先从介绍了声学传递损失的定义。在实验中，测量传递损失需要借助混响室和消声室相结合的声学测试手段，通过测量部件的入射声能和辐射声能确定其隔声量。



使用Actran仿真重现实验，需要恰当模拟实验中混响室的声学加载环境，即扩散声场（Diffuse sound field）加载。演讲提到了Actran对于此种扩散声场加载模拟的独特功能。

这里还提到了Actran中的Exterior Acoustic Component功能，可以自动生成结构件附近的声空间有限元网格，且网格密度可随频率做自适应调整。因此对于使用者来说，只需要事先准备好结构件的模型就可以方便计算其声学传递损失了。



首先从最简单的几何开始。下面是一个平板传递损失的参数化分析，对比了单层板以及被空气层分隔开的双层板系统的隔声性能。双层板系统考虑了形状的变化以及板间空气层厚度的变化。随着各参数的变化，Actran的仿真结果与理论预测的趋势完全一致。



传递损失仿真可以使用到车辆各类部件中，随后展示了：
- 空滤器外壳的声学传递损失，对比了标准塑料件与加重塑料件的区别；
- 前风挡结构的声学传递损失，对比了其中夹层材料变化的影响；
- 前围板的传递损失，对比了加入声处理（阻尼及多孔材料）之后的影响（如下图）。



应用2：车外声源至车内传递函数分析(transfer functions)
此应用考虑车外空气声（如排气噪声）传至车内的声学传递函数（ATF）。下图是在半消声室中的实车测试。



下面是将问题简化，使用蓝车身（Body in Blue，BIB）进行的测试。



使用Actran仿真此类ATF，可以将问题解耦成两部分进行计算。第一部分仅考虑外声场传播，计算排气声源传至车身外表面上形成的声压；接下来的第二部分使用上述声压对车身的MSC Nastran结构模型进行加载，并计算车内空腔的声学响应。这里提到了快速Krylov求解器大大提高了外声场计算的效率。MSC Nastran结构和空腔的耦合模型则使用经典的模态频率响应求解方法。



应用3：车内音响模拟(loudspeaker model)
对于高级轿车，音响的声品质至关重要。高配的车型有时还配备主动降噪技术，利用相位相反的声波相消干涉的原理，由扬声器主动发出反相声波消减车内原有的噪音。对于扬声器和其安装环境的分析成为沃尔沃目前声学研究的重点。

喇叭单体是较为复杂的部件，精确模拟各材料参数有一定困难。而供应商也往往难以提供准确材料参数。沃尔沃则使用了Actran软件中的喇叭单体Thiele/Small缩减模型法。这是一组供应商较方便提供，或可以较方便测量的喇叭参数，用来描述喇叭中电、磁、力各物理量之间的关系。使用这组参数结合喇叭有限元建模较为方便。在仿真模型中，可以做到输入电压，得到喇叭声学响应的效果。



喇叭单体安装在车门上的效应也很重要，这是由于车门的结构及其空气背腔会影响喇叭的性能。针对这类安装效应，需要考虑车门和喇叭的集成模型，对此沃尔沃也做了仿真与测试的对比。



最后是集成到蓝车身中的喇叭性能研究，展示了仿真与测试的对比。



应用4：风噪声仿真分析 (wind noise based on Fluent CFD results)
对于高速行驶的车辆，风噪声是重要噪声源。沃尔沃采用了流体软件Fluent和Actran联合仿真的技术，进行风噪声源的计算及其透过侧窗向车内的传播。

沃尔沃在风洞中测试了V70轿车在时速140公里条件下的噪声，对A柱和后视镜附近区域进行了声强的测量。



下面是CFD的设置，采用非定常仿真大涡模拟，将侧窗附近区域的流场计算结果依时间步输出。



下面是Actran气动声学设置，建立侧窗附件的声学传播区，并布置虚拟麦克风场点以计算声强结果。



通过对比测试结果与仿真结果，可以总结出仿真精度受CFD网格加密影响较大。由此得出了声学仿真截断频率与CFD网格加密程度之间的关系。



这里展示的仅是风噪外声场计算，传递到车内的声场计算目前正在开展中。

应用5: 进气管道流致噪声及共鸣腔设计 (intake – flow in ducts – resonator design)
汽车在低速加速时，涡轮压缩机可能产生一些明显的噪声（如whoosh流噪, sigh noise等），这些噪声会经过进气系统，以管道进口噪声和结构振动辐射噪声的形式向车外传播。



由于沃尔沃已经对增压器的噪声频率有了较好的把握，因此可以通过在进气管道中增加共鸣腔的方式抑制管道噪声。共鸣腔的几何设计可由需要抑制的目标频率确定。而对于进气管道的振动辐射声模拟，则需要建立声振耦合的模型。



应用6: 排气流致噪声仿真 (exhaust – flow noise)
当排气管道流速较大时会产生明显的流噪声。



同风噪声仿真原理类似，沃尔沃使用CFD工具和Actran联合仿真的方式。下图为仿真流程。其中关键点是如何从CFD结果中提取声源。较传统的方式是首先进行非定常CFD分析，然后利用声类比技术，即通过Lighthill或Mohring声类比方式，将时间步的流场结果转化为声源信号。其中Lighthill声类比仅适合低速流（0.3马赫数以下），而Mohring声类比则适合更高马赫数的流速。



沃尔沃还利用了Actran中的创新方法SNGR，读取定常CFD结果计算气动噪声。此种方法更适合对比不同流速或不同气动外形设计下产生噪声的差值。使用SNGR方法可以省掉冗长的非定常CFD计算时间，大大缩短设计对比的周期。

下图左边为使用非定常CFD仿真，在0.11马赫数下流噪声结果。右边则为三种不同流速下（马赫数0.11,0.15,0.22）测试结果（实线）与SNGR结果（虚线）的对比。由于SNGR方法中声源能量谱的输入可人为确定，因此仿真绝对值的意义并不是最大的，或者也可以根据实验标定绝对值。不过这里我们可以看到SNGR在预测不同流速下噪声的差值是较为准确的。



应用7: 车内声腔的高频响应分析(high frequency cavity response)
此部分内容还是较为初期的研究类课题，主要针对音响系统在车内的中高频响应，可以用于扬声器集成和车内声环境的预测。

传统上高频声响应的模拟较多依赖声线法。这是一种几何声学方法，使用起来较为复杂，而且对使用者的理论和经验基础要求较高。



沃尔沃目前正在使用Actran中的DGM模块仿真高频声学问题。Actran DGM是基于间断伽辽金方法的声学模块，区别于传统的有限元方法，采用时域仿真方式，可以轻松建立和求解较高频率的模型。新近推出的GPU加速更是大大缩短了DGM的计算时间。如此进行车内声腔在10KHz下的计算仅需3小时。而车内饰的吸音条件则可以通过DGM模型中的阻抗边界条件进行定义。



应用8:喇叭鸣笛的车外声场分析(exterior acoustics)
最后一个应用是外声场的例子。法规规定，车在鸣笛时其前方7米远处的声压级测试需要给出大于94dB(A)的数值。随着当下设计中车前板的增厚趋势，沃尔沃还不太确定将来的车型设计能否满足以上法规。因此使用仿真对此问题进行预研。



模拟此问题的挑战主要在于复杂的几何形状（发动机舱复杂，考虑地面反射，外声场尺度较大）以及需要模拟到3KHz的频率区间。沃尔沃使用Actran DGM可以较好面对以上挑战，真实的还原如此复杂的声传播问题。



说句题外话，车辆的通过噪声测试同样受法规限制，不过这里是规定噪声不能超过某具体声压量级。这在商用车领域是个较常见的问题。进行通过噪声的模拟同样存在如上所述鸣笛问题所面临的挑战。使用Actran可以仿真通过噪声这类具有挑战性的声学问题。

总结：
下面是沃尔沃主题演讲的总结。主要讲到Actran对于车辆行业NVH分析和声学分析有很高适用性。这次展示的案例有一些已经进入或完成项目实施，有些还在预研阶段。另外提到，Actran与Nastran有较好的接口，可以联合仿真很多有挑战性的振动声学问题。Actran与流体仿真的结合可以将传统的低频结构声分析延展至高频空气声分析。



后记：Actran用户大会简介及车辆客户报告整体情况
2016年10月11日至13日，由MSC软件子公司FFT主办的第四届Actran用户大会在比利时首都布鲁塞尔举行。

由于近年来Actran软件在全球范围内客户群体的高速增长，以及广大用户参会的浓厚兴趣，此次用户大会的论文演讲数量超过历届会议的纪录。由于演讲数目众多，大会首次启用了分会场演讲的形式。

此次会议的一个亮点在于汽车行业的应用案例明显增长。来自众多OEM和配件商的精彩展示让参会者感受到了Actran在汽车行业应用的蓬勃发展。

汽车行业演讲题目：
- 沃尔沃乘用车（会议主题演讲）：沃尔沃乘用车使用Actran案例介绍
- 法拉利（会议特邀嘉宾演讲）：动力系统声品质的开发理念与实践
- 沃尔沃乘用车：排气管道气动噪声仿真
- 雷诺：汽车通过噪声的仿真分析
- 斯堪尼亚：卡车舱室的噪声源分析及通过实验和仿真方式的声音模拟
- 奥迪：超高速行驶下外气动力引起车门振动导致的内噪声仿真
- 沃尔沃卡车：进气管道噪声传至驾驶室的声源与路径分析
- 玛赛拉蒂：前围板的声学传递损失分析
- 博格华纳：涡轮增压器隔热罩的声学性能分析
- 库博标准：车门密封条的声学性能分析
- 麦格纳：车辆声学包开发及风噪声仿真
- 天纳克：针对混动车辆排气噪声的有源主动声控制仿真