Predicting the sound field from aeroacoustic sources on moving vehicles: Towards an improved urban environment

Abstract

In a society where environmental noise is becoming a major health and economical concern, sound emissions are an increasingly critical design factor for vehicle manufacturers. With about a quarter of the European population living close to roads with heavy traffic, traffic noise in urban landscapes has to be addressed first. The current introduction of electric vehicles on the market and the need for sound systems to alert their presence is causing a shift in mentalities requiring engineering methods that will have to treat noise management problems from a broader perspective. That in which noise emissions need not only be considered as a by-product of the design but as an integrated part of it. Developing more sustainable ground transportation will require a better understanding of the sound field emitted in various realistic operating conditions, beyond the current requirements set by the standard pass-by test, which is performed in a free-field. A key aspect to improve this understanding is the development of efficient numerical tools to predict the generation and propagation of sound from moving vehicles. In the present thesis, a methodology is proposed aimed at evaluating the pass-by sound field generated by vehicle acoustic sources in a simplified urban environment, with a focus on flow sound sources. Although it can be argued that the aerodynamic noise is still a minor component of the total emitted noise in urban driving conditions, this share will certainly increase in the near future with the introduction of quiet electric engines and more noise-efficient tyres on the market. This work presents a complete modelling of the problem from sound generation to sound propagation and pass-by analysis in three steps. Firstly, computation of the flow around the geometry of interest; secondly, extraction of the sound sources generated by the flow, and thirdly, propagation of the sound generated by the moving sources to observers including reflections and scattering by nearby surfaces. In the first step, the flow is solved using compressible detached-eddy simulations. The identification of the sound sources in the second step is performed using direct numerical beamforming with linear programming deconvolution, with the phased array pressure data being extracted from the flow simulations. The outcome of this step is a set of uncorrelated monopole sources. Step three uses this set as input to a propagation method based on a point-to-point moving source Green's function and a modified Kirchhoff integral under the Kirchhoff approximation to compute reflections on built surfaces. The methodology is demonstrated on the example of the aeroacoustic noise generated by a NACA air inlet moving in a simplified urban setting. Using this methodology gives insights on the sound generating mechanisms, on the source characteristics and on the sound field generated by the sources when moving in a simplified urban environment. I ett samhälle där buller håller på att bli ett stort hälsoproblem och en ekonomisk belastning, är ljudutsläpp en allt viktigare aspekt för fordonstillverkare. Då ungefär en fjärdedel av den europeiska befolkningen bor nära vägar med tung trafik, är åtgärder för minskat trafikbuller i stadsmiljö en hög prioritet. Introduktionen av elfordon på marknaden och behovet av ljudsystem för att varna omgivningen kräver också ett nytt synsätt och tekniska angreppssätt som behandlar bullerproblemen ur ett bredare perspektiv. Buller bör inte längre betraktas som en biprodukt av konstruktionen, utan som en integrerad del av den. Att utveckla mer hållbara marktransporter kommer att kräva en bättre förståelse av det utstrålade ljudfältet vid olika realistiska driftsförhållanden, utöver de nuvarande standardiserade kraven för förbifartstest som utförs i ett fritt fält. En viktig aspekt för att förbättra denna förståelse är utvecklingen av effektiva numeriska verktyg för att beräkna ljudalstring och ljudutbredning från fordon i rörelse. I denna avhandling föreslås en metodik som syftar till att utvärdera förbifartsljud som alstras av fordons akustiska källor i en förenklad stadsmiljö, här med fokus på strömningsgenererat ljud. Även om det aerodynamiska bullret är fortfarande en liten del av de totala bullret från vägfordon i urbana miljöer, kommer denna andel säkerligen att öka inom en snar framtid med införandet av tysta elektriska motorer och de bullerreducerande däck som introduceras på marknaden. I detta arbete presenteras en komplett modellering av problemet från ljudalstring till ljudutbredning och förbifartsanalys i tre steg. Utgångspunkten är beräkningar av strömningen kring geometrin av intresse; det andra steget är identifiering av ljudkällorna som genereras av strömningen, och det tredje steget rör ljudutbredning från rörliga källor till observatörer, inklusive effekten av reflektioner och spridning från närliggande ytor. I det första steget löses flödet genom detached-eddy simulation (DES) för kompressibel strömning. Identifiering av ljudkällor i det andra steget görs med direkt numerisk lobformning med avfaltning med hjälp av linjärprogrammering, där källdata extraheras från flödessimuleringarna. Resultatet av detta steg är en uppsättning av okorrelerade akustiska monopolkällor. Steg tre utnyttjar dessa källor som indata till en ljudutbredningsmodel baserad på beräkningar punkt-till-punkt med Greensfunktioner för rörliga källor, och med en modifierad Kirchhoff-integral under Kirchhoffapproximationen för att beräkna reflektioner mot byggda ytor. Metodiken demonstreras med exemplet med det aeroakustiska ljud som genereras av ett NACA-luftintag som rör sig i en förenklad urban miljö. Med hjälp av denna metod kan man få insikter om ljudalstringsmekanismer, om källegenskaper och om ljudfältet som genereras av källor när de rör sig i en förenklad stadsmiljö.

QC 20170425

Original document

The different versions of the original document can be found in:

• http://dx.doi.org/10.13140/rg.2.2.15345.07524

• http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-205791