An investigation into low-frequency aero-vibro-acoustic mechanisms in vehicles

Abstract

The ubiquitous presence of noise in modern societies causes a significant amount of psychological strain and stress in individuals, and since this is especially true for transportation vehicles, engineers in the automotive industry are strongly interested in identifying the sources of noise and the critical transmissionmechanisms. The issue is further exacerbated by the continuous exploitation of lightweight construction potentials. Since body modifications in the late development phase are associated with high effort and costs, early optimisation on the grounds of virtual models is crucial. Due to the transition to emobility,the engine is no longer a source of noise and wind noise excitation can now become crucial even at lowdriving speeds. The thesis at hand aims to delevop a foundation for the early assessment of wind-inducednoise in vehicles by identifying and quantifying the essential physical mechanisms of the complex aero-vibro-acoustic problem. A detailed theoretical introduction explains the basic principles and methods for dealing with the various physical mechanisms by collecting relevant research and literature from a wide range of disciplines. Then a hybrid method is developed, with which experimental or computationalacoustic or mechanical modes on arbitrary grids can be used as a basis for further calculations. A generictest body with clearly defined transmission paths is constructed to validate the developed method. The fluctuating surface pressure distribution on the structure is calculated by numerical simulation and the results are compared with wind tunnel measurements. Then, based on the hybrid method, a computational algorithm is developed that allows to calculate flow-induced interior noise on behalf of computational or experimental mechanical and acoustical modes and a transient simulation of the vehicle flow, and the method is extensively validated using wind tunnel measurements.

Die ständige Präsenz von Lärm in modernen Gesellschaften führt zu einem signifikanten Ausmaß von individueller psychischer Belastung und Stress und da dies in besonderem Maße für Fahrzeuge gilt, haben Ingenieure in der Automobilindustrie großes Interesse an der Identifikation der Lärmquellen und der kritischen Übertragungsmechanismen. Die Problematik wird zusätzlich durch die stetige Ausnutzung von Leichtbaupotentialen verschärft und da in der späten Entwicklungsphase Karosserieänderungen mit hohem Aufwand und Kosten verbunden sind, ist eine frühzeitige Optimierung auf Basis mathematischer Modelle erforderlich. Durch den Wandel zur E-Mobilität entfällt der Motor als Geräuschquelle und die Anregung durch Windgeräusche kann nun auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten kritisch sein. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die wesentlichen physikalischen Mechanismen der komplexen aero-vibro-akustischen Problemstellung zu identifizieren, zu quantifizieren und somit eine Grundlage für diefrühzeitige Bewertung von windangeregtem Lärm in Fahrzeugen zu generieren. Hierzu werden in einer ausführlichen theoretischen Einleitung die Grundlagen und Methoden für die Behandlung der unterschiedlichen physikalischen Mechanismen erläutert und ein Bezug zu bestehender Forschung und Literaturaus den unterschiedlichsten Fachgebieten hergestellt. Danach wird eine hybride Methode für die Behandlung des vibro-akustischen Systems entwickelt, mit der experimentell oder computergestützt ermittelte akustische bzw. mechanische Moden auf beliebigen Gittern als Basis für die weitere Berechnung verwendet werden können. Anschließend wird ein generischer Testkörper entwickelt, der es erlaubt anhand klardefinierter Übertragungspfade die Gültigkeit der entwickelten Methode züuberprüfen. Zur Berechnung der instationären Oberflächendrücke an der Struktur wird eine numerische Berechnung durchgeführt unddie Ergebnisse dieser Berechnung werden mit Windkanalmessungen verglichen. Dann wird auf Basis der hybriden Methode ein, durch Windkanalmessungen validiertes, Simulationsprogramm entwickelt, das eserlaubt, den windinduzierten Lärm innerhalb des Fahrzeug sowohl auf Basis computergestützter Modelle als auch auch experimenteller Messungen zu ermitteln.