无人机+MiniSAR数据采集，软件应用新趋势

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。

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。

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：

Honda同时还研究了侧窗壁面湍流压力脉动(Turbulent)和声学压力脉动(Acoustic)激励车窗振动，以及对汽车内部噪声的贡献。

二、风噪声计算方法介绍

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)。

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。

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。

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：

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。

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。

波数分解的数学基础来自于空间傅里叶变换：

– 表面形状描述

– 表面信号（压力）描述

– 正交基

利用正弦函数基进行波数分解：

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。

（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：

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：

同样，对于侧窗表面声压来讲：

气动声源表面声压传递函数（响应曲线）如下图所示：

五、基于稳态CFD与Actran SNGR联合求解

SNGR方法的基本原理是：基于RANS计算得到的时均流场的速度、湍流动能分布特性，通过添加随机扰动的方法重新合成含有时间项的流场数据。利用ACTRAN的声类比方法计算声源和噪声传播。湍流动能谱可以写成以下形式：

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

声学设置内容包括：

• 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

计算时采用的计算机性能：(2x Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2697 v4 @ 2.30GHz 处理器，8核)

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）。

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。

以上结果可知：

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。

长安汽车相关人员表示Actran满足风噪计算需求，且技术路线合理科学，计算结果亦可反映车内真实噪声水平。

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。

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。

该品牌汽车风噪开发人员表示Actran可以完成AWPF和TWPF的计算，且车内空腔六面体网格技术效率较高，在较短的时间内得到的曲线整体趋势与实验吻合度较好。

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。

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。

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