J5-05 声学 CAE：气动噪声与结构声辐射仿真

课程代码 J5-05 · 板块 J 仿真分析 CAE / J5 结构、热应力与疲劳 FEA 时长 约 3.5 小时（4 讲 + 1 次仿真结果解读实操） 适合对象 仿真 / NVH 工程师；负责热管理部件声学性能预测与优化（专家选修） 前置 J2-01 CFD 基础、湍流模型与网格划分；J5-03 振动、模态与随机振动疲劳 本讲义定位 讲师授课蓝本 / 学员自学讲义，是 J5-05 大纲的完整展开版

引言：在样件还没造出来之前，先把"吵"找出来

L6 那门课讲的是怎么测噪声——半消声室、传声器阵列、主观评价打分。但测试有一个无法回避的前提：得先有样件。等风扇模具开了、压缩机装到车上了，你才知道它吵不吵，这时候能改的东西已经很少了，改起来的代价也已经很大了。

这门课要解决的是前置一步的问题：在样件都还没造出来之前，先用仿真把风扇、压缩机、鼓风机可能吵的地方挑出来。挑出来之后，叶型可以改、蜗壳可以改、支架和隔振可以改——都还在图纸阶段，成本几乎为零。

但声学 CAE 有一个必须一开始就摆明的立场：它不是一台"预测分贝值"的机器。声学仿真的绝对精度比结构强度仿真差得多，原因第 4 讲说透。它真正可靠的用法是相对比较——A 方案和 B 方案哪个更安静、哪个频段更危险、改了叶片数之后趋势往哪走。把它当排序工具，它非常有用；当验收工具，它会骗你。这门课每一讲都在为这个立场做注脚。

第 1 讲　两类噪声源，两套仿真逻辑

热管理系统里的噪声，看起来都是"嗡嗡响"，但从仿真的角度看，它们分属两个完全不同的物理世界，用的是两套不搭界的方法、两套不同的软件、两套不同的网格。开课第一件事，就是把这条分界线画清楚——分错类，后面所有工作都做在错误的方向上。

1.1 气动噪声：声音本身就是流体产生的

风扇、鼓风机这类部件，噪声的来源是流体本身的湍流脉动。叶片切过气流、气流在蜗壳里分离、尾迹打到导流件上——这些过程会在流场里制造压力脉动，压力脉动传播出去就是声波。注意这里的关键：没有任何固体在"振动发声"，声音是流体自己生出来的。

所以气动噪声的仿真方法，主战场在 CFD 里。主流路线是CFD 气动声学：先把流场算出来（包括它的脉动特征），再用声类比或宽频噪声模型把流场信息换算成声。仿真对象是空气、是流道、是叶轮，网格是流体网格，求解的是 N-S 方程。结构件在这里只是边界条件。

1.2 结构声辐射：振动先传出去，再由面板发声

压缩机、水泵这类部件不一样。它们的噪声源是机械振动——活塞/涡旋的往复与交变力、电机的电磁激励、轴承与齿的啮合。这些振动本身在空气中直接辐射的能量并不是主要问题，真正让乘员听到的路径是：振动经支架、管路、结构件传到车身，车身面板像鼓面一样振起来，把能量辐射进车内空腔。

所以它的仿真方法是振动-声辐射耦合：先用结构 FEA 算出结构表面的振动响应（速度分布），再把这个振动表面作为声源，用声学边界元法（BEM）或声学有限元法（FEM） 算它向空腔辐射多少声。仿真对象是固体+空腔，网格是结构网格与声学网格，求解的是结构动力学方程与声波方程的耦合。

两类噪声源、两套仿真逻辑——这是本课最基础也最容易被含糊过去的一条。实践中判断的窍门是问一句："如果把这个零件焊死不让它动，噪声还在吗？"还在，就是气动噪声；没了，就是结构声辐射。

1.3 承接 J5-03/J5-04：振动算完了，还差最后一步

学过 J5-03 振动、模态与随机振动疲劳 的同学这时候会有一个直觉：结构振动我不是已经会算了吗？模态、频响、随机振动疲劳都做过。是的，结构振动仿真你已经会了，本讲补的是"振动之后怎么变成噪声辐射出去"这一步。

这一步为什么必须单独补？因为结构 FEA 的输出是位移、速度、应力——这些量是给强度和疲劳用的判据。而声辐射关心的是表面法向速度的分布形态与频率成分，以及这个振动面把能量推进空气里的效率。同样的振动幅值，不同的振型分布，辐射出去的声可以差很多。J5-03 交给你的是"结构怎么动"，本讲要接着回答"这么动会有多吵"。

1.4 承接 J2-01：流场算完了，也还差最后一步

对气动噪声也是同一个逻辑。J2-01 CFD 基础、湍流模型与网格划分（Fluent/STAR-CCM+） 已经教过 CFD 基础、湍流模型和网格划分，你能算出流场的速度场、压力场、分离区。本讲补的是"流场之后怎么算出气动噪声"这一步。

这一步同样不是自动送的。常规的 RANS 稳态流场求解，出发点是求时均量，压力脉动的信息在建模过程中被抹掉了大半——所以不能直接从稳态压力场里"读出"噪声。要得到噪声，要么用湍流模型里蕴含的湍动能等统计量去估算宽频噪声（宽频噪声模型），要么用能解析出脉动的非稳态方法（URANS/LES）拿到真实的时间历程再做声类比。这两条路的分野，就是第 2 讲的主题。

本讲小结：气动噪声源于流体湍流脉动，仿真主路径是 CFD 气动声学；结构声辐射源于机械振动，仿真主路径是结构 FEA + 声学 BEM/FEM 耦合。J5-03 给了你结构振动、J2-01 给了你流场，本课补的正是各自往"声"跨的最后一步。