胡興軍，毛靖銘，張揚(yáng)輝，劉一塵，馬家義，喬俊賢，余天明

（1. 吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；2. 一汽奔騰轎車(chē)有限公司，長(zhǎng)春 130022）

前言

隨著我國(guó)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)品質(zhì)的追求日益增加。噪聲是客戶(hù)對(duì)汽車(chē)品質(zhì)最直觀的感受。高速行駛時(shí)，氣動(dòng)噪聲對(duì)駕乘舒適性的影響越來(lái)越重要。隨著電動(dòng)汽車(chē)的興起，由風(fēng)噪引起的內(nèi)部噪聲受到越來(lái)越多的關(guān)注。如何對(duì)內(nèi)部噪聲進(jìn)行有效仿真以探究?jī)?nèi)部噪聲特性也一直是研究熱點(diǎn)。

仿真計(jì)算是研究汽車(chē)風(fēng)噪的重要手段，但是以往多數(shù)仿真計(jì)算只針對(duì)外部噪聲，評(píng)價(jià)指標(biāo)為外部監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)內(nèi)部噪聲特性研究較少。近年來(lái)，不少?lài)?guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始研究?jī)?nèi)部噪聲計(jì)算。2017 年，Schell等提出了有限元、邊界元和SEA 的廣義邊界方法相結(jié)合的方法，可用于計(jì)算寬頻的車(chē)內(nèi)噪聲。2020年，Hu 等采用不可壓縮CFD 求解器和振動(dòng)聲學(xué)模型計(jì)算商用車(chē)外流場(chǎng)特性和內(nèi)部聲場(chǎng)響應(yīng)。2021年，Wang 等用不可壓縮的LES 與有限元法結(jié)合計(jì)算乘用車(chē)的內(nèi)部噪聲，研究了車(chē)底流動(dòng)噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)。計(jì)算車(chē)內(nèi)噪聲時(shí)，聲源來(lái)源越廣，計(jì)算資源和時(shí)長(zhǎng)要求越高，由于外部聲源構(gòu)成復(fù)雜，聲源選取困難，因此研究車(chē)內(nèi)噪聲時(shí)，如何合理有效地選擇仿真聲源十分重要。

本文中以HSM（Hyundai simple model）標(biāo)準(zhǔn)模型為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真研究以駕駛員耳側(cè)噪聲水平為目標(biāo)時(shí)，合理聲源的選擇及聲源成分與其對(duì)內(nèi)部噪聲的貢獻(xiàn)。分為實(shí)驗(yàn)、流場(chǎng)和聲場(chǎng)仿真3個(gè)部分。在實(shí)驗(yàn)部分中對(duì)HSM 標(biāo)準(zhǔn)模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究不同噪聲源對(duì)內(nèi)部噪聲的貢獻(xiàn)及其受風(fēng)速影響的變化規(guī)律；在流場(chǎng)和聲場(chǎng)仿真部分中基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別驗(yàn)證流場(chǎng)和聲場(chǎng)仿真結(jié)果，并對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和噪聲源成分及其貢獻(xiàn)度進(jìn)行分析，由隔聲理論對(duì)成分差異的機(jī)理做出闡釋。由此獲得通用性結(jié)論，為實(shí)際車(chē)型風(fēng)噪控制提供仿真策略和指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 HSM標(biāo)準(zhǔn)模型

HSM 標(biāo)準(zhǔn)模型是一種可用于車(chē)內(nèi)噪聲實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究的模型。本次實(shí)驗(yàn)所用HSM標(biāo)準(zhǔn)模型構(gòu)成及連接方式如圖1 所示，其外廓尺寸長(zhǎng)為2 m，寬和高各1 m（××= 2 m × 1 m × 1 m），模型除車(chē)窗外，其余部件均為鋁結(jié)構(gòu)，車(chē)窗玻璃統(tǒng)一為4 mm 普通鋼化玻璃。模型整體使用密封膠進(jìn)行密封，防止泄露噪聲的出現(xiàn)。

圖1 HSM標(biāo)準(zhǔn)模型

為保證車(chē)窗是內(nèi)部噪聲的唯一聲源，對(duì)模型內(nèi)部進(jìn)行噪聲控制處理（NCT）。針對(duì)鋁表面的傳聲區(qū)域，在模型內(nèi)部進(jìn)行如圖2 所示的噪聲處理，記為NCT_1，而玻璃表面的傳聲區(qū)域，內(nèi)部不做任何處理，記為NCT_2。

圖2 HSM標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)部聲學(xué)處理布置圖

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本次噪聲實(shí)驗(yàn)在吉林大學(xué)汽車(chē)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，混響實(shí)驗(yàn)在一汽轎車(chē)半消聲室進(jìn)行。

1.2.1 表面壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)

考慮到HSM 標(biāo)準(zhǔn)模型本身的對(duì)稱(chēng)性，僅在模型左側(cè)窗進(jìn)行表面壓力測(cè)量。實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為120 km/h，測(cè)量點(diǎn)在側(cè)窗橫縱方向上均勻布置，實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)及裝置布置如圖3所示。

圖3 表面壓力測(cè)點(diǎn)及裝置布置圖

1.2.2 內(nèi)部噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)

內(nèi)部噪聲實(shí)驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)參照文獻(xiàn)［6］中布置在駕駛員左耳側(cè)，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置5 種測(cè)量工況，分別為全鋁窗、全玻璃窗、單左側(cè)玻璃窗、單右側(cè)玻璃窗和單前玻璃窗，如圖4 所示。其中單側(cè)玻璃窗工況表示實(shí)驗(yàn)布置時(shí)僅有該側(cè)為玻璃窗，其余車(chē)窗為經(jīng)如圖2所示的噪聲控制處理的鋁窗。測(cè)量各工況在不同風(fēng)速下內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的噪聲水平。

圖4 內(nèi)部噪聲測(cè)量布置圖

1.2.3 混響時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為提供后續(xù)聲場(chǎng)仿真所需對(duì)腔內(nèi)材料吸收與反射作用的模擬參數(shù)，進(jìn)行混響時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)一共設(shè)計(jì)3 個(gè)方案，各方案下體積聲源分別置于HSM 標(biāo)準(zhǔn)模型地板的前中后3 個(gè)位置進(jìn)行發(fā)聲，對(duì)于每種聲源位置，均采用模型前后的兩個(gè)傳聲器進(jìn)行測(cè)量，不同方案中傳聲器位置保持不變，每種方案下重復(fù)測(cè)量3次，實(shí)驗(yàn)布置如圖5所示。

圖5 混響時(shí)間測(cè)量布置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.3.1 表面壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)分析

圖6為表面壓力測(cè)量結(jié)果。由圖可知，側(cè)窗表面壓力波動(dòng)呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性?？v向上表面壓力數(shù)值呈先減小后增大的趨勢(shì)，存在明顯拐點(diǎn)。由此可見(jiàn)，側(cè)窗上存在一條壓力分界線(xiàn)。

圖6 左側(cè)窗表面壓力曲線(xiàn)

結(jié)合各拐點(diǎn)位置，擬合得到如圖7 所示的壓力分界線(xiàn)。側(cè)窗壓力分界線(xiàn)與水平方向的夾角約呈30°，由此推測(cè)實(shí)際側(cè)窗壓力分界線(xiàn)與水平方向約成29°～30°的夾角。

圖7 側(cè)窗壓力分界線(xiàn)

1.3.2 內(nèi)部噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)分析

（1）風(fēng)速對(duì)內(nèi)部噪聲的影響

圖8為不同工況下不同風(fēng)速測(cè)點(diǎn)噪聲的頻譜圖。由圖可知，隨風(fēng)速增加，各工況的頻譜曲線(xiàn)變化規(guī)律隨風(fēng)速變化基本保持不變，而車(chē)內(nèi)聲壓級(jí)隨之增加，但不同工況下聲壓級(jí)受風(fēng)速影響而變化的頻段不同。對(duì)全鋁窗、前玻璃窗和右側(cè)玻璃窗而言，風(fēng)速增加對(duì)其聲壓級(jí)的影響集中在1 200 Hz 以下；1 200～4 000 Hz 之間，聲壓級(jí)波動(dòng)很小。對(duì)全玻璃窗和左側(cè)玻璃窗來(lái)說(shuō)，聲壓級(jí)在全頻段上均隨風(fēng)速增加而增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度隨頻率增大而減小，在1 200 Hz 附近，全玻璃窗受前玻璃窗和右側(cè)玻璃窗突變的影響，其隨風(fēng)速變化的趨勢(shì)有明顯波動(dòng)。

圖8 不同工況下測(cè)點(diǎn)噪聲頻譜圖

（2）各窗對(duì)內(nèi)部噪聲的貢獻(xiàn)度分析

120 km/h 風(fēng)速下，各玻璃車(chē)窗工況的頻譜圖如圖9 所示。由圖可知，右側(cè)與前玻璃窗的頻譜曲線(xiàn)基本一致，僅在100～800 Hz 頻段內(nèi)右側(cè)玻璃窗的聲壓級(jí)略高于前玻璃窗；左側(cè)玻璃窗的頻譜曲線(xiàn)在全頻段內(nèi)均與全玻璃窗相似，僅在1 000～2 500 Hz 之間存在差異，但對(duì)總聲壓級(jí)影響有限，兩者總聲壓級(jí)相差0.89 dB，仍十分接近；全頻段內(nèi)，左側(cè)玻璃窗頻譜曲線(xiàn)高于前玻璃窗和右側(cè)玻璃窗，在1 000～2 500 Hz以?xún)?nèi)，尤為明顯。由此可知，針對(duì)測(cè)點(diǎn)噪聲聲壓級(jí)，各窗的貢獻(xiàn)度依次為：左側(cè)窗＞右側(cè)窗＞前風(fēng)窗。

圖9 各玻璃車(chē)窗工況的頻譜圖

（3）傳聲效率差異分析

全鋁窗與左側(cè)玻璃窗的頻譜圖如圖10 所示。由圖可知，除400～800 Hz 頻段外，其余頻段上左玻璃窗的聲壓級(jí)均高于全鋁窗，在1 000 Hz 以上的中高頻段內(nèi)，這一現(xiàn)象尤其明顯。由此說(shuō)明，在全頻段內(nèi)（除400～800 Hz 外），NCT_1 對(duì)車(chē)內(nèi)測(cè)點(diǎn)的傳聲效率低于NCT_2。

圖10 NCT的傳聲效率對(duì)比

結(jié)合文獻(xiàn)研究可知，駕駛室內(nèi)部噪聲主要來(lái)源于汽車(chē)側(cè)窗區(qū)域?；趯?shí)驗(yàn)分析可得：在左側(cè)玻璃窗工況下，車(chē)體和其他車(chē)窗對(duì)測(cè)點(diǎn)噪聲的貢獻(xiàn)可以忽略，且左側(cè)窗下的內(nèi)部噪聲情況與全部聲源存在下的內(nèi)部噪聲較為接近。因此研究駕駛員左耳位置處的噪聲水平時(shí)，只以左側(cè)玻璃窗作為聲源合理可行。而針對(duì)400～800 Hz 之間可能帶來(lái)的誤差，由于其聲壓級(jí)較低，對(duì)總聲壓級(jí)影響較小，因此誤差應(yīng)在可接受范圍內(nèi)。

1.3.3 混響時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)處理

根據(jù)文獻(xiàn)［7］處理混響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到HSM 標(biāo)準(zhǔn)模型的混響時(shí)間。由計(jì)算流體等效阻尼系數(shù)，將其作為聲速的虛部，為聲學(xué)仿真提供聲學(xué)計(jì)算參數(shù)，聲速設(shè)置如表1所示。

表1 聲腔內(nèi)部流體聲速設(shè)置

2 流場(chǎng)仿真

采用計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)方法進(jìn)行流場(chǎng)仿真求解，研究?jī)?nèi)部噪聲的成因，并與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證流場(chǎng)仿真準(zhǔn)確性。

2.1 流場(chǎng)仿真模型與計(jì)算設(shè)置

由于計(jì)算資源和時(shí)長(zhǎng)的限制，同時(shí)考慮到HSM標(biāo)準(zhǔn)模型本身具有對(duì)稱(chēng)性，故流場(chǎng)仿真中僅使用HSM 標(biāo)準(zhǔn)模型的左半側(cè)作為仿真模型。流場(chǎng)仿真模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖11所示。

圖11 流場(chǎng)仿真模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

流場(chǎng)仿真計(jì)算域及加密區(qū)設(shè)置如圖12 所示。計(jì)算域的阻塞比為3.3%，滿(mǎn)足仿真要求。采用切割體網(wǎng)格和棱柱層網(wǎng)格劃分計(jì)算域，加密區(qū)尺寸依次為2、4、8、16和32 mm。

圖12 流場(chǎng)仿真計(jì)算域及加密區(qū)

流場(chǎng)仿真時(shí)首先通過(guò)穩(wěn)態(tài)計(jì)算以初始化流場(chǎng)，為后續(xù)計(jì)算提供初始值，然后進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，采用直接計(jì)算氣動(dòng)噪聲法求解，同時(shí)計(jì)算流場(chǎng)壓力和聲場(chǎng)壓力。時(shí)間步長(zhǎng)Δ為1.25 × 10s，計(jì)算時(shí)間為0.2 s，0.1 s后開(kāi)始采樣。本文邊界條件與求解設(shè)置如表2～表4所示。

表2 邊界條件設(shè)置

表3 穩(wěn)態(tài)求解設(shè)置

表4 瞬態(tài)求解設(shè)置

2.2 流場(chǎng)仿真分析

2.2.1 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析

方法為第二代渦識(shí)別方法，可識(shí)別流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)。基于Cauchy-Stokes分解，表達(dá)式為

式中、分別為速度梯度張量的對(duì)稱(chēng)與反對(duì)稱(chēng)部分。

圖13為等值面圖（=800000.0 s）。由圖可看出渦的分布與結(jié)構(gòu)。來(lái)流受到HSM 標(biāo)準(zhǔn)模型前緣的阻礙而分離，產(chǎn)生分離渦，該渦隨氣流向后發(fā)展一段距離后，重新附著在模型表面。分離渦的存在區(qū)域隨向升高，逐漸朝向擴(kuò)展，其再附著位置也隨著向升高朝向延伸，形成一條傾斜的再附著線(xiàn)。仿真得到再附著線(xiàn)與水平方向約呈30°，如圖13 所示。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。由此說(shuō)明仿真所獲得的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性較高。

圖13 Q等值面圖及側(cè)窗壓力云圖

由圖13 可知，模型前緣分離現(xiàn)象隨向升高逐漸減弱，當(dāng)氣流遇到弧形過(guò)渡時(shí)，這部分氣流并不在過(guò)渡位置發(fā)生明顯分離，而是繼續(xù)向后發(fā)展與頂部側(cè)邊作用產(chǎn)生向側(cè)面發(fā)展的渦結(jié)構(gòu)，如圖13 黑色區(qū)域所示。從圖中可明顯看出，黑色區(qū)域的渦結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度上不如前端產(chǎn)生的分離渦，且作用區(qū)域基本沒(méi)有進(jìn)入側(cè)窗，而分離渦的范圍則占據(jù)了側(cè)窗的左上部分。從壓力云圖可以看出，側(cè)窗表面左上部分和右下部分之間存在較大的壓力梯度，側(cè)窗表面壓力脈動(dòng)劇烈，中間的壓力分界線(xiàn)與分離渦再附著線(xiàn)基本一致，這說(shuō)明側(cè)窗表面劇烈的壓力脈動(dòng)是由模型前緣的分離渦引起。綜上可知，通過(guò)側(cè)窗向內(nèi)傳遞的噪聲主要由分離渦引起。

2.2.2 流場(chǎng)聲源分析

對(duì)于汽車(chē)氣動(dòng)噪聲，偶極子和四極子聲源為主要噪聲源，因此基于寬帶噪聲源模型對(duì)聲源進(jìn)行分析。

（1）偶極子聲源分析

在假定各向同性的湍流場(chǎng)內(nèi)，Curle 模型可以計(jì)算偶極子聲源產(chǎn)生的聲音，如圖14 所示。由圖可知，在HSM 標(biāo)準(zhǔn)模型側(cè)面靠近前緣的位置，存在一傾斜向上的強(qiáng)聲源分布，聲功率強(qiáng)度在100 dB 左右，且越靠近模型底部，強(qiáng)度越高，為主要偶極子聲源。該聲源的位置與上述分離渦再附著位置基本一致。由此可知，該處聲源是由分離渦再附著引起模型表面劇烈壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生的。

圖14 HSM標(biāo)準(zhǔn)模型表面Curle聲功率分布云圖

（2）四極子聲源分析

在假定各向同性的湍流場(chǎng)內(nèi)，Proudman 模型可以評(píng)估流場(chǎng)中湍流產(chǎn)生的四極子聲源造成的局部影響。圖15 為湍流結(jié)構(gòu)在HSM 標(biāo)準(zhǔn)模型的不同向位置的流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的四極子聲源。由圖可知，在同一水平面上，四極子聲源朝和向擴(kuò)散，且以向?yàn)橹饕獋鞑シ较?，隨向的增大，四極子聲源作用范圍在和向上擴(kuò)展，但仍以向?yàn)橹鳎衣曉磸?qiáng)度的核心區(qū)也隨向增加逐漸朝向移動(dòng)，但聲源強(qiáng)度隨向增加而減小。根據(jù)四極子聲源作用范圍終止點(diǎn)的遷移可以看出，四極子聲源在模型側(cè)面產(chǎn)生了傾斜向上的作用區(qū)，隨向升高，作用范圍增大，作用強(qiáng)度減弱，這一現(xiàn)象與模型前緣分離渦的效果一致。由此可知，四極子聲源是由分離渦引起模型側(cè)面前端附近的渦流運(yùn)動(dòng)劇烈而產(chǎn)生的。

圖15 HSM標(biāo)準(zhǔn)模型表面Proudman聲功率分布云圖

綜上所述，模型前緣產(chǎn)生的分離渦及其再附著現(xiàn)象是車(chē)內(nèi)噪聲的主要成因。

2.3 流場(chǎng)仿真結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)仿真計(jì)算得到表面壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瞬態(tài)結(jié)果，將其平均后與各測(cè)點(diǎn)的表面壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖16 所示。由圖可以明顯看出，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一致性。

圖16 表面壓力實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比圖

將仿真計(jì)算得到表面聲壓級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瞬態(tài)結(jié)果，經(jīng)傅里葉變換得到1/3倍頻程曲線(xiàn)。鑒于本次實(shí)驗(yàn)條件的限制，未能對(duì)側(cè)窗外表面的聲源信息進(jìn)行測(cè)量，因此選擇HSM 標(biāo)準(zhǔn)模型實(shí)驗(yàn)的文獻(xiàn)［10］進(jìn)行表面聲壓級(jí)的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)與仿真的對(duì)比結(jié)果如圖17 所示。從圖可以看出，仿真結(jié)果與參考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的一致性，各中心頻率下的差異在10%以?xún)?nèi)。

圖17 表面聲壓級(jí)實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比圖

由以上對(duì)比結(jié)果可以說(shuō)明，本文中采用的流場(chǎng)計(jì)算方案具有較高準(zhǔn)確性。

3 聲場(chǎng)仿真

采用ACTRAN 聲學(xué)求解器對(duì)HSM 標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行內(nèi)部聲傳播計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證聲場(chǎng)仿真準(zhǔn)確性。

3.1 聲場(chǎng)仿真模型與計(jì)算設(shè)置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?nèi)部聲腔建立聲場(chǎng)仿真所用的聲腔模型，內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)保持一致，聲場(chǎng)仿真模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖18所示。

圖18 聲場(chǎng)仿真模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)

聲場(chǎng)計(jì)算時(shí)，為保證聲傳播的計(jì)算精度，聲腔模型的體網(wǎng)格尺寸與求解頻率應(yīng)滿(mǎn)足：

上式表示目標(biāo)求解頻率所對(duì)應(yīng)的一個(gè)聲波波長(zhǎng)應(yīng)包含6～8 個(gè)網(wǎng)格，其中為聲速，Δ表示聲腔模型的最小網(wǎng)格尺寸。

本文目標(biāo)求解頻率為4 000 Hz，綜合求解精度和計(jì)算時(shí)長(zhǎng)考慮，聲場(chǎng)仿真模型上聲源加載區(qū)網(wǎng)格尺寸為2 mm，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與流場(chǎng)仿真模型一一對(duì)應(yīng)。聲場(chǎng)仿真的計(jì)算設(shè)置如表5所示。

表5 聲場(chǎng)仿真計(jì)算設(shè)置

3.2 聲場(chǎng)仿真分析

3.2.1 聲源激勵(lì)成分分析

定義5[1,7] 設(shè)μ:X∪Y→X∪Y上的映射，若N>M≥2，對(duì)任意的Xi∈X,Yj∈Y，滿(mǎn)足：μ(Xi)∈Y,μ(Yj)∈X∪{Yj}和μ(Xi)=Yj,μ(Yj)=Xi，則Xi和Yj在μ中匹配，稱(chēng)(Xi,Yj)為雙邊匹配對(duì)。若(Xi,Yj)是μ中任意的雙邊匹配對(duì)，且μ(Xi)≠Yj′,Yj′∈Y,Yj′≠Yj,μ(Yj)≠Xi′,Xi′∈X,Xi′≠Xi，則稱(chēng)μ是一對(duì)一雙邊匹配，μ(Yj)=Yj表示Yj在μ中未匹配。

流場(chǎng)計(jì)算得到的聲源激勵(lì)由兩種成分組成：一是流場(chǎng)中渦結(jié)構(gòu)本身作為聲源，向周?chē)椛渎暡?，這種聲源激勵(lì)被稱(chēng)為聲學(xué)壓力脈動(dòng)（acoustic wall pressure fluctuation，AWPF）；另一種是流場(chǎng)中流體與結(jié)構(gòu)直接作用，引起結(jié)構(gòu)邊界發(fā)生振動(dòng)而形成的聲源，被稱(chēng)為湍流壓力脈動(dòng)（turbulent wall pressure fluctuation，TWPF）。

表面壓力激勵(lì)由PMD 分解得到圖19。由圖可知，湍流壓力脈動(dòng)與側(cè)窗表面壓力脈動(dòng)基本重合，隨著頻率的升高，差異逐漸顯現(xiàn)，但差距始終較小，而聲學(xué)壓力脈動(dòng)在全頻段上，數(shù)值遠(yuǎn)小于湍流壓力脈動(dòng)，兩者之間的差距隨頻率升高而減小。由此說(shuō)明左側(cè)窗上的聲源激勵(lì)，主要成分是湍流壓力脈動(dòng)，其占比隨頻率增大而減小，但始終維持在一個(gè)較高的水平。

圖19 左側(cè)窗表面壓力分解結(jié)果

3.2.2 內(nèi)部噪聲源項(xiàng)貢獻(xiàn)度對(duì)比

圖20為表面壓力及不同壓力脈動(dòng)分別加載得到的內(nèi)部噪聲頻譜圖。由圖可知，表面壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲在低頻段時(shí)，受聲學(xué)壓力脈動(dòng)與湍流壓力脈動(dòng)的共同作用，隨著頻率的升高，聲學(xué)壓力脈動(dòng)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，湍流壓力脈動(dòng)的貢獻(xiàn)越來(lái)越小。在2 500～4 000 Hz 內(nèi)，表面壓力脈動(dòng)的頻譜曲線(xiàn)基本與聲學(xué)壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲一致。由此說(shuō)明，內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的噪聲主要來(lái)自聲學(xué)壓力脈動(dòng)，其占比隨頻率的升高逐漸增加，在高頻段內(nèi)的內(nèi)部噪聲基本由聲學(xué)壓力脈動(dòng)造成。

圖20 內(nèi)部噪聲貢獻(xiàn)對(duì)比圖

3.2.3 傳遞效率對(duì)比

綜上所述，聲源激勵(lì)和內(nèi)部噪聲的主成分完全相反，這是側(cè)窗玻璃對(duì)不同聲源激勵(lì)的傳遞效率不同所致。

根據(jù)研究人員對(duì)板隔聲量的研究發(fā)現(xiàn)，單層薄板在外部激勵(lì)發(fā)生受迫振動(dòng)時(shí)，會(huì)在板內(nèi)產(chǎn)生彎曲波，當(dāng)外部激勵(lì)達(dá)到某頻率時(shí)，彎曲波的波長(zhǎng)在激勵(lì)波方向上的投影等于激勵(lì)波的波長(zhǎng)，此時(shí)兩種波發(fā)生共振，激勵(lì)波以高傳遞效率通過(guò)薄板，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為吻合效應(yīng)。

由此可知，當(dāng)聲源激勵(lì)的波數(shù)與彎曲波波數(shù)相近時(shí)，受激勵(lì)引起的玻璃彎曲波波長(zhǎng)與激勵(lì)波波長(zhǎng)接近，易引起共振，此時(shí)玻璃對(duì)該激勵(lì)波的傳遞效率較高。為此，計(jì)算各頻率下聲源激勵(lì)及側(cè)窗玻璃波數(shù)之間的關(guān)系，公式如下：

式中：為湍流壓力脈動(dòng)的波數(shù)；為對(duì)流速度。

式中為聲學(xué)壓力脈動(dòng)的波數(shù)。

式（3）表示湍流壓力脈動(dòng)對(duì)應(yīng)波數(shù)與頻率的關(guān)系。式（4）表示聲學(xué)壓力脈動(dòng)對(duì)應(yīng)波數(shù)與頻率的關(guān)系。

上式表示玻璃受激勵(lì)后產(chǎn)生的彎曲波波數(shù)，以無(wú)限大平板的波數(shù)求解公式進(jìn)行近似求解。式中、、、分別表示玻璃的彈性模量、厚度、泊松比和密度。經(jīng)計(jì)算得到如圖21所示的波數(shù)-頻率圖。

圖21 聲源激勵(lì)及側(cè)窗玻璃的波數(shù)-頻率圖

由圖可知，全頻段內(nèi)聲學(xué)壓力脈動(dòng)的波數(shù)與側(cè)窗玻璃彎曲波的波數(shù)相近，即聲學(xué)壓力脈動(dòng)在全頻段上與玻璃彎曲波波長(zhǎng)接近，因此聲學(xué)壓力脈動(dòng)通過(guò)側(cè)窗玻璃的傳遞效率較高，激勵(lì)作用較明顯。而湍流壓力脈動(dòng)的波數(shù)只在低頻段內(nèi)較為接近，在耦合頻率以上，波數(shù)與彎曲波相差甚遠(yuǎn)，即湍流壓力脈動(dòng)僅在低頻段內(nèi)與彎曲波波長(zhǎng)相近，因此湍流壓力脈動(dòng)通過(guò)側(cè)窗玻璃的傳遞效率隨頻率升高而降低，激勵(lì)作用并不明顯。正是這樣的傳遞效率差異導(dǎo)致了聲源激勵(lì)與內(nèi)部噪聲在主成分上完全相反的結(jié)果。

3.3 聲場(chǎng)仿真結(jié)果驗(yàn)證

將聲場(chǎng)仿真得到的頻譜曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖22 所示。由圖可知，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的聲壓級(jí)隨頻率變化的趨勢(shì)基本一致，除400～800 Hz外，各頻率所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)在數(shù)值上差距較小?？偟膩?lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)與仿真整體一致性較好。其中400～800 Hz 的誤差較其他頻段明顯，原因如1.3.2 節(jié)所述，該頻段內(nèi)不同NCT 的傳遞效率差異不足以忽略其他聲源作用，因此產(chǎn)生仿真誤差。綜上所述，本文中采用的流場(chǎng)-聲場(chǎng)聯(lián)合仿真具有較高準(zhǔn)確性。

圖22 內(nèi)部噪聲實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比圖

4 結(jié)論

基于HSM 標(biāo)準(zhǔn)模型的實(shí)驗(yàn)與仿真分析，得到如下結(jié)論。

（1）隨風(fēng)速增加，不同聲源作用下的內(nèi)部噪聲在不同頻段上變化規(guī)律不同。全鋁窗、前玻璃窗和右側(cè)玻璃窗作用下，聲壓級(jí)主要在1 200 Hz 以下隨風(fēng)速有明顯變化，全玻璃窗和左側(cè)玻璃窗作用下，聲壓級(jí)在全頻段上隨風(fēng)速增加而增加，但增長(zhǎng)幅度隨頻率增大而減小。

（2）模型前緣分離渦及其再附著引起的壓力激勵(lì)由各窗向內(nèi)傳遞產(chǎn)生內(nèi)部噪聲，各窗對(duì)內(nèi)部噪聲的貢獻(xiàn)大小為：左側(cè)窗＞右側(cè)窗＞前風(fēng)窗。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以左側(cè)窗為唯一聲源可獲得與全部聲源存在時(shí)相近的聲壓級(jí)結(jié)果，因此針對(duì)駕駛員左耳位置的噪聲研究，可以只考慮左側(cè)窗聲源。

（3）表面壓力激勵(lì)包含湍流壓力脈動(dòng)和聲學(xué)壓力脈動(dòng)，湍流壓力脈動(dòng)是聲源激勵(lì)的主成分，占比隨頻率升高而降低。聲學(xué)壓力脈動(dòng)是內(nèi)部噪聲的主成分，占比隨頻率升高而增大。兩者的差異是由玻璃對(duì)兩種聲源的傳遞效率不同引起的，這是不同激勵(lì)與玻璃彎曲波之間不同波數(shù)關(guān)系導(dǎo)致的。