2021年（第43卷）第1期汽车工程
Automotive Engineering2021（Vol.43）No.1 doi：10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.01.011
基于直接CAA与SEA的汽车风噪预测与控制*
王亓良1，陈鑫1，张英朝1，关青青1，张延杰2，张岩金2，林清龙2
（1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022；
2.东南（福建）汽车工业有限公司汽车研究院，福州350119）
［摘要］本文中对某一SUV风噪的预测与控制进行研究。首先基于风洞测试进行风噪声源特性与传递路径的分析，发现泄漏噪声主要发生在500Hz以上中高频段，车底风噪主要集中于800Hz以下中低频段，而在外形噪声中，由车顶和四门传递的风噪的贡献大于翼子板。然后基于气动噪声直接计算法和统计能量分析对外形噪声进行仿真，并结合风洞测试分析了湍流模型、网格尺寸和波数分析方式对风噪仿真精度的影响。结果表明，大涡模拟的高频风噪衰减低于分离涡模拟，且大涡模拟对高频风噪的仿真精度和计算效率都比分离涡模拟高；在计算资源允许范围内对比不同网格尺寸，最小网格为2mm时侧窗声压级的截止频率最高可达2000Hz；单区域波数分析低估了中低频风噪声的能量，精度较低。多区域波数分析中，声能量较低的区域对仿真精度影响较小。最后基于贡献度分析提出后视镜支臂减薄和安装在车门上两种改进方案
进行仿真，结果表明，改进后车内总声压级分别降低1.38和
1.93dB，语音清晰度提升0.4%和1.1%。
关键词：汽车；风噪；仿真；直接计算法；统计能量分析；波数分析
Vehicle Wind Noise Prediction and Control Based on Direct CAA and SEA
Wang Qiliang1，Chen Xin1，Zhang Yingchao1，Guan Qingqing1，Zhang Yanjie2，
Zhang Yanjin2&Lin Qinglong2
1.Jilin University，State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Changchun130022；
2.Soueast（Fujian）Motor Co.，Ltd.，Fuzhou350119
［Abstract］The prediction and control on the wind noise of a SUV is studied in this paper.Firstly，the char⁃acteristics of wind noise source and transmission path are analyzed based on wind tunnel test，and it is found that the leakage noise is mainly produced in the mid⁃to⁃high frequency range above500Hz，the underbody wind noise is mainly concentrated in the mid⁃to⁃low frequency range bel
ow800Hz，while for outer shape noise，the contribution of wind noise transmitted by the roof and four doors is higher than that of the fender.Then the shape noise is simulat⁃ed based on the aeroacoustics direct calculation and statistical energy analysis，and the influence of turbulence mod⁃el，mesh size and wave number analysis mode on the accuracy of wind noise simulation is analyzed by combining wind tunnel test.The results show that the attenuation of high⁃frequency wind noise with large eddy simulation （LES）is less than that with improved delayed detached eddy simulation（IDDES），and both the accuracy and the calculation efficiency of high⁃frequency wind noise simulation with LES are higher than that with IDDES.The com⁃parison of different mesh size within the allowable range of computing resources indicate that with the smallest mesh size of2mm，the cut⁃off frequency of the sound pressure level at side window can reach up to2000Hz.As for the modes of wavenumber analysis，the single⁃area wavenumber analysis underestimates the energy of mid⁃to⁃low fre⁃quency wind noise with low accuracy，while in multi⁃area wavenumber analysis，the area with lower sound energy has less influence on simulation accuracy.Finally，based on contribution analysis，two improving schemes are pro⁃*国家自然科学基金（11702109，11772140）资助。
原稿收到日期为2020年7月22日，修改稿收到日期为2020年10月7日。
通信作者：张英朝，教授，博士，E⁃mail：yingchao@jlu.edu。
2021（Vol.43）No.1王亓良，等：基于直接CAA与SEA的汽车风噪预测与控制
posed：reducing the thickness of the support arm of rearview mirror and installing the rearview mirror on the door. As a result，with two improving schemes the overall sound pressure level in the vehicle is reduced by1.38and 1.93dB，and the speech articulation is increased by0.4%and1.1%respectively.
Keywords：vehicle；wind noise；simulation；direct calculation；statistical energy analysis；
wavenumber analysis
前言
汽车高速行驶时，风噪声超过轮胎、发动机等振动噪声，成为影响车内噪声水平的主要因素［1］。驾驶员和乘员长时间处在噪声环境下，容易产生疲劳和烦躁感，影响舒适性与安全性。因此风噪性能是汽车开发中的重要指标。
车窗关闭时的车内风噪主要由泄漏（Leak）噪声［2］和外形噪声组成，此外汽车风噪还包括车窗开启时的风振噪声［3-4］、空调风噪等。其中泄漏噪声包括车身密封不严处的内外气流交换引起的气吸（Aspiration）噪声，以及透过密封件结构本身传入车内的车外风噪。其中泄漏噪声与车身装配工艺和密封性能有关，可通过风洞测试等手段进行泄漏的排查和优化［5］。当前通过流动仿真对泄漏噪声进行
直接模拟仍比较困难。文献［6］中通过仿真模拟时均流场压力载荷下的车门变形程度，优化车门结构增强刚度，以间接控制泄漏噪声。外形噪声通常包含两部分，一部分为伴随着流体质点的运动沿着流向传播的湍流压，或称水动压、对流压，另一部分为依靠空气的压缩和膨胀向四处扩散传播的声压。外形噪声通过激励车窗与车身板件等振动，进而向车内辐射噪声。测试中对实车进行改形优化相对困难，且成本较高，而通过仿真进行外形噪声的预测和优化具有效率高、成本低等优势。
风噪仿真流程通常包括外场声源获取和车窗与车内噪声传播模拟。外场声源的仿真包括直接计算气动声学（computational aeroacoustics，CAA）［7］和混合CAA两类方法。其中，直接CAA以可压缩气体为介质，同时计算流场中的声压和水动压，考虑了对流场与声场耦合作用。但在直接CAA中，采用传统
CFD工具求解N⁃S偏微分方程组时，时空离散带来的数值误差会使量级本就远小于湍流压的声压在传播过程中耗散掉，因此直接CAA对网格量级的要求较高。基于分子动力学方程的格子玻尔兹曼方法［8］具有并行效率高、耗散低等优势，但成本较高。混合CAA将以不可压缩气体为介质的传统CFD仿真与声类比原理结合，将流场与声场解耦，依次计算流场中的湍流压与声压。以不可压缩气体CFD仿真获取的流场信息为输入计算声场信息，忽略声场对流动的作用。主要包括莱特希尔声类比、FW⁃H积分法、声扰动方程［9］和随机噪声产生与辐射（stochastic noise generation and radiation，SNGR）方法［10］等。采用混合CAA进行汽车风噪仿真时，通常需要100GB 以上的流场数据存储空间，且计算对运行内存要求较高。车窗传声和车内噪声传播在声学软件中通常基于频域进行计算。对于车窗的传声，
通常可采用统计能量分析（SEA）［11-12］或有限元法（FEM）［13-14］进行计算。研究表明，在5000Hz以下车窗振动模态达几百阶，随着高频噪声波长的减小，需要大量的FEM网格参与计算，此时SEA的计算效率远高于FEM。对于车内噪声传播的计算，在3000Hz以下车内声腔模态可达10000阶，声传播计算要求的截止频率越高，SEA的计算效率优势越明显。
综上所述，当前存在实车风噪声源多、传递路径复杂、实车风噪仿真流程不成熟和仿真精度不确定等问题。本文中以某SUV为研究对象，首先基于风洞测试进行实车风噪声源特性和传递路径的分析。然后基于直接CAA和SEA对经车窗传递的外形噪声进行仿真预测，并结合风洞测试分析湍流模型、网格尺寸和波数分析方式对风噪仿真精度的影响。最后提出后视镜支臂减薄和安装在车门上两种方案，有效降低了车内风噪。本研究对汽车风噪仿真开发具有参考意义。
1声源与传递路径分析
1.1测试设备与信号采集
试验风洞为回流3/4开式风洞，喷口为面积8.2m2的切角矩形。风洞建设过程中采取了多项降噪措施，背景噪声远低于待测噪声10dB以上，信噪比满足汽车风噪测试要求［15-16］。噪声采集设备布置如图1所示，车内噪声采集使用37B02型声学传声
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汽车工程2021年（第43卷）第1期
器，布置于4座乘员外耳处。左侧窗表面布置130B40型表面传声器，用于采集外场脉动压力。其中传声器Mic1~3位于A 柱旋涡区域，Mic4~6位于后
视镜尾流区域内。SCADASⅢ采集前端和Test Lab.试验分析软件分别用于信号采集与分析。每个工况采集3次取其平均值，每次采集时长为15s 。1.2声源特性与传递路径分析
如上所述，泄漏噪声与外形噪声是车内风噪的
主要来源。泄漏噪声主要与车身密封相关，而外形噪声主要包括A 柱、后视镜和轮胎等车底部件引起的风噪。为探究各声源对车内风噪的贡献，分析传递路径，在风洞测试中采用“增包法”设计如下工况。
工况1，汽车处于自然状态下，即全车没有密封，车身无偏航，测试风速为120km/h ，此时车内风噪即代表汽车上路行驶时的总风噪。
工况2，基于工况1，采用厚度为250μm 的布基胶带将车身各连接缝隙及活动密封等做密封处理，如图2（a ）所示，排除了车身泄漏噪声。
工况3，基于工况2，沿车身轮廓向下延伸建立图2（b ）所示的围裙，用以排除底盘风噪。
汽车阻尼片
工况4，基于工况3，在四门、顶棚和翼子板内侧
添加阻尼片，以增加车身板件的隔声量，如图3所示。
图4为工况1~工况3中驾驶员外耳传声器的测试结果，在工况2车身密封后，500Hz 以下声压级基本不变，而中高频声压级明显降低，车身泄漏噪声具有明显的中高频特性。该车的泄漏噪声在500-3150Hz 频段的车内风噪平均贡献为6dB 。由于该车是试制车，车身密封较差，泄漏噪声在6300Hz 附近存在声压级峰值。而与之相反，在工况3车底密封后，800Hz 以下的声压级平均下降5.4dB 。即车
底对车内风噪贡献主要集中在低频段。
工况4采用阻尼片分别对顶棚、四门、翼子板补强后，车内语音清晰度最大改善分别为3.21%、1.46%、0.15%。即在车身板件中，顶棚和四门均对车内风噪有贡献，而翼子板贡献很小。工况4的车内风噪测试结果中，排除了泄漏噪声、底盘风噪，且增加了车身板件的隔声量，前风挡通常采用厚度较大的夹层隔音玻璃，因此距离A 柱较近的前侧窗是主要的风噪传递路径。
2风噪仿真方案
基于流体软件STAR⁃CCM+和声学软件VA⁃One
搭建风噪仿真流程，如图5所示，包括声源获取、声压提取和声振耦合计算3个步骤。第1步，采用直接CAA 法获取侧窗时域压力，第2步，对声源压力进行分解和时频转换，第3步，在SEA 模型上施加
声源，并进行频域的声振耦合计算，
获得人耳声压
图1
侧窗（a ）与车内（b ）
传声器布置
图3工况4顶棚、车门、
翼子板添加阻尼片示意图
图4工况1~工况3
驾驶位的声压级频谱
图2
工况2和工况3的模型布置
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2021（Vol.43）No.1王亓良，等：基于直接CAA 与SEA 的汽车风噪预测与控制响应。
2.1外场仿真模型
外流场仿真采用长方体计算域，如图6所示，几
何尺寸为13倍车长、9倍车宽和6倍车高。采用半车模型以减少计算量。出口、入口、侧面和顶面采用自由流边界，以减少边界的声波反射。地面设为滑移壁面，忽略地面边界层影响。体网格分布如图7所示，对A 柱、后视镜和侧窗附近声源区域进行局部加密，最小网格尺寸为2mm ，网格数为3270万。棱柱层总厚度为2mm ，划分为10层，首层厚度为0.05mm ，满足Y +值小于1，对边界层直接求解。计算中首先采用RANS 进行3000步稳态仿真，获得初始流场以加速非稳态计算的收敛。非稳态仿真的物理模型和求解器设置如表1所示。湍流模型采用基于WALE 亚网格模型的大涡模拟（LES ），可压缩的理想气体介质考虑了声压与水动压的耦合作用。仿真时间步长为0.05ms ，采集时长0.1s ，对应最大求解频率10000Hz ，频率分辨率10Hz 。
2.2内场仿真模型
声振模型由车身内外饰和车窗玻璃的SEA 板子
系统和车内外的SEA 声腔子系统组成，如图8所示。各子系统之间相互关联，以传递声能量。将外场仿真获取的声源以通用表面压力（GSP ）载荷的形式施
加到声振模型的侧窗表面。经过车窗的隔声和内饰吸声的影响，风噪分别以直达声和次达声两种路径传入人耳。直达声的能量主要与玻璃的隔声性能相
关，而其隔声量通常取决于刚度、质量（面密度）和阻尼等。其中刚度由玻璃结构和约束决定，主要影响低频的隔声量。质量、面密度由表2中各SEA 板的材料和厚度等确定。通过文献查阅确定钢化玻璃的阻尼因子为0.1%。次达声的能量与车内空腔的吸声性能相关，可通过混响时间测试与换算，以指定空
腔吸声系数或阻尼来控制吸声性能。本文中通过对
图5
风噪仿真流程示意图
图6
CFD
仿真计算域
图7声源区域最小尺寸2mm 的网格
表1非稳态仿真物理模型与求解器设置
项目湍流模型时间
介质求解器对流离散壁面处理时间离散时间步采集时长
参数
基于WALE 的大涡模拟（LES ）
隐式非稳态可压缩理想气体
分离流边界-中心差分
所有Y +2阶
0.05ms 0.1
s 图8SEA 板与GSP 声源（a ）和SEA 声腔（b ）
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汽车工程2021年（第43卷）第1期声学包的详细建模来确定空腔阻尼，如表3所示。
3风噪仿真精度影响因素分析
3.1湍流模型的精度对比
大涡模拟（LES）和改进的延迟分离涡模拟（IDDES）是风噪仿真常用的湍流模型。采用介于直接数值模拟与雷诺平均N⁃S方程（RANS）之间的
LES，对流场中的大尺度涡进行直接求解，而采用亚网格模型模拟小尺度涡。在求解含有壁面边界层流动的问题时，LES计算成本很高。DES结合了LES 与RANS，在无流动分离的区域（如边界层）和无旋流区域用RANS求解，而流动分离区用LES求解，以减少边界层区域需要的网格数。为探究湍流模型对汽车风噪仿真精度的影响，基于同样的网格方案，分别采用LES和IDDES进行仿真。
A柱尾流区Mic2和后视镜尾流区Mic4的仿真结果如图9所示。对于Mic2和Mic4，在1000Hz以下频段两种湍流模型计算的声压级差别不大，且与测试结果较为一致。在1000Hz以上频段两种湍流模型的仿真声压
级比测试结果有所下降，即产生高频能量衰减，后面的研究表明这是因网格尺寸的噪声截止频率所致。其中IDDES的声压级衰减比LES 更显著，与测试结果差别也更大。这可能是由于边界层附近RANS模型的使用而导致的高频压力脉动的损失。即在外场仿真中，采用LES对高频风噪仿真精度高于IDDES。且在当前网格数下，LES的计算效率是IDDES的1.25倍。
3.2网格尺寸对仿真精度的影响
网格尺寸同时影响风噪仿真精度和计算资源消耗。为探究不同网格尺寸的仿真精度，设置声源区域最小网格尺寸分别为2、4和8mm的3种方案，相应网格数分别为3270万、1761万和986万。
各网格尺寸对应外场风噪频谱如图10所示，对于靠近A柱下端的Mic1和后视镜附近的Mic4，在
200-3000Hz频段随着网格变大声压级明显降低。这是因为受到网格截止频率的影响，大尺寸的网格难以捕捉到波长较小的高频风噪所致。测试的声压级曲线相对平缓，而与之相比，2mm网格的仿真声压级在频率高于2000Hz以后已明显衰减。对于A 柱和后视镜的测点Mic2、Mic5，不同网格尺寸的声压级差别相对较小。即在后视镜尾流区内，网格尺寸越小，高频风噪仿真精度越高。尺寸为2mm的网格截止频率可达2000Hz以上，但同时大幅增加了网格数和计算时间。
3.3波数分析方式的精度差异
本节对比单区域、多区域两种波数分析的方式对车内风噪仿真精度的影响及效率。单区域波数分析时，在车窗对角两点所作矩形区域内进行分析，声源加载时仅须一个GSP载荷，如图11所示。多区域波数分析如图12所示，尽量使每个区域的压力均匀分布，并使用空间汉宁窗。各区域波数分析的结果按照其占车窗总面积的百分比加载至SEA模型。
基于两种波数分析方式的车内风噪仿真结果对比如图13所示。由图可见，在800Hz以下的中低频
表2SEA板的材料及物理属性
部件
侧门、翼子板、地板发动机舱盖、尾门、顶棚
防火墙
仪表板
前窗
侧窗
后窗
座椅材料
钢板
钢板
钢板
钢板
玻璃
玻璃
玻璃
皮革
厚度/mm
0.65
0.70
0.80
2.50
4.76
3.50
3.10
1.00
表3声学包布置
部件
前侧门、顶棚
轮包
后侧门
尾门
地板
防火墙
材料
25mm双层棉
25mm双层棉
25mm双层棉
25mm双层棉
50mm毛毡
25mm棉+15mm PU
覆盖面积/%
100
85
80
40
图9两种湍流模型求解的部分测点声压级对比
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