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：
图1-1 汽车风噪声形成过程示意图
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：
图1-4 某车型侧窗风噪分布示意图(1500Hz)
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。
图1-5 TWPF与AWPF对车内噪声贡献量
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 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。 格尺度与截止频率的关系式为：
其中F是声学截止频率，?是湍动能耗散率，Δ是 格尺度。
当CFD模拟中，声源区域的 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3-5 湍动能耗散率及截止频率
图3-6 4mm的CFD 格对应的声学计算结果
图3-7 2mm的CFD 格对应的声学计算结果
小结：
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：
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：
– 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：
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
图4-6 基于声学薄膜模态分析的波数分解计算流程
（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，结构波长分别为：
当
声学波长：
而流体流动本身是以对流速度往前传播，此时湍流波长：
图4-7 侧窗薄膜模态传递函数
其中Pj为车内声压，参与因子为：
薄膜模态为：
同样，对于侧窗表面声压来讲：
其中P为侧窗声压，aj为参与因子，薄膜模态为
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
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。Kmax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。
图5-1 SNGR方法的基本原理
图5-2 SNGR分析流程（与第二章节比较）
SNGR方法的主要特点：
该项目中采用与上述同款车型、同车速进行模拟。CFD 设置 :
图5-3 CFD计算域及声学计算域
声学设置内容包括：
图5-4 声学完美匹配层及测点示意图
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 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 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 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 格尺寸（声源区平均的 格大小）。
图5-5. 不同CFD 格示意图
图5-6. 不同CFD 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 格的尺度反应不灵敏，也就是不需要采用特别密集的 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 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
以上结果可知：
1) 从图上来看，如果主要声源区 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 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6-1 某车型车身表面CFD 格
图6-2 声源求解及数据转换模型
图6-3 车内空腔模型
图6-4 体声源分布示意图
图6-5车内声压分布图
图6-6 某切面声压分布
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。
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