沈哲 余昊晟 王勇 彭里奇 楊志剛

摘 ? 要：為了提高汽車(chē)風(fēng)洞外場(chǎng)聲源識(shí)別精度，對(duì)因?qū)嶋H流場(chǎng)與空風(fēng)洞之間區(qū)別產(chǎn)生的偏差進(jìn)行分析.關(guān)注汽車(chē)?yán)@流場(chǎng)與射流剪切層的速度分布，分別對(duì)車(chē)輛所在自由空間、空風(fēng)洞與帶實(shí)際車(chē)輛的風(fēng)洞3種流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證. 通過(guò)無(wú)限薄剪切層及實(shí)際流場(chǎng)分層聲傳播模型，預(yù)測(cè)有無(wú)車(chē)輛兩種風(fēng)洞狀態(tài)下的聲漂移量，并與實(shí)際整車(chē)聲學(xué)風(fēng)洞聲傳播試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較. 結(jié)果表明，放入車(chē)輛后，風(fēng)洞勢(shì)流核心區(qū)因受汽車(chē)阻塞而流場(chǎng)速度分布不均勻，進(jìn)而剪切層區(qū)域流場(chǎng)受到汽車(chē)?yán)@流場(chǎng)干擾而外擴(kuò). 進(jìn)行實(shí)際流場(chǎng)分層修正后，車(chē)表后方聲源漂移結(jié)果精度大幅提高，能有效提高實(shí)際風(fēng)洞外場(chǎng)聲源識(shí)別精度.

關(guān)鍵詞：車(chē)輛噪聲測(cè)量;風(fēng)洞;阻塞效應(yīng);聲源漂移

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Interference and Correction of Actual Flow Field

of Automobile Wind Tunnel on Sound Source Identification

SHEN Zhe1，2，3?，YU Haosheng3，WANG Yong1，PENG Liqi3，YANG Zhigang2，3

（1.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology，Chongqing ?401122，China;

2. Postdoctoral Station of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai ?201804，China;

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

Abstract：In order to improve the accuracy of outfield sound source identification in automobile wind tunnel， the deviation caused by the difference between actual flow field and empty wind tunnel is analyzed. Focusing on the velocity distribution of flow around vehicle and jet shear layer， numerical simulation and experimental verification were carried out on 3 kinds of flow fields， including free space where vehicle is located， empty wind tunnel and wind tunnel with actual vehicle. The amounts of sound drift in wind tunnel with or without vehicles were predicted by using infinite thin shear layer model and layered flow field sound propagation model. The predicted sound drift quantities were compared with actual full-scale acoustic wind tunnel sound propagation test results. The results show that，after vehicle was placed in the wind tunnel， the flow field velocity distribution in core area of potential flow was uneven due to obstruction of the vehicle， and then the flow field in shear layer was disturbed by flow field around vehicle. After stratified correction of the actual flow field， the accuracy of sound drift quantity at rear sound source of vehicle body is greatly improved， which can effectively improve the identification accuracy of the actual wind tunnel.

Key words：vehicle noise measurement;wind tunnels;blockage effect;sound source drift

?整車(chē)聲學(xué)風(fēng)洞是氣動(dòng)噪聲研究的關(guān)鍵設(shè)施，開(kāi)口式聲學(xué)風(fēng)洞中氣動(dòng)噪聲源及其聲傳播特性是實(shí)驗(yàn)測(cè)量的重要內(nèi)容之一. 汽車(chē)產(chǎn)生的外噪聲在向遠(yuǎn)場(chǎng)傳播的過(guò)程中，受風(fēng)洞流場(chǎng)影響，其傳播的路徑發(fā)生改變，產(chǎn)生聲漂移現(xiàn)象[1]. 風(fēng)洞中汽車(chē)?yán)@流場(chǎng)和射流剪切層相互干擾，實(shí)際流場(chǎng)與空風(fēng)洞流場(chǎng)及汽車(chē)在自由空間流場(chǎng)不一致，進(jìn)一步改變了聲傳播路徑. 因此，汽車(chē)風(fēng)洞實(shí)際流場(chǎng)的存在導(dǎo)致的復(fù)雜聲漂移成為準(zhǔn)確了解汽車(chē)氣動(dòng)噪聲源的重要技術(shù)障礙，有必要解決.

關(guān)于射流剪切層聲傳播的研究，最為經(jīng)典的是Amiet剪切層修正理論[2]，該理論將剪切層簡(jiǎn)化成一個(gè)無(wú)限薄的渦殼面，以聲折射定律和聲速連續(xù)性推導(dǎo)，奠定了幾何聲學(xué)研究剪切層聲折射的基礎(chǔ). 近年來(lái)相關(guān)研究多為對(duì)Amiet理論剪切層修正和改進(jìn). 文獻(xiàn)[3-5]在Amiet理論基礎(chǔ)上，提出三維剪切層修正方法. 一些研究考慮了實(shí)際剪切層的厚度，提出改進(jìn)模型或方法，是對(duì)此理論的驗(yàn)證或者完善[6-7]. Sarradj[8]提出射線追蹤法，可對(duì)非均勻流場(chǎng)聲漂移量進(jìn)行修正. 關(guān)于車(chē)輛繞流場(chǎng)對(duì)聲傳播的影響的文獻(xiàn)較少. 在汽車(chē)風(fēng)洞測(cè)試中，車(chē)輛的阻塞效應(yīng)會(huì)對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)產(chǎn)生影響[9-10]. 王毅剛等[11]在推導(dǎo)聲漂移問(wèn)題時(shí)加入了汽車(chē)?yán)@流場(chǎng)的影響，但并未考慮空風(fēng)洞流場(chǎng)與車(chē)輛繞流場(chǎng)的相互干擾.

本文以實(shí)際整車(chē)氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞與真實(shí)車(chē)輛為研究對(duì)象，利用數(shù)值計(jì)算手段得到流場(chǎng)特性，分析帶有真實(shí)車(chē)輛的風(fēng)洞流場(chǎng)與自由空間車(chē)輛繞流場(chǎng)、空風(fēng)洞流場(chǎng)的區(qū)別，建立汽車(chē)聲學(xué)風(fēng)洞中完整的聲勢(shì)流核心區(qū)到剪切層區(qū)再到遠(yuǎn)場(chǎng)流動(dòng)區(qū)的傳播模型，利用整車(chē)氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞與相應(yīng)車(chē)輛進(jìn)行了聲源傳播試驗(yàn)，對(duì)所提出模型進(jìn)行驗(yàn)證，以期為汽車(chē)風(fēng)洞噪聲源定位測(cè)試提供修正方法.

1?? 聲漂移及其修正方法

1.1?? 聲漂移現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理

在開(kāi)放式消聲風(fēng)洞中進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量時(shí)，傳聲器位于勢(shì)流核心區(qū)外部、消聲室內(nèi)的遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境中[12]. 這意味著描述離開(kāi)勢(shì)流核心區(qū)的聲傳播的射線路徑將在到達(dá)傳聲器之前穿過(guò)剪切層. 剪切層為勢(shì)流核心區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)流動(dòng)區(qū)間的流體層，在垂直于平均流向的方向上存在速度梯度. 聲傳播路徑受到風(fēng)洞流場(chǎng)的影響將發(fā)生折射，基于聲源到傳聲器簡(jiǎn)單直線聲傳播模型得到的表觀聲源與實(shí)際聲源的位置間有一定偏差，即聲漂移現(xiàn)象. 為了得到實(shí)際聲源的準(zhǔn)確位置，需要進(jìn)行聲漂移修正.

根據(jù)幾何聲學(xué)原理[1]，聲經(jīng)過(guò)兩種不同介質(zhì)的邊界時(shí)，沿邊界方向聲傳播的速度是連續(xù)的. 聲波速度由介質(zhì)內(nèi)的固有聲速和流體速度組成，在邊界兩側(cè)聲速相等.

在低馬赫數(shù)、單一介質(zhì)流場(chǎng)中，流場(chǎng)中聲速均為 C，θ′

1和θ′

2表示剪切層流體靜止時(shí)聲傳播的角度，θ1和θ2表示聲實(shí)際傳播經(jīng)過(guò)的角度，介質(zhì)邊界兩側(cè)速度分別為U2、U2，馬赫數(shù)分別為M1、M2，如圖1所示，根據(jù)Snell聲折射定理[13]：

-? = M1 - M2???????? （1）

第k層中實(shí)際傳播角θk與靜止空氣聲傳播角θ′

k的關(guān)系可以用波對(duì)流關(guān)系式給出：

θk = tan-1??????? （2）

在Amiet基本模型中，射流剪切層被簡(jiǎn)化為無(wú)限薄，假設(shè)剪切層內(nèi)側(cè)是速度為U1的均勻流場(chǎng)、剪切層外流場(chǎng)靜止，即U1 = 0，求得聲漂移量：

d = l1（cot θ2 - cot θ1）????? （3）

1.2?? 改進(jìn)修正方法

1.2.1?? 分層修正

無(wú)限薄剪切層聲漂移修正方法忽略了剪切層的厚度，因此在靠近噴口附近能更好預(yù)測(cè)剪切層對(duì)聲傳播的影響，遠(yuǎn)離噴口位置誤差相對(duì)較大. 此外，剪切層以?xún)?nèi)的流場(chǎng)速度并不是完全均勻，外部流場(chǎng)也非完全靜止，此部分對(duì)聲折射的影響也應(yīng)當(dāng)考慮.

分層模型[6]將流場(chǎng)分割成n層平行層的方法，對(duì)Amiet修正模型進(jìn)行優(yōu)化，如圖2所示. 用k和k+1分別替代式（1）中的1和2，得到：

-? = Mk - Mk+1???????? （4）

由此可得到總的聲漂移量：

d = -lkcot θk + cot θnlk?????? （5）

分層法使用的流場(chǎng)速度分布更接近實(shí)際情況，對(duì)聲漂移量的預(yù)測(cè)更為精準(zhǔn).

1.2.2?? 多線修正

單線模型認(rèn)為流場(chǎng)分層后，各層內(nèi)不同位置的流速是一致的，而實(shí)際流場(chǎng)中，不同高度、沿流向不同距離流速分布不完全相同. 例如風(fēng)洞流場(chǎng)，距離噴口越遠(yuǎn)，剪切層厚度越厚，同時(shí)勢(shì)流核心區(qū)受到外部流場(chǎng)侵蝕，范圍越來(lái)越小. 多線模型[8]根據(jù)流場(chǎng)各處實(shí)際流速分布，通過(guò)上述聲折射原理，推導(dǎo)聲傳播路徑. 相較于單線模型，多線模型更符合實(shí)際非均勻流場(chǎng)中的聲傳播，得到的聲漂移量預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確. 對(duì)于圓形噴口等非二維剪切層情況，必須使用多線模型修正.

2?? 風(fēng)洞流場(chǎng)分析

2.1?? 汽車(chē)風(fēng)洞流場(chǎng)3種情況

2.1.1?? 數(shù)值風(fēng)洞流場(chǎng)（自由空間）

根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，車(chē)輛以一定速度在實(shí)際道路行駛，可以等效為以該速度的氣流吹向靜止的汽車(chē)，其周?chē)鲌?chǎng)空間可近似看作僅受地面約束，其余方向無(wú)限延伸. 為了模擬該流場(chǎng)條件，在數(shù)值模擬中通常采用自由空間流場(chǎng)模型，將車(chē)輛數(shù)模放置在足夠大的計(jì)算域中，地面和車(chē)體表面設(shè)置為壁面，入口設(shè)置為均勻來(lái)流，出口設(shè)置為壓力出口，其余流場(chǎng)邊界設(shè)置為對(duì)稱(chēng)面. 通過(guò)上述設(shè)置可以準(zhǔn)確地模擬車(chē)輛與周?chē)鲌?chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況.

2.1.2?? 空風(fēng)洞流場(chǎng)

汽車(chē)風(fēng)洞作為模擬車(chē)輛實(shí)際道路行駛的試驗(yàn)設(shè)施，其流場(chǎng)固有特性十分重要，實(shí)際3/4開(kāi)口式風(fēng)洞試驗(yàn)段的流場(chǎng)主要包括三部分：從噴口延伸出的勢(shì)流核心區(qū)即測(cè)試區(qū)域、遠(yuǎn)離流動(dòng)的遠(yuǎn)場(chǎng)靜止區(qū)以及兩者之間的剪切層區(qū)域. 除了地面效應(yīng)之外，風(fēng)洞射流還受到收集口、試驗(yàn)段洞壁等影響，是一種典型的有限體積射流.

2.1.3?? 實(shí)際流場(chǎng)（帶汽車(chē)的風(fēng)洞）

在汽車(chē)風(fēng)洞測(cè)試中，試驗(yàn)段放置了實(shí)際車(chē)輛，車(chē)輛繞流場(chǎng)與風(fēng)洞流場(chǎng)相互影響，其流場(chǎng)特性與前兩者均有不同，需根據(jù)風(fēng)洞和被測(cè)汽車(chē)之間的幾何關(guān)系具體分析.

2.2?? 流場(chǎng)仿真與驗(yàn)證

為了分析空風(fēng)洞流場(chǎng)、車(chē)輛在自由空間流場(chǎng)、汽車(chē)風(fēng)洞實(shí)際流場(chǎng)之間的差別，分別建立3種流場(chǎng)的數(shù)值仿真模型，以下主要以汽車(chē)風(fēng)洞實(shí)際流場(chǎng)模型為例進(jìn)行介紹.

汽車(chē)風(fēng)洞實(shí)際流場(chǎng)幾何建模立足于氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸，由收縮段、試驗(yàn)段、收集口、擴(kuò)散段等組成，并在試驗(yàn)段實(shí)際測(cè)試位置加入車(chē)輛數(shù)模. 以噴口平面、風(fēng)洞中心對(duì)稱(chēng)面、地面三者交點(diǎn)作為x、y、z方向的原點(diǎn)，建立模型，如圖3所示.

網(wǎng)格方面，先使用hypermesh劃分面網(wǎng)格，再用面網(wǎng)格生成體網(wǎng)格. 面網(wǎng)格及體網(wǎng)格分別采用三角形網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格. 網(wǎng)格劃分過(guò)程中，優(yōu)先保證汽車(chē)?yán)@流場(chǎng)、剪切層等影響聲傳播位置的網(wǎng)格密度. 風(fēng)洞網(wǎng)格最大尺寸為200 mm，車(chē)身附近等關(guān)鍵位置最大尺寸25 mm. 在噴口內(nèi)邊沿、地面和汽車(chē)表面設(shè)置邊界層網(wǎng)格，前兩者和汽車(chē)表面第一層邊界層網(wǎng)格厚度分別為1.6 mm和0.8 mm，增長(zhǎng)率為1.1，共8層邊界層網(wǎng)格.

數(shù)值仿真使用Fluent軟件進(jìn)行. 具體參數(shù)設(shè)置為：入口類(lèi)型選擇為速度入口，數(shù)值根據(jù)收縮比確定，設(shè)為4.876 m/s，以獲得噴口處30 m/s的速度，與實(shí)際風(fēng)洞測(cè)試一致，同時(shí)湍流強(qiáng)度設(shè)置為1%，湍動(dòng)黏性比設(shè)置為10，也與實(shí)際風(fēng)洞保持一致;出口類(lèi)型設(shè)為out-flow;壓力平衡口設(shè)為inlet-vent;其他全部設(shè)置為壁面wall. 湍流模型選擇k-epsilon，壁面函數(shù)選擇非平衡壁面函數(shù)，求解器選擇SIMPLEC求解器.

在另外兩種流場(chǎng)的數(shù)值模擬中，風(fēng)洞流場(chǎng)幾何模型不包括車(chē)輛數(shù)模，帶車(chē)輛的自由空間流場(chǎng)幾何模型計(jì)算區(qū)域尺寸分別為汽車(chē)長(zhǎng)寬高的10倍、5倍、5倍. 兩者的其他設(shè)置，如在網(wǎng)格劃分方法及湍流模型、數(shù)值格式等，與汽車(chē)風(fēng)洞實(shí)際流場(chǎng)模型保持一致. 空風(fēng)洞流場(chǎng)、車(chē)輛在自由空間流場(chǎng)和帶汽車(chē)的風(fēng)洞流場(chǎng)的總網(wǎng)格數(shù)分別為3 800萬(wàn)、6 800萬(wàn)和6 500萬(wàn). 由于本文主要關(guān)注宏觀速度場(chǎng)對(duì)聲傳播的影響，局部流場(chǎng)的細(xì)微誤差可忽略，上述量級(jí)的網(wǎng)格獲得的仿真結(jié)果精度完全能滿(mǎn)足后續(xù)分析的要求.

在完成數(shù)值仿真后，首先對(duì)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證. 將空風(fēng)洞剪切層位置風(fēng)速仿真結(jié)果與熱線風(fēng)速儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示. 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果在整個(gè)剪切層區(qū)域吻合程度都很高，可以認(rèn)為仿真結(jié)果與實(shí)際流場(chǎng)較為一致.

2.3?? 速度場(chǎng)特性比較

由于聲傳播方向改變是由波對(duì)流產(chǎn)生，主要受流體速度影響，以下僅分析速度場(chǎng). 此外，風(fēng)洞試驗(yàn)段中的流動(dòng)以x向流動(dòng)為主，高度方向的速度分量引起的聲折射是z向的，y向速度分量對(duì)聲漂移量影響很小，在此不分析y、z向速度分量，下文中流速均指沿x向分量.

2.3.1?? 流場(chǎng)整體分析

由于車(chē)輛后視鏡后側(cè)（x = 3.9 m）到車(chē)輛C柱位置（x = 5.5 m）是車(chē)輛側(cè)面重要?dú)鈩?dòng)噪聲源的主要所在區(qū)域，同時(shí)避免地面反射對(duì)聲源測(cè)量的影響，重點(diǎn)分析高度z = 1.1 m平面，距離噴口3.9 ～ 5.5 m的流場(chǎng)，該水平截面速度云圖如圖5所示.

由圖5可見(jiàn)，在空風(fēng)洞和實(shí)際風(fēng)洞流場(chǎng)中，以噴口內(nèi)邊沿為起點(diǎn)，速度有明顯的梯度，此處即為剪切層. x = 3.9 m處3種流場(chǎng)流速沿橫向分布如圖6所示，可見(jiàn)流速在該區(qū)域基本呈線性遞減分布，為了方便后續(xù)分析，定義射流剪切層為速度分布在來(lái)流速度10%～90%的區(qū)域. 即速度3 m/s為剪切層外邊界，速度27 m/s為剪切層內(nèi)邊界，即圖6中豎直虛線分割位置. 此外，剪切層內(nèi)邊界內(nèi)側(cè)為勢(shì)流核心區(qū)區(qū)域，剪切層外側(cè)外部為遠(yuǎn)場(chǎng)流動(dòng)區(qū).

關(guān)于自由空間和實(shí)際風(fēng)洞流場(chǎng)，可以看到勢(shì)流核心區(qū)的流場(chǎng)與自由空間流場(chǎng)流速分布幾乎一致，由內(nèi)向外直到風(fēng)洞射流剪切層內(nèi)邊界附近，兩者速度才出現(xiàn)明顯分化，說(shuō)明汽車(chē)風(fēng)洞能夠很好地模擬車(chē)輛實(shí)際道路行駛情況. 由于兩種流場(chǎng)情況在汽車(chē)?yán)@流場(chǎng)附近基本相同，以下分析僅給出實(shí)際流場(chǎng)的勢(shì)流核心區(qū)結(jié)果.

2.3.2?? 勢(shì)流核心區(qū)

在勢(shì)流核心區(qū)，從汽車(chē)車(chē)身表面位置，速度為0經(jīng)過(guò)車(chē)身表面邊界層迅速增大，隨后經(jīng)過(guò)一段速度波動(dòng)區(qū)域. 由于汽車(chē)車(chē)身對(duì)氣流的阻塞作用，氣流速度繼續(xù)上升并超過(guò)空風(fēng)洞下射流速度至最大值，之后緩慢下降.

在上述速度波動(dòng)區(qū)域，氣流速度變化較大，會(huì)對(duì)聲傳播路徑產(chǎn)生較大影響. 這里取距車(chē)身對(duì)稱(chēng)面y坐標(biāo)范圍-1.2 ～ -0.7 m，距離噴口不同距離下流場(chǎng)的氣流速度分布，如圖7所示. 可以看到，在距離噴口1.95 m（車(chē)頭位置）處，氣流速度基本處于均勻狀態(tài);在距離噴口2.95 m，接近前擋風(fēng)玻璃處，氣流受到車(chē)身阻塞效應(yīng)影響，流速有所增大;在距離噴口3.9 m處，即后視鏡后區(qū)域，車(chē)身表面附近氣流受到A柱影響，速度波動(dòng)最大;距離噴口越遠(yuǎn)，此影響越小. 在距離車(chē)身表面較遠(yuǎn)處，各處氣流速度趨于一致.

2.3.3?? 剪切層區(qū)域

為分析車(chē)輛放入后對(duì)風(fēng)洞原始流場(chǎng)的影響，根據(jù)上述定義的剪切層邊界位置，比較空風(fēng)洞和實(shí)際流場(chǎng)兩者的差別，如圖8所示. 可見(jiàn)空風(fēng)洞剪切層邊界位置與離噴口距離呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系. 放入車(chē)輛后，對(duì)前方的流場(chǎng)影響較小，兩者剪切層邊界較為接近. 隨后氣流受到車(chē)輛影響，實(shí)際流場(chǎng)下剪切層邊界明顯向外偏移，且偏移量沿流向向外先增大后減小. 實(shí)際車(chē)輛的存在對(duì)風(fēng)洞剪切層內(nèi)邊界影響更大，使剪切層內(nèi)邊界向外偏移最大達(dá)0.15 m，對(duì)剪切層外邊界影響較小，使剪切層外邊界向外偏移不超過(guò)0.07 m. 由于車(chē)身較為復(fù)雜，車(chē)身各部位對(duì)氣流的影響程度不同，所以剪切層邊界位置產(chǎn)生不規(guī)則波動(dòng)，呈線性下降.

3?? 聲漂移量試驗(yàn)與預(yù)測(cè)分析

3.1?? 聲傳播試驗(yàn)

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)-上海地面交通工具風(fēng)洞中心整車(chē)氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中完成. 該風(fēng)洞為3/4開(kāi)口回流風(fēng)洞，試驗(yàn)段背景噪聲在160 km/h風(fēng)速下低于61 dB（A）.

為了得到汽車(chē)風(fēng)洞實(shí)際流場(chǎng)對(duì)聲傳播的影響，將仿真同款車(chē)型置于試驗(yàn)段內(nèi)，在汽車(chē)表面距離噴口分別為3.9 m和5.5 m的位置上安裝流線型揚(yáng)聲器，高度距離地面1.1 m，與數(shù)值仿真設(shè)置相一致，如圖9（a）所示.

為了得到空風(fēng)洞流場(chǎng)對(duì)聲傳播的影響，試驗(yàn)使用一個(gè)具有良好的氣動(dòng)外形的翼型聲源，經(jīng)數(shù)值仿真驗(yàn)證，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)擾動(dòng)可忽略. 聲源位置分別為距離噴口3.9 m和5.5 m，距離風(fēng)洞中心對(duì)稱(chēng)面0.62 m，聲源高度1.1 m，與汽車(chē)表面聲源基本保持一致，如圖9（b）所示.

試驗(yàn)采用相位傳聲器陣列聲源識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，具體參數(shù)如下：陣列尺寸為1.8 m × 1.8 m，通道數(shù)120;傳感器采用陣列專(zhuān)用1/4英寸壓力型傳聲器;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為120通道高精度數(shù)采，單通道最大采樣頻率為192 kHz;分析系統(tǒng)為基于波束成型技術(shù)的聲源識(shí)別軟件Noise Image. 聲源識(shí)別陣列被放置在距離射流中心線5.57 m處.

3.2?? 預(yù)測(cè)方法與設(shè)置

本文給出不同方法和流場(chǎng)條件對(duì)聲漂移量預(yù)測(cè)值的影響，包括帶擴(kuò)散角修正的Amiet無(wú)限薄剪切層法和多種流場(chǎng)條件下的分層法計(jì)算聲漂移量. 計(jì)算過(guò)程中的聲源與測(cè)點(diǎn)位置參數(shù)與實(shí)際測(cè)量保持完全一致.

在帶擴(kuò)散角Amiet無(wú)限薄剪切層方法中，將剪切層起點(diǎn)位置設(shè)為噴口壁面處，即y = -3.27 m，擴(kuò)散角為2°，取剪切層內(nèi)側(cè)速度為設(shè)置的試驗(yàn)風(fēng)速30 m/s，剪切層外側(cè)速度為0 m/s.

空風(fēng)洞分層法和實(shí)際流場(chǎng)分層法分別取空風(fēng)洞流場(chǎng)和實(shí)際流場(chǎng)仿真結(jié)果，將聲源到傳聲器位置流場(chǎng)平均分為1 000層，每層流場(chǎng)厚度約為5 mm，每層流場(chǎng)內(nèi)部視為勻速.

為了分析實(shí)際流場(chǎng)中汽車(chē)?yán)@流場(chǎng)作用和剪切層變化對(duì)聲漂移的影響，還增加如下兩種假設(shè)流場(chǎng)條件：1）僅考慮汽車(chē)?yán)@流場(chǎng)影響的流場(chǎng)，設(shè)置為將空風(fēng)洞情況下的剪切層內(nèi)邊界內(nèi)的流場(chǎng)速度替換為實(shí)際風(fēng)洞剪切層內(nèi)的流場(chǎng)速度. 2）僅考慮剪切層外擴(kuò)影響的流場(chǎng)，設(shè)置為將實(shí)際流場(chǎng)情況下剪切層內(nèi)邊界內(nèi)的流場(chǎng)替換速度為30 m/s的均勻流場(chǎng).

3.3?? 結(jié)果分析

首先給出帶擴(kuò)散角的Amiet方法的預(yù)測(cè)結(jié)果與兩種流場(chǎng)狀態(tài)測(cè)量結(jié)果的比較，如表1所示. 翼型聲源測(cè)量可代表空風(fēng)洞狀態(tài)，車(chē)表聲源測(cè)量代表實(shí)際流場(chǎng)狀態(tài).

空風(fēng)洞實(shí)測(cè)結(jié)果前后聲源漂移量差別較小，前后漂移量的差別主要是由擴(kuò)散角引起的. 使用帶擴(kuò)散角修正后Amiet方法對(duì)于空風(fēng)洞聲源漂移量的預(yù)測(cè)可以達(dá)到較高精度，前后聲源誤差率僅分別為1.3%和-0.4%. 實(shí)際流場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果聲源漂移量前后聲源差異較大，后部聲源漂移試驗(yàn)值較翼型整流罩后聲源漂移量有較大增幅. 在此情況下，Amiet修正在前聲源處精度仍較好，預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值均為0.238 m，誤差率0.1%是因預(yù)測(cè)值有效位數(shù)的顯示引起;而車(chē)身表面后聲源處漂移量實(shí)測(cè)為0.295 m，Amiet預(yù)測(cè)誤差率較大，達(dá)到了-17.6%，說(shuō)明在后聲源處實(shí)際流場(chǎng)對(duì)聲傳播路線影響較空風(fēng)洞流場(chǎng)有較大區(qū)別，Amiet方法已不能很好地預(yù)測(cè)聲漂移.

為定量分析不同流場(chǎng)條件對(duì)分層法聲漂移量預(yù)測(cè)的影響，給出空風(fēng)洞流場(chǎng)、僅考慮汽車(chē)?yán)@流、僅考慮剪切層外擴(kuò)、實(shí)際流場(chǎng)條件下，采用分層修正預(yù)測(cè)結(jié)果并與試驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行比較，如圖10所示.

對(duì)于車(chē)表前聲源漂移量的修正，各種預(yù)測(cè)方法得到的結(jié)果整體相近，誤差均小于3%. 值得注意的是，僅考慮汽車(chē)?yán)@流場(chǎng)的誤差為-3.0%，是由后視鏡外側(cè)較大的逆向速度梯度產(chǎn)生的;僅考慮剪切層外擴(kuò)誤差為1.1%，兩者疊加會(huì)導(dǎo)致誤差正負(fù)抵消，由此Amiet方法所得到結(jié)果誤差較小具有偶然因素.

對(duì)車(chē)表后聲源漂移量的修正，Amiet修正精度欠佳，而使用空風(fēng)洞分層法精度則略有提高. 考慮實(shí)際流場(chǎng)，計(jì)入汽車(chē)?yán)@流場(chǎng)和剪切層外擴(kuò)的影響后，預(yù)測(cè)精度都有明顯提高，而綜合考慮兩者影響后，預(yù)測(cè)精度更是大幅提高，誤差僅為Amiet修正的1/3. 可見(jiàn)汽車(chē)后方繞流場(chǎng)和剪切層外擴(kuò)疊加影響對(duì)聲漂移量影響更為顯著.

4?? 結(jié)?? 論

通過(guò)對(duì)3種流場(chǎng)的分析和各流場(chǎng)條件下采用兩種方法對(duì)聲漂移量的預(yù)測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1）實(shí)際風(fēng)洞流場(chǎng)在勢(shì)流核心區(qū)融合了汽車(chē)?yán)@流場(chǎng)，車(chē)體表面附近速度場(chǎng)有與剪切層相反的速度梯度，該速度梯度在A柱附近的分離-再附著區(qū)域最為明顯，沿流向逐漸減弱. 因此繞流區(qū)車(chē)身前后聲傳播規(guī)律有所不同，聲漂移增量在車(chē)側(cè)方從前至后有由負(fù)到正的上升趨勢(shì).

2）由于車(chē)輛對(duì)流場(chǎng)的阻塞作用，實(shí)際流場(chǎng)剪切層較空風(fēng)洞流場(chǎng)有明顯外擴(kuò)，尤其剪切層內(nèi)邊界外擴(kuò)更為顯著，使實(shí)際聲源至剪切層的距離增加，聲漂移量隨之變大.

3）帶擴(kuò)散角Amiet方法未計(jì)入實(shí)際流場(chǎng)影響，對(duì)車(chē)表后聲源漂移量預(yù)測(cè)誤差較大. 采用分層模型并考慮上述流場(chǎng)影響因素后，預(yù)測(cè)精度改善明顯，可在風(fēng)洞測(cè)試中對(duì)現(xiàn)有修正方法進(jìn)行改進(jìn).

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收稿日期：2021-01-07

基金項(xiàng)目：汽車(chē)噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（NVHSKL-202003），State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology Open Fund Project（NVHSKL-202003）;上海市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（18DZ2273300），Shanghai Key Laboratory Project（18DZ2273300）

作者簡(jiǎn)介：沈哲（1983—），男，江蘇蘇州人，同濟(jì)大學(xué)在站博士后，工學(xué)博士

通信聯(lián)系人，E-mail：zhe.shen@sawtc.com