风洞射流和汽车绕流对声传播的影响

王毅刚，李方旭，沈哲，杨志刚



风洞射流和汽车绕流对声传播的影响

王毅刚，李方旭，沈哲，杨志刚

(同济大学上海地面交通工具风洞中心，上海201804)

汽车风洞气动噪声测试中，由于射流和汽车绕流场的存在，流场外测量不能获取汽车声源的准确信息。研究以两种流场对声传播方向(声源漂移量)的影响开展。通过在风洞射流核心区安放特定声源和实车的试验，分别得到了射流和汽车绕流场对声传播的影响。研究表明两种流场对声传播都会产生较大影响，试验分析应加以考虑；研究分别对风洞射流和汽车绕流进行了气动数值仿真，据此拟合出剪切层和汽车绕流场速度分布线性化模型，并结合几何声学方法，建立了连续多层均匀运动介质声传播模型，得到了预测射流和汽车绕流产生声漂移量的方法。研究表明该方法可以有效预测风洞声学实验中介质运动对声传播方向的影响，并可用于风洞声学试验中流动对传播方向影响的修正。

汽车声学风洞；几何声学；声传播；声源漂移量

0 引言

汽车声学风洞是汽车气动噪声研究的基础测试设施。声学风洞射流结构中汽车的气动噪声源及其声传播特性是风洞声学实验测量的重点内容。在实际试验测试中，许多声学测量必须在射流区域外进行，一方面射流结构的存在使得声从射流核心区内的声源出发向流场外测试区域传播的过程中经历了势流核心区和剪切层，其传播的路径和大小发生改变；另一方面汽车绕流场的非定常流动区域也使汽车表面的噪声源向外传播声时其传播路径和大小发生改变。这样，射流结构外的测试仪器测量到的噪声信号和实际信号就存在差异，因此，风洞射流结构和汽车绕流场的存在成为准确了解汽车气动噪声源的重要技术障碍，在风洞声学测量中必须解决。

国外在上世纪50年代开始对射流中的声传播问题进行研究，最初的目的是用于了解喷气式发动机噪声向周围环境的传播[1-2]。其中较为成功的是利用几何声学原理研究流体对声的折射影响。莫尔斯[3]探索了在两种均匀介质交界面上出现的声折射、反射和投射现象，奠定了两种不同介质中的声传播分析的基本方法。文献[4-6]指出，Aimet于1975年以两相对运动流体中平面声波传播的分析方法为基础，利用几何声学原理，研究了流体对声的折射及声扩散影响，创建了经典的Amiet 剪切层修正理论。该理论将剪切层简化成一个无限薄的涡面，射流和周围空气在各自的区域是各向同性的。而实际剪切层有一定的厚度，且沿顺流方向剪切层厚度增加，所以该方法对流场的简化与真实情况差别较大，仅在喷口附近能较好预测剪切层对声传播的影响，远离喷口位置误差较大。近年来国内学者也对该理论进行了数值和实验方面的验证[7]。另外，关于汽车绕流场对声传播的影响还没有相关文献描述。

基于上述研究状况，本文利用上海地面交通工具风洞中心汽车声学风洞，分别开展了射流结构和汽车绕流结构对声源传播方向影响的试验研究，在此基础上针对一定厚度紊流结构中的声传播，利用数值计算手段得到流场定常流动特性，进一步利用几何声学方法建立声传播模型，分析和确定射流剪切层及汽车绕流场对声传播方向的影响，为风洞中气动噪声源定位测试提供修正方法。

1 射流结构和汽车绕流对声传播影响的风洞实验

1.1 射流结构声传播影响实验

射流结构对声传播方向的影响包括了势流核心区和剪切层区。认为势流核心区为均匀定常流动，通常试验件放置于该区域。为了了解这两个区域对声传播的影响，试验将如图1所示的一个特定声源(外形为翼型设计，中间黑色圆形即为内置扬声器位置，支撑件也为翼型设计)，置于风洞核心区一定的高度位置，其有良好的气动外形，经数值仿真验证，在声源位置附近对流场几乎无扰动，自身产生的气动噪声较低，通过外接功放和信号源组成可控声源系统。

试验在同济大学-上海地面交通工具风洞中心整车气动声学风洞中完成。该风洞为3/4开口回流风洞，试验段背景噪声在国际同类风洞中较低(在160 km/h风速下低于61 dB(A))。声源扬声器中心距离地面1.1 m，该高度对应的剪切层位置流动认为无地面效应(近似和后续的声传播模型一致)。

图1 对称翼型声源整流罩和安装效果

实验中采用的相位传声器阵列声源识别系统具体参数如下：阵列尺寸为1.8 m×1.8 m，通道数120；传感器采用1/4 inch阵列专用压力型传声器；数据采集系统为120通道高精度数采，单通道最大采样率为192 kHz；分析系统为基于波束成型技术的声源识别软件NoiseImage。以上硬件设施是当前声学风洞中声源定位的先进方法，声源的定位误差稳定在cm量级，可以保证实验的精确度和稳定性。试验段喷口、声源和测试设备相对位置如图2所示。

图2 声源和传声器阵列相对位置示意图

由于采用的相位传声器阵列是二维阵列，也即在实验结果中可以观测到由于介质运动产生的声源在流向和高度方向的漂移。由于风洞试验段中的流动以水平方向流动为主，高度方向的速度分量基本可以忽略。实验结果中高度方向声漂移量普遍比横向漂移量小1~2个数量级，故在此忽略不计是合理的。

实验主要研究不同射流速度对声传播的影响，保持其它实验设置不变，实验中射流速度设置为以下工况：无射流(0 m/s)、15~36 m/s区间内，速度每间隔3 m/s设置一个实验工况。暂不考虑声频率对实验的影响，故声源信号采用白噪声信号。

1.2 汽车绕流场对声传播影响实验

为了得到汽车绕流场对声传播的影响，将某款实车置于试验段内，在和上述特定声源试验相同射流结构的作用下，在汽车周围会形成绕汽车的流场。同时，对应上述特定声源实验中的扬声器相同位置，在汽车表面安装扬声器声源，它被安装在流线型的整流罩中，位于汽车左侧前风窗外侧，在汽车的绕流场之中。采用与1.1节相同的试验测试仪器、声源信号、测量状态和测量方法，两者试验结果的差异就是汽车绕流场带来的差异。图3为汽车在风洞试验段的位置及扬声器安装位置。

图3 汽车表面声源安装示意图

1.3 实验结果

射流结构和汽车绕流结构对声传播路径的影响用漂移量来描述。实验中用相位传声器阵列可以测量到真实的声信号，但在据此计算声源位置时，将流动空气介质当成静止介质处理，由此确定的声源位置和实际声源位置有一定的偏移量，在此定义为声源漂移量。

图4为两次试验得到的测量结果。从图4可以看出，射流结构会改变声传播方向，随着射流流速的增加，声源漂移量呈线性增加关系。在增加汽车绕流的情况下，声源漂移量进一步增加，但增加量较小，说明汽车绕流对声传播方向的影响较小。由此可见，射流结构和汽车绕流结构对声源位置的识别有较大影响，在声学测量时应进行修正。

图4 声漂移量实验结果

2 声源漂移量分析及预测

2.1 风洞射流和汽车绕流现象

如上所述，汽车在声学风洞进行气动噪声测试时，汽车放置于试验段势流核心区。来流和汽车相互作用时，汽车表面的突出件、凹槽等部件附近会成为气动噪声源，其产生的噪声向车外空间传递时，声波先经过汽车周围的绕流场，进入射流核心区，再传递到剪切层区，最后传到流场外静止的空气中，被测量设备接收。图5为上述声传播过程示意图。和静止介质中的声传播相比，这些空气介质流动会对声传播产生影响。

图5 汽车绕流和射流对声传播的影响示意图

由于核心区为均匀流动区，声传播可以通过解析法求解。而汽车扰流区和剪切层区为非定常流动区域，难以通过解析法求解，对其流动特性的了解是建立这两部分声传播的前提。所以，下面利用数值仿真手段对这两部分的流动进行计算，为建立声传播模型奠定基础。

2.2 射流流动结构和汽车绕流特性

数值仿真的对象分别是上海地面交通工具风洞中心3/4开口风洞全尺寸模型和与实验同款的实车全尺寸模型。

2.2.1 风洞射流流动分析

在数值模拟中，选取与实验相对应的风洞结构和试验工况。其中几何建模立足于气动声学风洞具体结构和尺寸，其计算区域由收缩段、实验段、收集口、扩散段等组成。为了使下游流动不出现回流，人为增加长度为10 m的延伸段。计算区域使用商业软件ICEM进行网格划分，网格模型见图6。

图6 数值模型示意图

计算区域创建能提高数值精度的六面体网格。整个计算区域网格总数约为1 025万。采用基于有限体积法的商业软件Fluent对非结构网格进行数值求解。在满足设定残差和监控物理量为常量后停止迭代，并以风洞射流轴线静压系数与实验值吻合作为数值计算准确的依据[8]。

以风洞射流速度30 m/s(108 km/h)为例对风洞流场进行分析，以风洞实验段地板高度=0 mm为坐标平面，建立=1100 mm高度的水平面。图7是距风洞实验段地面1100 mm高度处水平截面速度云图，可见射流剪切层随距离喷口的距离增大而逐渐增厚。

图7 1 100 mm高度处水平截面速度云图

根据已有的对射流结构的流动研究，在射流的主体段，各个断面的纵向速度分量的分布具有相似性(也称作自保性)[9]。由图8可知，在风洞实验区(距离喷口9 m以内)内部，射流核心区的速度与来流速度相等，但随着距喷口距离增大，剪切层区域逐渐侵蚀流动核心区和剪切层外部区域，使得剪切层区域逐渐变厚。从图8中可见，剪切层内的气流速度分布在横向，基本呈线性递减分布，故在之后的声漂移量计算模型中，剪切层内的速度分布按照线性函数进行拟合，取边界层范围为速度分布在来流速度5%~95%的区域。

2.2.2 汽车绕流流动分析

对试验中实车的绕流场仿真，汽车模型如图9所示。计算区域尺寸为10×5×5，、、分别为汽车的长宽高。

数值仿真以各项计算残差稳定，升阻力系数均稳定且接近风洞实验数值作为数值计算准确的依据；以来流风速30 m/s(108 km/h)为例，对汽车绕流场进行分析。如图10所示，在距离地面1 100 mm高度的水平截面中，除了后视镜后方的气流所受的扰动较大，汽车两侧一定范围内的气流也因为受到汽车的阻塞而流速加快。所以，若车表面(如门窗缝隙、台阶等)存在噪声源，其产生的噪声向外传播时，在这些扰动区域声的传播特性会发生变化，因此在分析汽车的流场速度对声传播的影响时应该合理简化汽车绕流场，使其更加接近真实流动状况。

(a) 射流核心区、剪切层及远场整体速度分布

(b) 剪切层部分速度分布

图8 距离喷口不同距离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

图9 全尺寸汽车模型示意图

图10 距离地面1 100 mm高度汽车流场云图

2.3 射流剪切层和汽车绕流的速度拟合

要建立考虑速度场的声从核心势流区到远场的传播模型，必须对声传播路径上的速度场进行拟合。实验中声阵列和声源正对放置，即没有气流影响时，声波阵面的法线和来流方向夹角为90°。

2.3.1 射流剪切层的速度拟合

根据上述气动数值计算结果，剪切层区域定义为速度分布为来流速度5%~95%的区域，该区域剪切层厚度随距喷口距离线性变化；剪切层在核心区一侧的速度为射流速度，外侧的速度近似为0。结合风洞特定声源声学实验中声源和声阵列的位置关系，对30 m/s射流速度下，距离风洞喷口3.9 m、高度1.1 m位置横向直线上的速度进行拟合，结果如图11所示。可见，对剪切层的线性拟合是比较理想的。

图11 风洞射流剪切层速度拟合示意图

根据以上条件，如图11所示将整个剪切层从内边界到外边界均分为层，将势流核心区(来流速度为)作为第1层，静止空气区为第2层。在剪切层内，每一层内的速度变化很小，故假设在每一层内速度是均匀的，第层内的速度如式(1)所示：

2.3.2 汽车绕流的速度场拟合

取来流速度为30 m/s，汽车绕流场在高为1100mm、与声源位置相重叠的横向直线上的速度分布如图12所示。

由图12可见，侧窗外侧的气流速度分布经历了由边界层速度为零逐渐增长到一定速度之后又下降再次增大的过程，并且与所有的钝体绕流类似[10-11]，绕流场中的最大速度大于来流速度并随着位置远离汽车表面速度逐渐下降。

图12 车表面声源向远场水平直线的速度分布

图13 汽车表面声源至远场声阵列的速度拟合

2.4 分层速度场声传播模型

根据Snell声折射定理，声经过两种不同介质的边界时，沿边界方向声传播的速度是连续的[3]。沿着边界方向的声波速度由介质内的固有声速和流体速度在边界上的分量组成，两者应当是相等的。由此可得

图14 声经过不同马赫数流动介质的折射关系

在低马赫数情况下，可以认为流体中的固有声速与静止空气中的声速相等，即12。将等式两边同时除以，用和1替代1和2，得到声在两个不同马赫数下的传播角度关系：

本文中要考虑的流场，其流动速度变化较为复杂，故考虑将速度场分布划分成多层匀速流动的集合。图15展示了多层速度分布情形下声通过每一个分层边界的过程。

3 结果分析比较

3.1 实验结果和预测结果的对比

通过建立上述的分层模型，求解每一层中声法线方向和来流速度的夹角，从而求得总的声漂移量数据。

图16和图17分别表示特定声源和汽车表面安装声源两种情况下声漂移量的实验结果和预测结果对比。图18为两种情况下预测结果和实验结果的误差对比。从总体上看，两种情况在大部分风速下，速度场分层模型对声漂移量的预测和实验结果相一致，在风速较高为33 m/s时，由于实验声源出现小的晃动，致使试验出现误差，引起此风速下偏差较大。所以，本预测方法可以用于实验中的声漂移量修正。

图16 翼型导流罩声源结果对比

图17 汽车表面声源结果对比

图18 新模型对两种实验的预测误差

3.2 对两种工况下声漂移量数值接近的解释

设计特定声源和汽车表面安放声源两种工况下的实验目的，是为了研究汽车绕流场对声传播的影响，但是所测得不同风速条件下两者的声漂移量偏差均较小，结合本文对声漂移量的预测方法对该实验现象进行以下解释：

(1) 两种实验工况的差别除了声源至声阵列的流场分布不同之外，声源在风洞流场中的位置、实验测试设备、测量方法等都是相同的，即影响实验结果的唯一因素是汽车绕流场和射流核心区速度分布的差异。

(2) 根据几何声学理论，流动介质的流速越快，声在介质中传播所偏离路径的角度就会越大。图19描述了两种工况下声源至声阵列的速度拟合曲线，虽然特定声源工况下，核心势流区域内的最大流速相对较小，但是在整个核心势流区内部其速度分布维持在来流速度的水平；而汽车绕流虽然在大部分核心势流区内流速较快，但是汽车表面的边界层流速由0变化到最大，故两者对声漂移量的影响虽然在局部有差异，但是在整个核心势流区总体上是接近的，所以，声漂移大小没有表现出明显差异，但汽车绕流场对漂移量的影响更复杂一些，对漂移量有一定的影响。

图19 两种工况下声源至声阵列速度拟合曲线对比

4 结语

本文针对汽车声学风洞中由于介质流动导致声源的声传播方向变化(漂移量)问题开展了研究。首先，通过安装在风洞射流核心区的特定声源试验和实车的绕流试验，分别得到了核心区流动及剪切层对声传播的影响，以及汽车绕流场对声传播的影响。研究表明，射流结构和汽车绕流场对汽车表面声源向外界的声传播都会产生影响，在风洞声学试验和声源特性识别时应考虑其影响，并需要进行修正；

其次，为了分析和预测上述影响，分别对风洞射流结构和汽车绕流结构进行了气动数值仿真，得到了剪切层和汽车绕流场的平均速度分布，拟合出速度分布线性化模型；

最后，在此基础上，结合几何声学理论中流速对声传播方向的影响机理，将速度场等效成连续多层均匀运动介质，建立了多层速度场分布的声传播模型，得到了预测射流结构和汽车绕流结构产生声漂移量的预测方法，并和实验结果比较，验证了该方法可以有效预测风洞声学实验中介质运动对声传播方向的影响。这种方法也可以用于风洞声学试验中对传播方向影响的修正。

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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

国家自然科学基金(51375342)资助项目。

王毅刚(1964－), 男, 陕西西安人, 博士, 教授, 研究方向为车辆气动噪声。

李方旭, E-mail: 103561@tongji.edu.cn