沈 哲，王毅剛，楊志剛，李方旭

(1.同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804； 2.同濟大學(xué)，上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804)

整車風(fēng)洞射流對聲傳播路徑影響的試驗研究*

沈 哲，王毅剛，楊志剛，李方旭

(1.同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804； 2.同濟大學(xué)，上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804)

對整車風(fēng)洞射流結(jié)構(gòu)對聲傳播路徑的影響進行了試驗研究。設(shè)計了翼型音箱，用傳聲器陣列進行聲源定位，測量了全尺寸3/4開口式風(fēng)洞中多種參數(shù)條件下的聲漂移量。結(jié)果表明，射流速度和聲源位置的影響較大，而聲源的種類與高度和測量點位置的影響可以忽略。用試驗數(shù)據(jù)擬合出了整車聲學(xué)風(fēng)洞中聲漂移量的預(yù)測公式并驗證了其精度和適用范圍。

風(fēng)洞；射流；聲漂移;傳聲器陣列

前言

射流是流體由于壓力差等原因，從噴口射出，與噴口外相對靜止的流體急劇混合的流動。射流結(jié)構(gòu)包括：在噴口下游一定區(qū)域形成與噴口內(nèi)速度基本相等的勢流核心區(qū)；不受射流影響的靜止流體區(qū)；在核心區(qū)與靜止區(qū)之間有速度梯度的剪切層區(qū)。

開口式整車聲學(xué)風(fēng)洞中氣流從噴口進入測試段的過程是典型的射流。射流結(jié)構(gòu)的存在使得聲從流場內(nèi)向流場外傳播的過程變得復(fù)雜，聲傳播路徑發(fā)生改變。近年來傳聲器陣列聲源識別系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展很快，在整車氣動聲學(xué)風(fēng)洞試驗中也逐漸普及，成為風(fēng)洞中對整車外氣動噪聲測試的重要技術(shù)手段。傳聲器陣列測量必須在流場外靜止區(qū)進行，由于射流結(jié)構(gòu)的存在，流場外測量無法對聲源準確定位，是準確了解噪聲源進而進一步優(yōu)化的重要技術(shù)障礙。

國外很早就開始對射流中的聲傳播問題進行研究，其中比較有影響的是利用幾何聲學(xué)原理，研究流體對聲的折射影響[1-5]。而這類研究主要針對航空氣動聲學(xué)中出現(xiàn)的問題，試驗也是在對航空問題進行研究的小尺寸(噴口面積1～2m2)全開口式聲學(xué)風(fēng)洞中進行的[4-6]。國際上主流的整車氣動聲學(xué)風(fēng)洞，如同濟大學(xué)、斯圖加特大學(xué)、奧迪公司等氣動聲學(xué)風(fēng)洞的噴口面積均在10m2以上，且為帶有地面的3/4開口式，與航空風(fēng)洞差別較大，因此有必要對汽車風(fēng)洞的聲傳播問題進行研究和驗證。

本文中主要通過試驗的方法對整車聲學(xué)風(fēng)洞中的聲漂移量進行研究。設(shè)計對射流流動影響極小的翼型音箱，控制流場內(nèi)產(chǎn)生的聲源，用相位傳聲器陣列進行聲源定位，獲得聲源由于射流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲漂移量。試驗結(jié)果表明，聲漂移主要受射流速度和聲源在風(fēng)洞平面內(nèi)的幾何位置影響，并給出應(yīng)用于開口式大尺寸低速風(fēng)洞中預(yù)測聲漂移的公式。

1 風(fēng)洞中的聲漂移

本文中研究聲傳播路徑變化是通過如圖1所示聲源識別設(shè)備測量得到的聲源位置與實際聲源位置即喇叭所在的位置的坐標差，得到聲源位置由于射流結(jié)構(gòu)存在而產(chǎn)生的變化量，即聲漂移量d。

圖1 由于射流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲漂移現(xiàn)象

1.1 射流中的聲傳播

參照傳統(tǒng)的幾何聲學(xué)[4-5]，將聲傳播的方向用波陣面的法線表示，剪切層簡化為無限薄后，風(fēng)洞射流內(nèi)的聲波向流場外傳播的過程如圖2所示。

圖2 射流中聲傳播的基本模型

圖中：S表示實際聲源，S0表示測量點處觀測到的假定聲源，S至S0的距離即為聲漂移量d；Ar表示測量點；V表示經(jīng)過聲源S并與噴口平面垂直的一條直線，在此模型中認為剪切層L與V平行；xs表示聲源到噴口的距離，ys表示聲源到剪切層的距離；R′表示聲在靜止空氣中傳播經(jīng)過的路徑，θ′表示R′與V的夾角；R表示聲實際傳播經(jīng)過的路徑，在流場內(nèi)，由于射流的存在，聲的傳播方向會向射流的流動方向偏轉(zhuǎn)一定的角度，θ表示R在流場內(nèi)與V的夾角；聲經(jīng)過剪切層時，由于剪切層的作用會產(chǎn)生折射，θ0表示R在流場外與V的夾角；Rm表示實際聲源S與測量點Ar的連線，θm表示Rm和V的夾角。

1.2 幾何聲學(xué)求解聲漂移

傳統(tǒng)的幾何聲學(xué)的理論對射流中聲傳播的求解如下[4]。

勢流核心區(qū)中由于波對流產(chǎn)生的從θ′到θ的偏轉(zhuǎn)關(guān)系為

(1)

式中M為射流的馬赫數(shù)。

聲通過剪切層時折射產(chǎn)生的θ0和θ′的Snell聲折射定理關(guān)系為

(2)

式中c0和ct分別為剪切層內(nèi)外的聲速，在本場合，c0/ct=1。

其他幾何關(guān)系有

Rmcosθm=yscotθ+(Rmsinθm-ys)cotθ0

(3)

dsinθ0=Rmsin(θm-θ0)

(4)

聯(lián)立式(1)～式(4)即可求解漂移量d，其中M，Rm，θm，ys和θ′為已知的輸入條件。

以上幾何聲學(xué)的理論雖然在一定程度上解決了射流中聲傳播路徑的問題，但由于這部分的研究進行得較早，并且都是在小尺寸航空聲學(xué)中進行試驗驗證，因而在整車聲學(xué)風(fēng)洞中應(yīng)用有較多的局限性：

(1) 之前研究的馬赫數(shù)較高，一般在0.2～0.7，而整車試驗風(fēng)速一般不超過300km/h，即馬赫數(shù)小于0.3；

(2) 3/4開口結(jié)構(gòu)的整車風(fēng)洞的地面對聲傳播路徑是否影響未進行研究；

(3) 早期的主要研究都沒有考慮剪切層的厚度隨著射流軸向距離xs的變化對聲傳播路徑影響的差異，而類似本研究中的整車風(fēng)洞尺寸較大，在常規(guī)的測試位置即距噴口5m左右，剪切層厚度已超過0.4m，大于1 000Hz聲的波長，剪切層厚度的影響必須考慮；

(4) 最重要的一點是，上述式(1)～式(4)方程組在θm=θ′=90°時是無解的，并且在θm和θ′接近90°時解的誤差也很大，而整車聲學(xué)試驗中，傳聲器陣列一般都是正對測量目標，即θm≈90°，此情況下用幾何聲學(xué)求解出來的聲漂移量與實際測量值相差很大。

綜上所述，幾何聲學(xué)在整車聲學(xué)風(fēng)洞中預(yù)測傳聲器陣列測量得到的聲漂移量的局限性較大，其方法還有待進一步發(fā)展。而聲漂移的確定是風(fēng)洞試驗迫切需要解決的問題，因此本文中采用試驗的方法研究聲漂移量與各個參數(shù)的關(guān)系。

2 試驗研究

2.1 聲源設(shè)計

為了試驗研究風(fēng)洞中的聲傳播，需要在風(fēng)洞勢流核心區(qū)安置一個聲源，該聲源需滿足如下條件：(1)聲源表面流動的速度梯度要盡量小；(2)放入流場后對流場影響比較??；(3)為簡化之后的研究，流動在一定的高度范圍內(nèi)呈二維相似；(4)自身低氣動噪聲；(5)產(chǎn)生的聲信號可控；(6)在高度方向可調(diào)整。

為滿足上述條件，采用了喇叭外加導(dǎo)流罩的翼型音箱，外接功放和信號源組成試驗所需的聲源。

此聲源的設(shè)計難點在于翼型音箱的導(dǎo)流罩外形設(shè)計，在設(shè)計導(dǎo)流罩的過程中，以數(shù)值仿真為主要手段，圍繞上述(1)～(4)點的要求，反復(fù)設(shè)計優(yōu)化導(dǎo)流罩的外形，最終確定如圖3所示的導(dǎo)流罩外形。

圖3 導(dǎo)流罩表面附近流線分布

該導(dǎo)流罩采用NACA0008對稱翼型為基礎(chǔ)，通過沿高度方向z拉伸、修角、倒圓、截尾等方法形成，翼型音箱部分長1 000mm，寬96mm，高1 000mm，喇叭安裝在前后方向x離頭部280mm，高度z為對稱中心處；翼型柱支撐件為分段式，可調(diào)聲源的高度。

圖中的線條為距表面10mm截面流線數(shù)值仿真結(jié)果，為了更清晰地顯示，僅畫出喇叭(高度中心位置)及以下部分的流線，可以看到導(dǎo)流罩尤其是喇叭口附近流線非常平順。從以上數(shù)值仿真結(jié)果看，此導(dǎo)流罩能滿足聲源設(shè)計要求。

2.2 風(fēng)洞試驗平臺、測試設(shè)備

試驗在同濟大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心整車氣動聲學(xué)風(fēng)洞中完成。該風(fēng)洞是3/4開口回流風(fēng)洞；噴口尺寸(寬×高)為6.5m×4.25m；駐室尺寸為22m×17m×12m。試驗最大風(fēng)速可達250km/h，試驗段自由場空間的低頻截止頻率為50Hz，在160km/h風(fēng)速下背景噪聲低于61dB(A)，靜壓梯度小于0.001/m。

試驗所用聲源為HEAD Acoustics Artemis軟件生成的各種標準聲信號，通過電腦回放，經(jīng)B&K 2716功放后在翼型音箱發(fā)出的聲信號。

試驗中采用的測量設(shè)備為德國Gfai公司的相位傳聲器陣列聲源識別系統(tǒng)，如圖4所示，其具體參數(shù)如下：陣列，適合于整車氣動聲學(xué)風(fēng)洞流場外進行聲源識別的平面螺旋形陣列，尺寸為1.8m×1.8m；傳感器，GRAS公司1/4英寸陣列專用壓力型傳聲器，120套；數(shù)采系統(tǒng)，120通道高精度數(shù)采，單通道采樣率192kHz；軟件系統(tǒng)，基于波束成型算法的聲源識別軟件NoiseImage。

圖4 相位傳聲器陣列聲源識別系統(tǒng)

2.3 試驗內(nèi)容和試驗方法

試驗中主要研究的內(nèi)容為射流結(jié)構(gòu)特性、聲源信號的種類和所處的位置對整個聲傳播過程的影響。為此，在試驗中改變噴口射流速度和聲源信號的頻率成分、強度、位置與測量點的位置，獲得相應(yīng)結(jié)果。

圖5為試驗中聲源和陣列的幾何位置示意圖，聲源3個位置分別為A(3.9，2.7)，B(3.9，4)和C(5.5，2.7)，括號內(nèi)坐標為到噴口下角的距離，即(xs，ys)。陣列位置有中心正對聲源和向y+方向移動1m兩種。陣列始終與噴口軸線保持平行。

圖5 聲源和傳聲器陣列在風(fēng)洞中的位置

本文中除有指明外，測試條件均為聲源位于A點，高度1.1m，陣列正對聲源。

3 試驗結(jié)果和分析

3.1 不同聲信號的影響

試驗時測量了多種聲信號，包括了按1/3倍頻程給出200～5 000Hz的純音信號、以1kHz為中心頻率的寬頻噪聲以及頻率范圍為10Hz～20kHz的白噪聲信號。

處理測試結(jié)果時發(fā)現(xiàn)，測量頻率越高，聲漂移量的穩(wěn)定性越好。對于低于800Hz聲信號源的位置識別結(jié)果精度較差，計算出來的聲源覆蓋范圍大、中心位置與實際偏差較大。分析原因有如下兩點：(1)由于低頻聲的波長較大，所以對低頻信號的識別精度較差；(2)在氣流中翼型音箱后部由渦脫落產(chǎn)生的氣動噪聲的頻率也在低頻，這部分氣動聲與喇叭、箱體產(chǎn)生的聲位置很接近，混合在一起產(chǎn)生了更大的區(qū)域聲源。因此之后都只給出800Hz以上頻率的結(jié)果。

圖6 18和30m/s兩種風(fēng)速下不同頻率單頻聲信號的漂移量

圖6為18和30m/s兩種風(fēng)速下，按1/3倍頻程給出800～5 000Hz不同頻率單頻聲信號的漂移量，包含白噪聲的漂移量作為參考。結(jié)果顯示，不同頻率信號漂移量雖然有一定的上下波動，且低頻部分的波動范圍大一些，但始終圍繞在平均值附近，可以認為波動主要是測量誤差，不同頻率信號對聲漂移量沒有直接的影響。

圖7為18和30m/s兩種風(fēng)速下，以1kHz為中心頻率，逐漸加寬頻率帶的范圍的聲信號(1 000Hz純音、900～1 111Hz，800～1 250Hz和700～1 428Hz)的漂移量，包含白噪聲和粉紅噪聲的漂移量作為參考。結(jié)果顯示，不同帶寬信號漂移量雖然有一定的上下波動，但始終圍繞在平均值附近，可以認為波動主要是測量誤差，不同帶寬信號對聲漂移量沒有直接的影響。

圖7 18和30m/s兩種風(fēng)速下不同頻率寬度聲信號的漂移量

綜上所述，漂移量與聲頻率高低和頻帶的寬度沒有直接的關(guān)系，這與之前的研究結(jié)果相符[5]。

3.2 聲源高度的影響

圖8 1.1和1.4m兩種高度下15和30m/s兩種風(fēng)速聲漂移量

整車風(fēng)洞的地面是與全開口航空風(fēng)洞較為不同的地方，本文中通過改變聲源高度研究地面是否對聲漂移量有影響，圖8為兩種不同聲源高度在兩種風(fēng)速下4種聲信號的漂移量，從結(jié)果看兩種聲源高度的漂移量始終非常接近，聲源高度對聲漂移量沒有明顯的影響，進而得到在離地面一定高度以上，聲漂移量不受地面的影響。

3.3 射流速度的影響

射流速度對聲漂移量的影響最直接，圖9和圖10分別給出不同射流速度下1kHz純音、白噪聲兩種聲信號聲漂移量。

圖9 1kHz純音聲漂移量隨射流速度的變化

圖10 白噪聲漂移量隨射流速度的變化

由圖9和圖10可見：聲漂移量d與射流速度U線性擬合的R2值都大于0.99，說明兩者呈線性關(guān)系；且兩種聲信號斜率基本相同，余項值也非常小，進一步驗證了第3.1節(jié)中聲信號種類對漂移量沒有直接影響的結(jié)論。

3.4 幾何位置的影響

(1) 測量點位置

圖11為正對聲源和偏置兩種陣列位置測量的兩種風(fēng)速下4種聲信號的漂移量。結(jié)果顯示，兩種陣列位置的結(jié)果始終非常接近，可以認為這兩種測量點的位置對聲漂移量基本沒有影響。從原理上，聲陣列測量的是一個范圍內(nèi)接受的聲信號，只要聲傳播方向還在陣列的測量范圍內(nèi)，漂移量就不會變化。

圖11 兩種風(fēng)速下陣列不同位置對漂移量的影響

(2) 射流中傳播距離

從第1.2節(jié)可知，由于波對流效應(yīng)，聲在勢流核心區(qū)經(jīng)過的距離越長，聲波陣面偏轉(zhuǎn)的距離就越大。圖12為聲源在射流中不同傳播距離ys的兩個聲源位置A和B在兩種風(fēng)速下兩種聲信號的漂移量。

圖12 射流中傳播距離ys對漂移量的影響

結(jié)果顯示隨著ys的增大，聲漂移量d也明顯增大。經(jīng)計算，ys與d基本成正比。

(3) 軸向位置

圖13 軸向位置xs對漂移量的影響

射流中剪切層的厚度與軸向位置xs接近成正比[7]，剪切層厚度影響聲折射的角度，繼而對漂移量產(chǎn)生影響。圖13為聲源在射流中不同傳播距離xs的兩個聲源位置A和C在兩種風(fēng)速下兩種聲信號的漂移量。

結(jié)果顯示，隨著xs的增大，聲漂移量d也明顯增加，兩者呈線性關(guān)系，但不成正比。

4 聲漂移預(yù)測公式

第3節(jié)的結(jié)果顯示，U，ys和xs對漂移量d都有影響，本節(jié)根據(jù)A，B和C3個測試位置的結(jié)果，擬合出d與U，ys和xs之間的關(guān)系。

表1 漂移量與速度位置關(guān)系

綜上建立如下關(guān)系式：

d′=U×ys×(α+βxs)

(5)

表2 擬合誤差

根據(jù)情況保留3位有效數(shù)字，最終的聲漂移量預(yù)測公式為

d′=U×ys×(0.00146+0.000391xs)

(6)

用第3.3節(jié)中數(shù)據(jù)對式(6)進行驗證，結(jié)果如表3所示。

表3 預(yù)測公式對更多風(fēng)速的擬合誤差

對所有風(fēng)速的聲漂移量預(yù)測，其誤差率均小于10%，考慮到聲漂移量試驗也有一定的誤差，證明此預(yù)測公式有較好的準確性和適應(yīng)性，可用于風(fēng)洞試驗中的聲源漂移量預(yù)測與修正。

5 結(jié)論

本文中首先介紹了幾何聲學(xué)求解射流聲傳播路徑的方法及其在整車風(fēng)洞試驗應(yīng)用的不足之處。然后設(shè)計翼型聲源，用傳聲器陣列進行聲源定位，改變射流速度、聲源信號、聲源位置和測量點等多種參數(shù)，通過試驗研究整車聲學(xué)風(fēng)洞中的聲漂移現(xiàn)象。結(jié)果顯示，在大尺寸3/4開口式噴口、低馬赫數(shù)情況下：(1)聲信號的頻率與帶寬、聲源的高度位置和測量陣列的位置對聲漂移量沒有直接的影響；(2)聲漂移量與射流的速度成正比；(3)聲漂移量與聲源在射流中徑向距離基本成正比；(4)受剪切層厚度的影響，聲漂移量隨著軸向距離一起增大。最后，擬合出整車風(fēng)洞中聲漂移量的預(yù)測公式d′=U×ys×(0.00085+0.0005xs)，并驗證了其精度和適用范圍。

[1] BALSA T F. Refraction and shielding of sound from a source in a jet[J]. Journal of Fluid Mechanics,1976,76(76):443-456.

[2] AMIET R K. Refraction of sound by a shear layer[J]. Journal of Sound & Vibration,1976,1(4):467-482.

[3] AMIET R K. Correction of open jet wind tunnel measurements for shear layer refraction[C]. AIAA Conference on the Exploration of the Outer Planets,1975,75-532.

[4] MUELLER T J. (ED). Aero-acoustic measurement[M]. Germany: Springer,2002:34-41.

[5] SCHLINKER R H, AMIET R K. Refraction and scattering of sound by a shear layer[J]. Journal of the Acoustical Society of America,1981,70(6):1797-1799.

[6] SANFORD J. Acoustic refraction: a three dimensional shear layer correction for microphone measurements in an open-jet acoustic wind tunnel[J]. Journal of Undergraduate Research,2008,10(1):1-12.

[7] 賈青,楊志剛,李啟良.汽車風(fēng)洞試驗段流場的試驗研究[J].實驗流體力學(xué),2011,12(6):33-37.

An Experimental Study on the Effects of Jet Flow in Wind Tunnel forFull-scale Vehicle on Sound Propagation Path

Shen Zhe, Wang Yigang, Yang Zhigang & Li Fangxu

1.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804;2.TongjiUniversity,ShanghaiAutomotiveWindTunnelCenter,Shanghai201804

An experimental study on the effects of the jet structure of the wind tunnel for full-scale vehicle on sound propagation path is conducted. Airfoil speaker is designed with a microphone array used to locate sound source, and the sound drift in full scale 3/4 open-jet wind tunnel under various parameter conditions are measured. Test results show that jet flow velocity and sound source location are more influential, while the effects of the type and height of sound source and measuring point location are ignorable. A prediction equation of sound drift in the wind tunnel for full-scale vehicle is fitted out based on test data, with its accuracy and application scope verified.

wind tunnel；jet flow；sound drift; microphone array

*國家自然科學(xué)基金(51375342)資助。

2016227

原稿收到日期為2015年10月30日，修改稿收到日期為2015年12月24日。