计算空气声学：浅析汽车NVH相关的一些问题

噪音是新车买主的主要抱怨之一。风噪音对任何新车而言尤其不受欢迎。噪音有两大来源：在打开侧窗或遮阳篷顶，可能会出现低频抖振，从而产生噪音：或者由于汽车高速运行，从车身各个位置上产生出轰鸣声。

如果来源是进气系统的剪流层，则可能会产生高强度鸣笛噪音。与此相同，气候调节管道中的许多几何形状产生强烈紊流，则会造成宽频带噪音。这些问题都对汽车的总体噪音水平产生影响。汽车买主十分厌恶这些噪音。

汽车制造商与供应商的系统设计师全力以赴，力求解决这一难题风洞与试验台试验一直保留下来，用于评价样机与部件的噪音水平。随着计算资源与运算法则的最新发展，数码工具成为早期处理刺耳噪音的可行方式。

有许多方法可以用于模拟抖振、轰鸣与宽频带噪音，每一种方法都要求不同程度的计算工作量。计算空气声学(CAA)也许是最为详细的方法之一了。结合计算流体动力学(CFD)与边界单元法编码(BEM)的详细程度稍低。使用Ffowcs-wi11iams-Hawkings(FWH)模型模拟声学也仍然不够详细。使用局部紊流度比例估计声学也许最为简单。然而，每一种方法都有其局限性，准确度也各不一样。

空气声学是声学的一个分支，与流体流动产生声音的条件相关。一个典型实例就是空穴噪音。通过空穴的气流产生截然不同的声音。在这种情况下，没有活动部件，流动是产生声音的唯一来源。在空穴口设立一个剪流层，按照导致压力脉动的特殊频率进行振动，从而避免空穴口产生噪音。这些设施表明它们自己就是声音。

任何空气声学问题都具有四大主要部分：声学介质、流动、声音与接收器。在大多数问题中，声学介质就是空气，声源是流动结构，在空气中产生压力脉动。

来源可以是涡流、剪流层或湍流涡旋。声音是通过声学介质的气压波，而接收器就是这些声波的见证人，可以是扩音器或人耳。模拟来源流动结构需要使用计算流体动力学。

使用通用计算流体动力学套装软件，有四种主要方法模拟声音产生与传输。按照准确度、适用范围程度与计算工作量进行降序排列，分别是：计算空气声学、计算流体动力学与声波方程式求解程序相结合、使用完整声学模型、使用局部紊流度规模估计声源强度。

计算空气声学是模拟空气声学最为全面的方法。通过在这些区域内严格计算时间变化流动结构来计算压力变化。它还通过解析流体中的气压波模拟声音传输。它最终在接收器位置上记录时间变化静压强。这就是接收器听到的声音信号。这是对大量信息的计算，需要大量计算能力，因为模拟必须将各种各样的物理现象结合起来。

为了准确预测来源压力脉动，在来源区中适当收集紊流十分有必要。同样，必须结合流体可压缩性，用于适当模拟声波传输。

Navier-stokes方程组可以计算出这些物理现象。因此，计算空气声学模拟包括获得Navier-Stokes方程组在流体领域的一个完整瞬时解，该流体领域包括声源、接收器与两者之间的传输路径。

虽然计算空气声学是模拟空气声学最为全面、最为精确的理论方法，但是它过于昂贵，并且需要很长时间，因此对于大多数工程设计问题而言并不可行。为了解决各种各样的长度与时间量程，计算空气声学模拟需要大量计算设备，更短的时间步骤，模拟相对更长的时间周期。

计算空气声学模拟另外一大复杂因素是涉及到多种压力情况。一般情况下，压力脉动在瞬变流动中为200到300千帕之间，瞬变流动就像是汽缸运动一般。然而，声压则按照毫帕进行测量。

因此，计算空气声学模拟必须掌握相差10⁶或以上系数的压力进展情况。模拟准确度对舍项误差十分灵敏。

使用计算空气声学最主要是受到解析大范围时间、长度与压力范围所需巨额的计算费用所限制。虽然这些限制使得计算空气声学在大多数实际情况下都不适合，但是有一小部分工程设计问题使用这种方法可以成功解决。这包括研究频率范围非常狭窄、来源与接收器彼此距离很近及获得的声音非常大等几种情况。空气动力抖振就是这样一种情况。

抖振是在汽车在运动打开窗户与遮阳篷顶时所听到的高强度、低频率的风噪音。该声音有两大来源：瞬变涡泄出仿效侧视镜与打开的窗户或遮阳篷顶摇摆运动的剪流层。驾驶员与乘客都听到和感觉到压力脉动。

抖振的其它两大特征使其可以使用计算空气声学建立模型。首先，抖振声频非常低，在15到25赫兹范围内。因此，在相对少数大时间跨度的情况下，进行计算空气声学模拟无需过高的计算费用。其次，抖振声压级非常高，经常超过100分贝。声压脉动很大，很容易捕获。

虽然对大多说问题而言，计算空气声学由于大时差、长度与压力范围而变得非常昂贵。但是这一差异为简化模拟过程提供了大好时机，将问题一分为二，每一方面单独进行模拟。声音产生包括小长度规模与大压力规模，而声音传输包括大长度规模与小压力规模。因为这两个现象涉及到的规模可以大大分开，从而可以单独进行处理。

Navier-Stokes方程组可以计算出第一部分，波动方程式可以计算后一部分。昂贵的Navier-Stokes方程组高清晰解被限制于来源区附件的小面积之中。

计算网络可以进行优化，符合来源区附近的流动模拟要求。该方法对来源与传输部件实现更为容易的分析模型使用。

然而，将问题一分为二也有其固有的局限性。只有当声音产生与声音传输的范围明显不同的时候，该方法才有效。这也无法有效处理流场上声音的逆流效应。

因此，它无法模拟进气歧管中的鸣笛。这是因为鸣笛来自于空穴口升降上下摇动所产生的共鸣。

如果整个来源区具有一个无障碍接收器视野，将流动与声场彼此分开并单独对它们求解还可以进一步简化。从源点到接收器的声音传输可以通过简单分析公式进行计算。在来源表面的所有点上整合这样的声音传输，在接收器中所有声音信号都可以获得。

Lighthill声学比拟为这样的综合方案提供了数学基础。FWH方法扩展对坚固、可渗透或旋转的表面作为声源等情况下的比拟。

使用FWH方法计算声音，必须在来源区进行高解析的瞬时计算流体动力学模拟。在模拟过程中，每一个来源表面的每一个点上压力与速度等流动数量都作为时间函数存储起来。最后，在FWH中，来源数据是在接收器上计算声音不可缺少的一部分。因为FWH相当通用，可以反复应用于活动的来源表面，它还可以预测来自于风扇噪音辐射。

迄今为止，上述方法需要高解析的瞬时计算流体动力学模型，这是因为他们可以在接收器与声谱中决定实时变化声压信号。

然而，在各个实际工程设计情况下，必须测定声源的位置及相对强度，而不是在在接收器中测量这些波谱。如果声音是宽频带的，那么声源强度可以使用合理的准确度从来源区紊流的均时结构进行评估。

在空气声学中，紊流是噪音的根本原因。一般而言，在一个地区中，紊流越多，声音也就越大。有许多分析在流场各点中从局部流动与紊流数量进行人工合成声音，从而估计局部声源强度。这综合称为宽频带噪音来源模型，并以称为合成噪音产生法的方法为基础。

这些模型的主要优点是与前面所述的方法相比，它们需要非常少的计算资源。宽频带噪音模型只需要稳态流解，而其它方法基本上都要求高解析瞬变流动解。