基于Actran的汽车风噪仿真技术及应用案例

一、导读

当汽车行驶速度大于100km/h 时，外部风噪声会传播到车内。目前常用的汽车风噪声研究验证方法为采用CFD与CAA混合的方法,精确描述紊流导致的噪声源：

• 后视镜后部形成的尾迹区域；

• 侧窗和A柱区域形成的湍流区。

高速行驶的汽车外部凸起物如后视镜等产生风噪声时，往往没有类似风机或圆柱绕流等较为明显的周期性或特征频率，往往呈现宽频噪声特性，根据不同车速，往往在200Hz~500Hz之间达到最大，然后呈逐渐降低的趋势。

下图分别为50km/h、90km/h和160km/h速度时汽车噪声贡献量曲线，可见50km/h时，风噪声（绿色）远低于整体噪声水平（蓝色）；90km/h时，风噪声慢慢超过其他噪声源，在整体噪声中的占比加大；160km/h时，风噪声成为整体噪声中的占比最大的噪声源。

图1-2 某车型在不同车速下噪声频谱曲线（三分之一倍频程）

汽车风噪声主要由A柱和后视镜等设计产生的湍流产生，通过侧窗壁面湍流压力脉动形式(TWPF)和声学压力脉动形式(AWPF)传入车内，下图是日本本田Honda通过风洞实验与仿真研究简化A柱、车窗、声学空腔（驾驶室）的风噪声问题，其中仿真部分采用CFD Actran的技术路线完成。

图1-3 Honda通过风洞实验与仿真研究风噪问题

侧窗壁面湍流压力脉动形式(TWPF)和声学压力脉动形式(AWPF)特征如下：

二、风噪声计算方法介绍

我之前撰写风噪声计算方法，在现在简要概括分析流程：

选项一：非定常不可压CFD流场计算提取侧窗附近体声源 气动声学有限元计算车窗表面声压振动声学有限元计算车内声压

选项二：非定常可压CFD流场计算Actran提取车窗表面压力（TWPF AWPF)（压力激励的波数分解)振动声学有限元计算车内声压

选项三：定常CFD计算Actran SNGR用统计法重构气动噪声源时间历程结果Actran振动声学有限元计算车内声压

三、非定常不可压CFD与Actran Aero-Acoustics联合求解

本项目中采用Volvo-V70车型，研究工况为140km/h ( Mach = 0.114)。

图3-1基于瞬态CFD与Actran Aero-Acoustics联合求解流程

Volvo在本次项目中采用的CFD模拟软件是Fluent,Actran支持与绝大多数CFD软件的数据连通，如Starccm ，SC/Flow,CFX…

在CFD模拟中，瞬态分析中采用LES湍流模型，采用不可压缩空气模型，Δt=2E-5s，保存数据的物理时间为0.03022s到0.29022s。

图3-2 CFD计算边界条件及输出数据区域

图3-3 声学计算区域及监测点

Actran可以设置滤波面，来消除体声源边界上声源截断产生的假性声源。

图3-4 滤波面示意图

需要注意的是，当CFD的网格尺度过大，数值耗散较大时，CFD的数据就很难反映出高频的声波信息。网格尺度与截止频率的关系式为：

（3-1）

其中F是声学截止频率，Ƹ是湍动能耗散率，Δ是网格尺度。

当CFD模拟中，声源区域的网格平均尺度为4mm时，可以支持到的声学截止频率约1250Hz，如下图所示。

图3-7 2mm的CFD网格对应的声学计算结果

小结：

• 首先，当采用瞬态CFD与Actran Aero-Acoustics联合求解风噪声时，可以得到精确的计算结果，包括计算车外噪声和车厢内噪声；

• 其次，此时的瞬态CFD对网格要求比较高，一方面湍流模型的选取直接决定边界层网格尺度；另一方面上文介绍到的截止频率问题，CFD网格尺度直接决定声学结果的频率上限。

四、波数分解及薄膜模态分析方法

气动噪声中的波数分解方法是基于以下几个假设：

1)   空间的周期性:

2)   谐波求解方程：

3)   空间没有阻尼(粘滞性被忽略)

满足以上条件时，还需假设把压力分布场投射到矩形模型上：

波数分解应用于汽车风噪声模拟时的目的与特点：

• 可压缩CFD结果的后处理，从整体压力信号中提取声学信号；
• 可作为NVH实验部门的输入数据 （避免声学波长与侧窗结构波长重合）；

• 可作为CAE仿真部门的输入数据。

图4-1 1500Hz汽车侧窗压力脉动及波数分解（识别声压）

波数分解的数学基础来自于空间傅里叶变换：

–   正交基

利用正弦函数基进行波数分解：

图4-2 波数分解时把车窗表面压力分解成矩形模型

图4-3 某压力场波数分解为声压和湍流压力

在波数分解时，如果利用侧窗薄膜声学模态基进行分解，可以适用真实车窗形状，如非长方形车窗、非平面车窗。

图4-4 薄膜模态叠加原理（模态振型叠加）

图4-5 根据传播速度分解出声压与湍流压力参与因子

（Actran软件自带薄膜模态计算案例）

下面案例以薄膜模态压力为激励，以车内声压为响应。当声波在结构中和空气中传播时，波长分别为：

结构波长：,当

声学波长：

而流体流动本身是以对流速度往前传播，此时波长为：

湍流波长：

图4-7 侧窗薄膜模态传递函数

其中为车内声压，为参与因子，为薄膜模态。

同样，对于侧窗表面声压来讲：

其中P为侧窗声压，为参与因子，为薄膜模态。

气动声源表面声压传递函数（响应曲线）如下图所示：

图4-8 侧窗表面声压传递函数

五、基于稳态CFD与Actran SNGR联合求解

上式中：K 为RANS计算得到的湍流动能；是最大湍流动能对应的波数；L 为RANS结果中的湍流积分长度尺度。为Kolmogorov波数， ， ，从RANS流场结果中得到。

由于RANS为稳态结果，为了保证可以输出频域的噪声结果，需要添加与时间相关的项（下图中的随机函数），从而合成脉动速度。

SNGR方法的主要特点：

• 采用更高效、稳态的CFD数据进行CAA分析
• 可快速识别噪声源的位置
• 可应用于不同设计/结构之间的相对水平的预测
• 中高频段的精确模拟

该项目中采用与上述同款车型、同车速进行模拟。CFD 设置 :

• 雷诺时均方法（RANS）

• K-ε 标准湍流模型

• 不可压缩

• 声源区域来自CFD计算域，声源区域网格重新生成

• 声学吸收区域（Buffer region，对应APML）在各方向均为0.05m厚
  

• 自适应的完美匹配层（APML）

• 设置4个可以监测Y方向声强的虚拟麦克风

由此可知：采用SNGR方法时，CFD网格只有2.5Milloin，所以计算成本很低，且计算结果非常精确；同时在计算噪声时可以选择更为精确的频率分辨率（可以设置为2Hz）。

SNGR对CFD网格的要求是什么样的呢？是不是也有上文中的截止频率问题。我们用2中尺寸的CFD网格来输出数据，并用SNGR方法计算风噪声。分别在声源区域采用2mm和4mm的网格尺寸（声源区平均的网格大小）。

图5-5. 不同CFD网格示意图

图5-6. 不同CFD网格对应的SNGR声学结果

从上图来看：

1）两个结果较为接近。采用SNGR方法预测风噪声时，对CFD网格的尺度反应不灵敏，也就是不需要采用特别密集的网格来进行稳态CFD分析；

2）采用SNGR方法时，不需要考虑截止频率的影响；

3）SNGR计算风噪声仅需CFD稳态流场的收敛和湍动能的准确统计即可。

下面对比SNGR方法和非定常CFD AERO-Acoustics方法的区别。项目中CFD的网格均采用4mm的尺寸，SNGR计算结果（SNGR计算结果需等比例缩放）与非定常CFD AERO-Acoustics结果进行对比。

图5-7. 两种模拟结果与实验测试结果对比

1) 从图上来看，如果主要声源区网格尺度约4mm，那么采用瞬态CFD方法 Actran联合计算风噪时，可以计算到1250Hz左右，同样2mm的声源区网格可以支持到2000Hz。因此，如果获得较为精确的风噪结果，可以采用瞬态CFD   Actran Aero-Acoustics的方法。

2) SNGR方法在低频有些信息缺失，无法精确捕捉低频结果；但SNGR可以很好的预测400Hz~3000Hz频段汽车风噪声大小；因此，由于SNGR对CFD的要求较低，中高频利用Actran SNGR可以快速、高效且准确的预估风噪声大小。

六、Actran国内汽车风噪声应用

1、 长安汽车风噪案例演示

本案例是2015~2016年期间，长安汽车实施的汽车风噪项目，仅截图展示。

图6-6 某切面声压分布

2、某品牌风噪案例演示

该案例是FFT中国区工作人员与某民族品牌合作，分别计算侧窗区域两种声源，并计算两种声源传递到车内的响应结果。

图6-7 两种声源计算过程示意图

Actran自带网格划分功能，可以把车内空腔网格划分成以六面体为核心的体网格，这样总体网格数大大降低，提高计算效率。

图6-9 车内测点频谱曲线

3、北汽新能源风噪课题展示（于2018年MSC用户大会）

北汽新能源实施的风噪课题技术路线和操作流程如下。

图6-10 操作流程示意图

图6-11 驾驶员人耳处SPL曲线对比

在工况100kph，0°偏航角，驾驶员耳旁风噪声，仿真与试验的总声压级相差0.8dBA，语音清晰度相差-2.7%；修正后仿真与试验对比结果较好。

七、我的总结

使用Actran进行汽车风噪声仿真分析流程特点总结：

Actran是一款业内著名的声学仿真软件，覆盖声学、振动声学、气动声学等多方面仿真功能。Actran可以处理的问题包括：声的辐射、散射问题，声波通过简单或复合结构的声透射问题，封闭空腔中的声场问题，在管道中的声传播问题，吸声材料、多孔材料及高阻尼材料对能量的耗散问题，气动噪声问题，对流中的声传播问题，高马赫流场中的声传播问题等。同时软件具有很好的鲁棒性和求解效率；软件在精度方面经过大量工程实例验证，并与诸多领先CAE软件具备联合仿真接口。

Actran软件发展20多年以来，逐渐形成以下特色：

1、Actran软件每年更新大版本（如19.0）和小版本（如19.1），并迅速根据市场需求补充相应功能，如近年来针对电机或变速箱加速过程中产生的阶次噪声的专有Multiple Load功能；针对欧盟要求的乘用车和商用车通过噪声开发的专有pass by noise工具；还有可以适用于汽车行业较紧迫的研发周期开发的汽车外气动噪声快速计算SNGR方法等等；

2、软件易用性较好，近年来依附软件的Topology树形结构，开发出Meshing tools工具，使用者可以在大部分声学仿真问题中，不依赖于其他前处理工具进行建模、分析；正由于此，Actran也面向初中级工程师，植入了Wizard模板功能，可以大大提高使用效率，减小犯错概率；

3、Actran的前后处理模型均支持python语言编译，所以依托于Actran API的二次开发功能十分强大，使用者还可以调用软件自带的NLOPT优化算法，建立声学优化分析模型，如带优化目标的几何尺寸自动迭代优化、材料参数自动迭代优化等，FFT依托此功能，为客户提供了诸如车辆声学包自动优化等咨询服务；

4、Actran气动噪声功能一直受到广泛认可，在风机类旋转噪声，车辆风噪声，空调管路噪声，船舶螺旋桨噪声等方面都有大量应用。

Actran与绝大多数CFD软件具备良好接口，如可以直接导入FLUENT、STAR-CCM 、OpenFoam、AcuSolve、SC/Flow的结果文件，其他CFD软件（如CFX，PowerFlow等）的结果文件可以通过Ensight Gold或CGNS格式导入；同时与CFD非定常计算同步的实时气动噪声源计算，节省气动噪声计算的时间以及CFD结果的存储量；

针对不同马赫数，提供 Lighthill 与 Mohring 两种声类比方法，Mohring声类比方法适用于模拟高马赫数流动噪声的问题以及汽车发动机排气系统非均匀流产生的噪声；

对于大型轴流风机，气动声源复 制功能可以读取周期性的CFD结果进行旋转机械噪声计算；软件可以在计算域中定义任何边界，模拟声反射、声透射、吸声等现象，可实现对复杂的气动-振动噪声问题的综合模拟，比如在算风机气动噪声的同时，可以计算得到风机壳体的振动结果。

5、 近年来，除了传统优势的巩固和加强外，Actran研发团队针对大型、高频振动声学问题(如整车或大型航空、航天结构）开发出基于虚拟统计能量方法的Actran VSEA模块。该模块适用于解决高频区内的振动问题或振动声学问题。

Actran SEA分析模块的分析步骤包括根据被分析工程系统问题的动力学特点，划分子系统。建立统计能量分析模型；确定各个子系统及各个子系统间的统计能量分析参数：内损耗因子，耦合损耗因子；计算各子系统振动能量，估算各子系统的动力响应。