風洞射流和汽車繞流對聲傳播的影響

王毅剛，李方旭，沈哲，楊志剛

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風洞射流和汽車繞流對聲傳播的影響

王毅剛，李方旭，沈哲，楊志剛

(同濟大學上海地面交通工具風洞中心，上海201804)

汽車風洞氣動噪聲測試中，由于射流和汽車繞流場的存在，流場外測量不能獲取汽車聲源的準確信息。研究以兩種流場對聲傳播方向(聲源漂移量)的影響開展。通過在風洞射流核心區(qū)安放特定聲源和實車的試驗，分別得到了射流和汽車繞流場對聲傳播的影響。研究表明兩種流場對聲傳播都會產(chǎn)生較大影響，試驗分析應(yīng)加以考慮；研究分別對風洞射流和汽車繞流進行了氣動數(shù)值仿真，據(jù)此擬合出剪切層和汽車繞流場速度分布線性化模型，并結(jié)合幾何聲學方法，建立了連續(xù)多層均勻運動介質(zhì)聲傳播模型，得到了預(yù)測射流和汽車繞流產(chǎn)生聲漂移量的方法。研究表明該方法可以有效預(yù)測風洞聲學實驗中介質(zhì)運動對聲傳播方向的影響，并可用于風洞聲學試驗中流動對傳播方向影響的修正。

汽車聲學風洞；幾何聲學；聲傳播；聲源漂移量

0 引言

汽車聲學風洞是汽車氣動噪聲研究的基礎(chǔ)測試設(shè)施。聲學風洞射流結(jié)構(gòu)中汽車的氣動噪聲源及其聲傳播特性是風洞聲學實驗測量的重點內(nèi)容。在實際試驗測試中，許多聲學測量必須在射流區(qū)域外進行，一方面射流結(jié)構(gòu)的存在使得聲從射流核心區(qū)內(nèi)的聲源出發(fā)向流場外測試區(qū)域傳播的過程中經(jīng)歷了勢流核心區(qū)和剪切層，其傳播的路徑和大小發(fā)生改變；另一方面汽車繞流場的非定常流動區(qū)域也使汽車表面的噪聲源向外傳播聲時其傳播路徑和大小發(fā)生改變。這樣，射流結(jié)構(gòu)外的測試儀器測量到的噪聲信號和實際信號就存在差異，因此，風洞射流結(jié)構(gòu)和汽車繞流場的存在成為準確了解汽車氣動噪聲源的重要技術(shù)障礙，在風洞聲學測量中必須解決。

國外在上世紀50年代開始對射流中的聲傳播問題進行研究，最初的目的是用于了解噴氣式發(fā)動機噪聲向周圍環(huán)境的傳播[1-2]。其中較為成功的是利用幾何聲學原理研究流體對聲的折射影響。莫爾斯[3]探索了在兩種均勻介質(zhì)交界面上出現(xiàn)的聲折射、反射和投射現(xiàn)象，奠定了兩種不同介質(zhì)中的聲傳播分析的基本方法。文獻[4-6]指出，Aimet于1975年以兩相對運動流體中平面聲波傳播的分析方法為基礎(chǔ)，利用幾何聲學原理，研究了流體對聲的折射及聲擴散影響，創(chuàng)建了經(jīng)典的Amiet 剪切層修正理論。該理論將剪切層簡化成一個無限薄的渦面，射流和周圍空氣在各自的區(qū)域是各向同性的。而實際剪切層有一定的厚度，且沿順流方向剪切層厚度增加，所以該方法對流場的簡化與真實情況差別較大，僅在噴口附近能較好預(yù)測剪切層對聲傳播的影響，遠離噴口位置誤差較大。近年來國內(nèi)學者也對該理論進行了數(shù)值和實驗方面的驗證[7]。另外，關(guān)于汽車繞流場對聲傳播的影響還沒有相關(guān)文獻描述。

基于上述研究狀況，本文利用上海地面交通工具風洞中心汽車聲學風洞，分別開展了射流結(jié)構(gòu)和汽車繞流結(jié)構(gòu)對聲源傳播方向影響的試驗研究，在此基礎(chǔ)上針對一定厚度紊流結(jié)構(gòu)中的聲傳播，利用數(shù)值計算手段得到流場定常流動特性，進一步利用幾何聲學方法建立聲傳播模型，分析和確定射流剪切層及汽車繞流場對聲傳播方向的影響，為風洞中氣動噪聲源定位測試提供修正方法。

1 射流結(jié)構(gòu)和汽車繞流對聲傳播影響的風洞實驗

1.1 射流結(jié)構(gòu)聲傳播影響實驗

射流結(jié)構(gòu)對聲傳播方向的影響包括了勢流核心區(qū)和剪切層區(qū)。認為勢流核心區(qū)為均勻定常流動，通常試驗件放置于該區(qū)域。為了了解這兩個區(qū)域?qū)β晜鞑サ挠绊?，試驗將如圖1所示的一個特定聲源(外形為翼型設(shè)計，中間黑色圓形即為內(nèi)置揚聲器位置，支撐件也為翼型設(shè)計)，置于風洞核心區(qū)一定的高度位置，其有良好的氣動外形，經(jīng)數(shù)值仿真驗證，在聲源位置附近對流場幾乎無擾動，自身產(chǎn)生的氣動噪聲較低，通過外接功放和信號源組成可控聲源系統(tǒng)。

試驗在同濟大學-上海地面交通工具風洞中心整車氣動聲學風洞中完成。該風洞為3/4開口回流風洞，試驗段背景噪聲在國際同類風洞中較低(在160 km/h風速下低于61 dB(A))。聲源揚聲器中心距離地面1.1 m，該高度對應(yīng)的剪切層位置流動認為無地面效應(yīng)(近似和后續(xù)的聲傳播模型一致)。

圖1 對稱翼型聲源整流罩和安裝效果

實驗中采用的相位傳聲器陣列聲源識別系統(tǒng)具體參數(shù)如下：陣列尺寸為1.8 m×1.8 m，通道數(shù)120；傳感器采用1/4 inch陣列專用壓力型傳聲器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為120通道高精度數(shù)采，單通道最大采樣率為192 kHz；分析系統(tǒng)為基于波束成型技術(shù)的聲源識別軟件NoiseImage。以上硬件設(shè)施是當前聲學風洞中聲源定位的先進方法，聲源的定位誤差穩(wěn)定在cm量級，可以保證實驗的精確度和穩(wěn)定性。試驗段噴口、聲源和測試設(shè)備相對位置如圖2所示。

圖2 聲源和傳聲器陣列相對位置示意圖

由于采用的相位傳聲器陣列是二維陣列，也即在實驗結(jié)果中可以觀測到由于介質(zhì)運動產(chǎn)生的聲源在流向和高度方向的漂移。由于風洞試驗段中的流動以水平方向流動為主，高度方向的速度分量基本可以忽略。實驗結(jié)果中高度方向聲漂移量普遍比橫向漂移量小1~2個數(shù)量級，故在此忽略不計是合理的。

實驗主要研究不同射流速度對聲傳播的影響，保持其它實驗設(shè)置不變，實驗中射流速度設(shè)置為以下工況：無射流(0 m/s)、15~36 m/s區(qū)間內(nèi)，速度每間隔3 m/s設(shè)置一個實驗工況。暫不考慮聲頻率對實驗的影響，故聲源信號采用白噪聲信號。

1.2 汽車繞流場對聲傳播影響實驗

為了得到汽車繞流場對聲傳播的影響，將某款實車置于試驗段內(nèi)，在和上述特定聲源試驗相同射流結(jié)構(gòu)的作用下，在汽車周圍會形成繞汽車的流場。同時，對應(yīng)上述特定聲源實驗中的揚聲器相同位置，在汽車表面安裝揚聲器聲源，它被安裝在流線型的整流罩中，位于汽車左側(cè)前風窗外側(cè)，在汽車的繞流場之中。采用與1.1節(jié)相同的試驗測試儀器、聲源信號、測量狀態(tài)和測量方法，兩者試驗結(jié)果的差異就是汽車繞流場帶來的差異。圖3為汽車在風洞試驗段的位置及揚聲器安裝位置。

圖3 汽車表面聲源安裝示意圖

1.3 實驗結(jié)果

射流結(jié)構(gòu)和汽車繞流結(jié)構(gòu)對聲傳播路徑的影響用漂移量來描述。實驗中用相位傳聲器陣列可以測量到真實的聲信號，但在據(jù)此計算聲源位置時，將流動空氣介質(zhì)當成靜止介質(zhì)處理，由此確定的聲源位置和實際聲源位置有一定的偏移量，在此定義為聲源漂移量。

圖4為兩次試驗得到的測量結(jié)果。從圖4可以看出，射流結(jié)構(gòu)會改變聲傳播方向，隨著射流流速的增加，聲源漂移量呈線性增加關(guān)系。在增加汽車繞流的情況下，聲源漂移量進一步增加，但增加量較小，說明汽車繞流對聲傳播方向的影響較小。由此可見，射流結(jié)構(gòu)和汽車繞流結(jié)構(gòu)對聲源位置的識別有較大影響，在聲學測量時應(yīng)進行修正。

圖4 聲漂移量實驗結(jié)果

2 聲源漂移量分析及預(yù)測

2.1 風洞射流和汽車繞流現(xiàn)象

如上所述，汽車在聲學風洞進行氣動噪聲測試時，汽車放置于試驗段勢流核心區(qū)。來流和汽車相互作用時，汽車表面的突出件、凹槽等部件附近會成為氣動噪聲源，其產(chǎn)生的噪聲向車外空間傳遞時，聲波先經(jīng)過汽車周圍的繞流場，進入射流核心區(qū)，再傳遞到剪切層區(qū)，最后傳到流場外靜止的空氣中，被測量設(shè)備接收。圖5為上述聲傳播過程示意圖。和靜止介質(zhì)中的聲傳播相比，這些空氣介質(zhì)流動會對聲傳播產(chǎn)生影響。

圖5 汽車繞流和射流對聲傳播的影響示意圖

由于核心區(qū)為均勻流動區(qū)，聲傳播可以通過解析法求解。而汽車擾流區(qū)和剪切層區(qū)為非定常流動區(qū)域，難以通過解析法求解，對其流動特性的了解是建立這兩部分聲傳播的前提。所以，下面利用數(shù)值仿真手段對這兩部分的流動進行計算，為建立聲傳播模型奠定基礎(chǔ)。

2.2 射流流動結(jié)構(gòu)和汽車繞流特性

數(shù)值仿真的對象分別是上海地面交通工具風洞中心3/4開口風洞全尺寸模型和與實驗同款的實車全尺寸模型。

2.2.1 風洞射流流動分析

在數(shù)值模擬中，選取與實驗相對應(yīng)的風洞結(jié)構(gòu)和試驗工況。其中幾何建模立足于氣動聲學風洞具體結(jié)構(gòu)和尺寸，其計算區(qū)域由收縮段、實驗段、收集口、擴散段等組成。為了使下游流動不出現(xiàn)回流，人為增加長度為10 m的延伸段。計算區(qū)域使用商業(yè)軟件ICEM進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型見圖6。

圖6 數(shù)值模型示意圖

計算區(qū)域創(chuàng)建能提高數(shù)值精度的六面體網(wǎng)格。整個計算區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)約為1 025萬。采用基于有限體積法的商業(yè)軟件Fluent對非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行數(shù)值求解。在滿足設(shè)定殘差和監(jiān)控物理量為常量后停止迭代，并以風洞射流軸線靜壓系數(shù)與實驗值吻合作為數(shù)值計算準確的依據(jù)[8]。

以風洞射流速度30 m/s(108 km/h)為例對風洞流場進行分析，以風洞實驗段地板高度=0 mm為坐標平面，建立=1100 mm高度的水平面。圖7是距風洞實驗段地面1100 mm高度處水平截面速度云圖，可見射流剪切層隨距離噴口的距離增大而逐漸增厚。

圖7 1 100 mm高度處水平截面速度云圖

根據(jù)已有的對射流結(jié)構(gòu)的流動研究，在射流的主體段，各個斷面的縱向速度分量的分布具有相似性(也稱作自保性)[9]。由圖8可知，在風洞實驗區(qū)(距離噴口9 m以內(nèi))內(nèi)部，射流核心區(qū)的速度與來流速度相等，但隨著距噴口距離增大，剪切層區(qū)域逐漸侵蝕流動核心區(qū)和剪切層外部區(qū)域，使得剪切層區(qū)域逐漸變厚。從圖8中可見，剪切層內(nèi)的氣流速度分布在橫向，基本呈線性遞減分布，故在之后的聲漂移量計算模型中，剪切層內(nèi)的速度分布按照線性函數(shù)進行擬合，取邊界層范圍為速度分布在來流速度5%~95%的區(qū)域。

2.2.2 汽車繞流流動分析

對試驗中實車的繞流場仿真，汽車模型如圖9所示。計算區(qū)域尺寸為10×5×5，、、分別為汽車的長寬高。

數(shù)值仿真以各項計算殘差穩(wěn)定，升阻力系數(shù)均穩(wěn)定且接近風洞實驗數(shù)值作為數(shù)值計算準確的依據(jù)；以來流風速30 m/s(108 km/h)為例，對汽車繞流場進行分析。如圖10所示，在距離地面1 100 mm高度的水平截面中，除了后視鏡后方的氣流所受的擾動較大，汽車兩側(cè)一定范圍內(nèi)的氣流也因為受到汽車的阻塞而流速加快。所以，若車表面(如門窗縫隙、臺階等)存在噪聲源，其產(chǎn)生的噪聲向外傳播時，在這些擾動區(qū)域聲的傳播特性會發(fā)生變化，因此在分析汽車的流場速度對聲傳播的影響時應(yīng)該合理簡化汽車繞流場，使其更加接近真實流動狀況。

(a) 射流核心區(qū)、剪切層及遠場整體速度分布

(b) 剪切層部分速度分布

圖8 距離噴口不同距離1 100 mm高度速度分布

Fig.8 Velocity distributions at different distances from the nozzle at height of 1 100 mm

圖9 全尺寸汽車模型示意圖

圖10 距離地面1 100 mm高度汽車流場云圖

2.3 射流剪切層和汽車繞流的速度擬合

要建立考慮速度場的聲從核心勢流區(qū)到遠場的傳播模型，必須對聲傳播路徑上的速度場進行擬合。實驗中聲陣列和聲源正對放置，即沒有氣流影響時，聲波陣面的法線和來流方向夾角為90°。

2.3.1 射流剪切層的速度擬合

根據(jù)上述氣動數(shù)值計算結(jié)果，剪切層區(qū)域定義為速度分布為來流速度5%~95%的區(qū)域，該區(qū)域剪切層厚度隨距噴口距離線性變化；剪切層在核心區(qū)一側(cè)的速度為射流速度，外側(cè)的速度近似為0。結(jié)合風洞特定聲源聲學實驗中聲源和聲陣列的位置關(guān)系，對30 m/s射流速度下，距離風洞噴口3.9 m、高度1.1 m位置橫向直線上的速度進行擬合，結(jié)果如圖11所示。可見，對剪切層的線性擬合是比較理想的。

圖11 風洞射流剪切層速度擬合示意圖

根據(jù)以上條件，如圖11所示將整個剪切層從內(nèi)邊界到外邊界均分為層，將勢流核心區(qū)(來流速度為)作為第1層，靜止空氣區(qū)為第2層。在剪切層內(nèi)，每一層內(nèi)的速度變化很小，故假設(shè)在每一層內(nèi)速度是均勻的，第層內(nèi)的速度如式(1)所示：

2.3.2 汽車繞流的速度場擬合

取來流速度為30 m/s，汽車繞流場在高為1100mm、與聲源位置相重疊的橫向直線上的速度分布如圖12所示。

由圖12可見，側(cè)窗外側(cè)的氣流速度分布經(jīng)歷了由邊界層速度為零逐漸增長到一定速度之后又下降再次增大的過程，并且與所有的鈍體繞流類似[10-11]，繞流場中的最大速度大于來流速度并隨著位置遠離汽車表面速度逐漸下降。

圖12 車表面聲源向遠場水平直線的速度分布

圖13 汽車表面聲源至遠場聲陣列的速度擬合

2.4 分層速度場聲傳播模型

根據(jù)Snell聲折射定理，聲經(jīng)過兩種不同介質(zhì)的邊界時，沿邊界方向聲傳播的速度是連續(xù)的[3]。沿著邊界方向的聲波速度由介質(zhì)內(nèi)的固有聲速和流體速度在邊界上的分量組成，兩者應(yīng)當是相等的。由此可得

圖14 聲經(jīng)過不同馬赫數(shù)流動介質(zhì)的折射關(guān)系

在低馬赫數(shù)情況下，可以認為流體中的固有聲速與靜止空氣中的聲速相等，即12。將等式兩邊同時除以，用和1替代1和2，得到聲在兩個不同馬赫數(shù)下的傳播角度關(guān)系：

本文中要考慮的流場，其流動速度變化較為復(fù)雜，故考慮將速度場分布劃分成多層勻速流動的集合。圖15展示了多層速度分布情形下聲通過每一個分層邊界的過程。

3 結(jié)果分析比較

3.1 實驗結(jié)果和預(yù)測結(jié)果的對比

通過建立上述的分層模型，求解每一層中聲法線方向和來流速度的夾角，從而求得總的聲漂移量數(shù)據(jù)。

圖16和圖17分別表示特定聲源和汽車表面安裝聲源兩種情況下聲漂移量的實驗結(jié)果和預(yù)測結(jié)果對比。圖18為兩種情況下預(yù)測結(jié)果和實驗結(jié)果的誤差對比。從總體上看，兩種情況在大部分風速下，速度場分層模型對聲漂移量的預(yù)測和實驗結(jié)果相一致，在風速較高為33 m/s時，由于實驗聲源出現(xiàn)小的晃動，致使試驗出現(xiàn)誤差，引起此風速下偏差較大。所以，本預(yù)測方法可以用于實驗中的聲漂移量修正。

圖16 翼型導流罩聲源結(jié)果對比

圖17 汽車表面聲源結(jié)果對比

圖18 新模型對兩種實驗的預(yù)測誤差

3.2 對兩種工況下聲漂移量數(shù)值接近的解釋

設(shè)計特定聲源和汽車表面安放聲源兩種工況下的實驗?zāi)康模菫榱搜芯科嚴@流場對聲傳播的影響，但是所測得不同風速條件下兩者的聲漂移量偏差均較小，結(jié)合本文對聲漂移量的預(yù)測方法對該實驗現(xiàn)象進行以下解釋：

(1) 兩種實驗工況的差別除了聲源至聲陣列的流場分布不同之外，聲源在風洞流場中的位置、實驗測試設(shè)備、測量方法等都是相同的，即影響實驗結(jié)果的唯一因素是汽車繞流場和射流核心區(qū)速度分布的差異。

(2) 根據(jù)幾何聲學理論，流動介質(zhì)的流速越快，聲在介質(zhì)中傳播所偏離路徑的角度就會越大。圖19描述了兩種工況下聲源至聲陣列的速度擬合曲線，雖然特定聲源工況下，核心勢流區(qū)域內(nèi)的最大流速相對較小，但是在整個核心勢流區(qū)內(nèi)部其速度分布維持在來流速度的水平；而汽車繞流雖然在大部分核心勢流區(qū)內(nèi)流速較快，但是汽車表面的邊界層流速由0變化到最大，故兩者對聲漂移量的影響雖然在局部有差異，但是在整個核心勢流區(qū)總體上是接近的，所以，聲漂移大小沒有表現(xiàn)出明顯差異，但汽車繞流場對漂移量的影響更復(fù)雜一些，對漂移量有一定的影響。

圖19 兩種工況下聲源至聲陣列速度擬合曲線對比

4 結(jié)語

本文針對汽車聲學風洞中由于介質(zhì)流動導致聲源的聲傳播方向變化(漂移量)問題開展了研究。首先，通過安裝在風洞射流核心區(qū)的特定聲源試驗和實車的繞流試驗，分別得到了核心區(qū)流動及剪切層對聲傳播的影響，以及汽車繞流場對聲傳播的影響。研究表明，射流結(jié)構(gòu)和汽車繞流場對汽車表面聲源向外界的聲傳播都會產(chǎn)生影響，在風洞聲學試驗和聲源特性識別時應(yīng)考慮其影響，并需要進行修正；

其次，為了分析和預(yù)測上述影響，分別對風洞射流結(jié)構(gòu)和汽車繞流結(jié)構(gòu)進行了氣動數(shù)值仿真，得到了剪切層和汽車繞流場的平均速度分布，擬合出速度分布線性化模型；

最后，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合幾何聲學理論中流速對聲傳播方向的影響機理，將速度場等效成連續(xù)多層均勻運動介質(zhì)，建立了多層速度場分布的聲傳播模型，得到了預(yù)測射流結(jié)構(gòu)和汽車繞流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生聲漂移量的預(yù)測方法，并和實驗結(jié)果比較，驗證了該方法可以有效預(yù)測風洞聲學實驗中介質(zhì)運動對聲傳播方向的影響。這種方法也可以用于風洞聲學試驗中對傳播方向影響的修正。

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The influences of wind tunnel jet flow and airflow around vehicle on sound propagation

WANG Yi-gang, LI Fang-xu, SHEN Zhe, YANG Zhi-gang

(Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Tongji University. Shanghai 201804, China)

For aero-acoustic measurement in open-jet automotive wind tunnel, the sound source information of the test vehicle cannot be accurately obtained due to the presence of jet shear layer and the airflow around the test vehicle. Through wind tunnel tests for a particular sound source and a test vehicle both positioned in the jet core of test section, the influences of jet flow and flow around the vehicle on sound propagation are studied. Result shows that the two flow fields all lead to significant acoustic drift phenomenon which should be taken into consideration in test data analysis. The linear velocity distribution profiles of jet shear layer and flow around the vehicle are acquired by fitting algorithm, and combined with geometric acoustics, a continuous multi-layer sound propagation model is established to predict the sound source drift quantities of jet flow and flow around vehicle. Comparison with test data indicates that the sound propagation model proposed in this paper can effectively predict the influence of medium motion on sound transmission direction; therefore, it can have widespread application in test data correction for automotive aero-acoustic wind tunnel test.

aero-acoustic wind tunnel; geometric acoustics; sound propagation; sound source drift quantity

O429

A

1000-3630(2017)-01-0057-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.01.011

2016-08-14;

2016-10-26

國家自然科學基金(51375342)資助項目。

王毅剛(1964－), 男, 陜西西安人, 博士, 教授, 研究方向為車輛氣動噪聲。

李方旭, E-mail: 103561@#edu.cn