汽车气动噪声外辐射声场的数值仿真.pdf

2 0 1 3年 第 3 5卷 第 1 期 汽车 1 程 Au t o mo t i v e Eng i n e e r i ng 汽车气动噪声外辐射声场 的数值仿真 牢 郑拯 宇 一， 李人究 1 ．西 南交通大学机械 工程 学院， 成都6 1 0 0 3 1 ； 2 ．重庆理工大学重庆汽车 学院， 重庆4 0 0 0 5 4 2 01 3 01 8 [ 摘要] 从 L i g h t h i l l 声类比理论出发， 将流体动力学技术与边界兀法结合起来 ， 在某轿车边界元模型中， 导 人 流场边界脉动压力数据， 并经转换和计算获得汽车表面附近的气动偶极子声源边界条件； 采用直接边界元算法进行 汽车气动噪声外辐射声场的数值仿真。结果表明 轿车表面的偶极了声源强度随频率增大而降低； 在 1 2 0 k m ／ h车 速和2 0 0 0 H z 频率时后视镜附近声场的气动噪声声压级可达 7 8 d B左右； 在同 一 频率 F， 轿乍在纵向对称面上的气动 声源辐射强度要大于地平面上的气动声源辐射强度。 关键词 汽车气动噪声； 偶极子声源 ； 辐射声场 ； 边界元法 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o n t h e Ex t e r n a l Ra d i a t i o n S o u n d F i e l d o f Ve h i c l e Ae r o d y n a mi c No i s e Zh e n g Zhe ng y u Li Re nx i a n 1 ． S c h o o l o fMe c h a n ic a l E n g i n e e r i n g ，S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，C h e n g d u 6 1 0 0 3 t ； 2 ． C h o n g q i n g A u t o m o b i l e C o l l e g e ， C h o n g q i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 5 4 [ A b s t r a c t j B a s e d o n L i g h t h i l l a c o u s t i c a n a l o g y t h e o r y a n d c o mb i n i n g b o u n d a r y e l e me n t me t h o d B E Mw i t h c o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a m i c s C F D ，t h e p u l s a t i n g p r e s s u r e d a t a o f fl o w fi e l d b o u n d a ry a r e i n p u t i n t o t h e B E M mo de l f o r a pa s s e n g e r c a r ，a n d t h e b o u n d a r y c o n d i t i o ns o f a e r o d y na mi c d i p o l e s o u n d s o u r c e n e a r c a r s u rfa c e a r e o b t a i n e d t h r o u g h c o n v e r s i o n a n d c a l c u l a t i o n． A n u me r i c a l s i mu l a t i o n o n t h e e x t e r n a l r a d i a t i o n s o u n d fie l d o f v e h i c l e a e r o d y na mi c n o i s e i s c o nd u e t e d by u s i n g d i r e c t BEM． T he r e s u l t s s h o w t ha t t he i n t e n s i t y o f d i p o l e s o u n d s o u r c e o n e a r s u r f a c e d e c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f f r e q u e n c y，t h e s o u n d p r e s s u r e l e v e l o f a e r o d y n a mi c n o i s e n e a r r e a r v i e w mi r r o r s i s u p t o s o me 7 8 dB a t 2， O 0 0Hz wi t h a v e h i c l e s p e e d o f 1 2 0k m／h，a nd a t t h e s a me fre q u e n c y，t h e r a d i a t i o n i nt e n s i t y o f a e r o d y n a mi c s o u n d s o u r c e o n t h e l o n g i t ud i na l s y mme t r i c p l a ne o f v e hi c l e i s l a r g e r t h a n t h a t o n h o r i z o n t a l p l a n e． Ke y wor dsv e hi c l e a e r o d y na m i c n o i s e；d i po l e s o un d s ou r c e；r ad i a t i on s o un d fie l d；BEM 日 lJ吾 气动噪声又称气流噪声。当汽车高速行驶时， 周 围的空气在汽车表面附近形成流动状态十分复杂 的湍流场 ， 而流场 中的涡运动将在车身表面 附近形 成一种压力脉动 ， 这种压力脉动是诱发汽车产生气 动噪声的主要原因。研究表 明 气动噪声是 与车速 的6次方成『 E比 。随着车辆上程技术 的发展 ， 汽车其它噪声 诸如发动机噪声 、 传动系噪声等 得 到有效控制 ， 而气 动噪声则随着 车速 的不断提 高而 增强 ， 并逐步成为汽车高速行驶时 的主要噪声源之 一 。这种气动噪卢对于轿车乘坐舒适性 以及对高速 公路周边 的环 境 噪声污染 等指标 产生 重要 影 响 。国内外学者已在相关领 域做 J ， 大量的研究 工作 ， 并取得一定进展 J 。但 由于气动 噪声 是在 高等学校博士学科点专项科研基金 2 0 1 0 0 1 8 4 1 1 0 0 0 2 、 重庆市科委自然科学基金项 目 C S T C ， 2 0 0 8 B B 7 3 4 1 和重庆市教 委科学技术研究项目 K J 1 0 0 8 1 1 资助。 原稿收到日期为2 0 1 1 年 4月 6日， 修改稿收到 日期为2 0 1 1 年 9』 { 2 2口。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 郑拯宇， 等 汽车气动噪声外辐射声场的数值仿真 8 9 一 个宽频带范围呈连续分布 ， 故从实车实道现 场采 样数据中提取并分析气动噪声信号存在较大技术困 难 ； 静音风洞数量稀少 、 成本高 ； 而 目前相关 的数值 仿真技术则主要致力于车辆内部封闭空间的声场分 析， 或针对车辆外部流场中有限个离散点的噪声信 号进行预测 ， 或局限于选择某种基 于稳态流场建立 起来的宽带声源模型理论对车辆表面气动声源强弱 的分布进行大致预判 ， 而这些宽带声源模型在其理 论推导过程中做 了一系列必要 的简化假设 ， 忽略 了 湍流中涡旋在时间历程上对整体流场声能的影响， 不仅精度不高， 而且不能获得基于车辆表面气动声 源的外辐射声场 。上述研究均不能对车辆外部空问 气动噪声场进行较为全面、 直观的认识和理解 。 本文中从 L i g h t h i l l 声类 比理论 “ 出发 ， 利用 气动偶极子声源原理， 将流体动力学数值分析技术 与边界元声场分 析方法结合起来 ， 在某轿 车边界元 模型中， 导人流场脉动压力数 据并转换成气 动偶 极 子声源边界条件， 采用直接边界元算法进行基于气 动偶极子声源的轿车气动噪声外辐射声场的数值仿 真分析 ， 为进一步研究轿车车身优化设计 和高速公 路沿线噪声环境控制的可行性方案提供数值依据。 1 L i g h t h i l l 声源理论与边界元基本原理 1 ． 1 车辆气动噪声场中的声源理论 针对流场 中运 动存在运 动固壁 的情况 ， F f o w e s Wi l l i a m s 和 H a w k i n g s扩展 了 L i g h t h i l l 方程 的解 ， 得 到如下 F f o w c s Wi l l i a m s H a w k i n g s 方程 简称 F w H 方程 嚣一毒 ∽ ] 鲁 ∽ 差 ] 1 式 中 P 为流场压力脉动量 ； a 。为声传播速度 ； T ij 为 L i g h t h i l l 张量 ； P ， 为作 用在运 动 固壁 表 面附近 的压 力； 艿 ．厂 为狄拉克一 D e l t a函数 ； p 0 是未受扰动的流体 密度或均值 。 式 1 方程右边 的第 1项是 四极子声源项 ， 只存 在于运动固体表面之外； 第 2项表示由表面脉动压 力引起 的声源 ， 是偶极子声源项 ； 第 3项表示 由表面 加速度引起 的声源 ， 是单极子声源项 。第 2 、 3项仅 在固体表面上产生。对于在空气流场中高速行驶的 车辆 ， 车身表面可视为刚性， 体积脉动量几乎为零， 所以单极子声源项 第3 项 积分可不必考虑； 另外， 文献中指出 气动噪声中四极子声源与偶极子声源 强度之 比正 比于马赫数 的平方 J ， 而地面行驶 的汽 车运动仍属于低速运 动 远小于马赫数 ， 其 四极 子 源噪声强度远小于偶极子声源， 故四极子源项 第 1 项 亦可忽略不计 。因此适合车辆流场的 F w． H方 程可简化为 一 O x] 2 i 。 一 【p L_， J ‘ z J 式 2 表明 汽车高速行驶时， 车身表面附近流 场脉动压力 p 所形成的车身表面偶极子声源决定 了 汽车外部的气动噪声辐射声场。 1 ． 2 边界元基本原理 边界元方法 b o u n d a r y e l e me n t m e t h o d ， B E M 是 分析声场问题最常用 的方法 ， 基本思想是基于格林 公式的应用 ， 即将一个 区域上的积分转化为该区域 边界上的积分 ， 将 问题的维数降低一维 ， 从而使求解 的方程数 目大大降低n 。 。边界元法分为直接边 界元法与间接边 界元 法两种 ， 其 中直接边界元法用 于分析封闭结构 的内声场或外声场 ， 以解决声波 的 辐射和散射问题， 其起点是外部 H e l m h o l z 边界积分 方程 p 『『 [P 一 G 掣 Y d Olr／ 3 式中 P PC 和P Y 分别为观测点 处的辐射压力和 声源点 Y处 的脉动声压 ； 咒为辐射源表面 5上 Y点外 法线向量。在其推导过程中， H e l m h o l z 积分方程严 格自动满足无界区域的 S o m m e r f e l d 辐射条件 [， ikp ，． 0 4 式中 r为声源指向观测点的矢量 ； p ， 为 h e l m h o l t z 方程的解 ； 2 f ／ c 。为波数 为声源 自振频率。 由此 ， 外部辐射声场 中任意一 点 处 的声压与 辐射源表面 s上的声压和声压梯度值之间就可以利 用式 3 联系起来。 本文中首先将所计算的车身表面附近流场的脉 动压力数据导入声振耦合软件 S Y S N O I S E中， 利用 式 5 转换成声辐射压力； 然后利用快速傅里叶变 换 F F T r 将流场中时域脉动信号变换成频域信号， 再根据式 6 求 出压脉动频率 ， 从 而获得气 动噪 声辐射场 中的边界偶极子声源条件 f P y d s 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 1 贾继德 ， 等 基于对称极坐标法的变速器齿轮磨损故障诊断的研究 9 7 据 中任取两块数据 的灰度图像作 为待 检模 式 ， 通过 图像相关系数法的诊断结果如表 l 所示。 表 1 图像相关系数法诊断结果 标 准 a 标准 b 标 准 C 结果 待榆 1 O ． 9 5 0 ． 4 8 0 ． 3 5 正常磨损 待检 2 O ． 9 8 0 ． 5 O 0 ． 3 7 正常磨损 待检 3 0 ． 3 8 O ． 9 8 0 ． 4 0 中等磨损 待检 4 0 ． 4 1 0 ． 9 9 0 ． 4 4 中等磨损 待检 5 O ． 3 7 0 ． 4 3 O ． 9 6 严重磨损 待榆 6 O ． 3 5 O ． 3 9 0 ． 9 7 严重磨损 由相关系数的性质可知 ， 相关系数值越接近 1 ， 说明待检模式与某个标准模式图形越接近。从表 1 可以看出， 不同故障程度下的待检模式与相应故障 程度下的标准模式之问的相关系数值明显大于与其 他标准模 式之 间 的相关 系数 ， 只要设 定 阈值 大于 0 ． 8就能准确地识别 目前图形属于变速器齿轮磨损 的哪种故障 ， 表明利用 图像相关系数法进行状态 的 分类识别具有有效性和科学性 。 3 结论 1 对称极坐标方法可有效地反映变速器 内部 齿轮磨损的状态变化。在 工程应用 中 ， 维修人员能 通过变速器振动信号的对称极坐标图形直观地识别 变速器有无故障和故 障程度。 2 通过二进小波变换 ， 有效地提取 了变速器 齿轮磨损故障的特征 ， 通过 去除故 障特征频带前后 的极坐标图形说 明故障提取的效果 。 3 通过图像处理技术中的图形相关系数分析 比较 ， 可以实现变速器齿轮磨损故障类型 的准确描 述和 自动诊断。 致谢 感谢郑海波博士提供的变速器磨损实验数据。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 参考文献 P i e k o v e r C A．On the Us e o f S y mme t r i z e d Do t P a t t e r n s f o r t h e Vi s 。 u a l Ch a r a c t e ri z a t i o n o f S p e e c h W a v e for ms a n d Ot h e r S a mp l e d Da t a [ J ] ．T h e J o u r n a l o f t h e A c o u s t i c a l S o c ie t y o f A me r i c a ， 1 9 8 6， 8 0 9 5 5 -9 6 0 ． S h i b a t a K ，T a k a h a s h i A ，S h i r a i T．F a u l t Di a g n o s i s o f Ro t a t i n g Ma c h i n e r y T h r o u g h V i s u a l i s a t i o n o f S o u n d S i g n a l [ J ] ．Me c h ．S y s t ． S i g n a l P r o c e s s ， 2 0 0 0， 1 4 2 2 2 9 2 4 1 ． Wu a J D，C h u a n g b C Q ．F a u l t D i a g n o s i s o f I n t e r n a l C o mb u s t i o n En g i n e s Us i n g Vi s u al Do t P a t t e r n s o f Ac o u s t i c a n d Vi b r a t i o n S i g - n als [ J ] ，N D T I n t ． ， 2 0 0 5， 3 8 8 6 0 5 6 1 4 ． De l v e c c h i o S，D’ E l l a G ，Muc c h i E，e t a 1 ． Ad v a nc e d S i g n a l P r o c e s s i n g T o o l s for t h e Vi b r a t o r y S u r v e i l l a n c e o f As s e mb l y F a u l i n D i e s e l E n g i n e C o l d T e s t s [ J ] ．A S ME J o u rnal o f V i b r a t i o n a n d A c o u s t i e s ， 2 0 1 0 ， 1 3 2 2 ． 郑海 波． 非平 稳 非 高斯 信号 特 征提 取 与故 障诊 断技 术 研究 [ D] ． 合肥 合肥工业大学 ， 2 0 0 2 ． Me y e r Y ．Wa v e l e t A l g o r i t h ms a n d A p p l i c a t i o n s [ M] ．P h i l a d e l p h i a S o c i e t y for I n d u s t ria l a n d Ap p l i e d Ma t h e ma l i e s ， 1 9 93 ． 上接第 9 2页 [ 6 ] 张曙光． 3 5 0 k m h 高速列车噪声机理、 声源识别及控制[ J ] ． 中周铁 道科 学 ， 2 0 0 9 ， 3 0 1 8 6 9 0 ． [ 7] 夏恒 ， 宫镇 ， 陆森林 ， 等． 关于高速车辆 内部气流 噪声计算 方法 的研究 [ J ] ． 汽车工程 ， 2 0 0 3， 2 5 1 7 8 8 1 ． [ 8 ] 肖友刚 ， 康 志成． 高速列车车头 曲面气 动噪声 的数值 预测 [ J ] ． 巾南 大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8， 3 9 6 1 2 6 7 1 2 7 2 ． [ 9 ] 杨博 ， 傅立敏． 稳态数值模拟在轿车外气动噪声源预测中的应 用 [ J ] ．占林大学学报 工学版 ， 2 0 0 7 ， 3 7 5 1 0 0 5 1 0 0 8 ． 『 1 O ] L ig h t h i l l M J ．O n S o u n d G e n e r a t e d A e r o d y n a m i c al l y ．I ．G e n e r J T h e o ry[ C] ．P r o c e e d i n g s o f t h e R o y a l S o c i e t y o f L o n d o n， 1 9 5 2， 2 1 1 A 1 1 0 7 5 6 4 5 8 7 ． [ 1 1 ] C u r i e N．T h e I n fl u e n c e o f S o l i d B o u n d a ri e s u p o n A e r o d y n a mi c S o u n d [ C] ．P r o c e e d i n g s o f t h e R o y a l S o c i e t y o f Lon d o n ， 1 9 5 5， 2 3 1 A 1 1 8 7 5 0 5 5 1 4 ． [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] F f o we s Wi l l i a ms J E Ha wk i n g s D L．S o u n d Ge n e r a t i o n b y T u r - b u l e n c e a n d S u r f a c e s i n A r b i t r a r y Mo t i o n[ J ] ． P h i l o s o p h i c al T r a n s a c t i o n s f o r t h e Ro y a l S o c i e t y o f L o n d o n A， 1 9 6 9 ， 2 6 4 7 3 2 1 -3 4 2． 卢盛 松． 边 界元 理论 及 应用 [ M] ． 北 京 高 等教 育 出版 社 ， 1 9 9 0 41 6． 瑞 比亚 c A ． 边界 单元法 的理论和 工程应用 [ M] ． 北京 国防 工业 出版社 ， 1 9 8 8 ． 李增刚． S Y S N O I S E R e v 5 ． 6详解 [ M] ． 北 京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 5 1 1 01 1 3 ． 国家环境保护总局， 国家质量监督检验检疫总局． G B 1 4 9 5 2 0 0 2 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