沈哲，余昊晟，王勇，彭里奇，楊志剛2，

（1.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，重慶 401122；2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程博士后流動站，上海 201804；3.同濟(jì)大學(xué) 上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804）

整車聲學(xué)風(fēng)洞是氣動噪聲研究的關(guān)鍵設(shè)施，開口式聲學(xué)風(fēng)洞中氣動噪聲源及其聲傳播特性是實驗測量的重要內(nèi)容之一.汽車產(chǎn)生的外噪聲在向遠(yuǎn)場傳播的過程中，受風(fēng)洞流場影響，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?yán)@流場和射流剪切層相互干擾，實際流場與空風(fēng)洞流場及汽車在自由空間流場不一致，進(jìn)一步改變了聲傳播路徑.因此，汽車風(fēng)洞實際流場的存在導(dǎo)致的復(fù)雜聲漂移成為準(zhǔn)確了解汽車氣動噪聲源的重要技術(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]，該理論將剪切層簡化成一個無限薄的渦殼面，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).近年來相關(guān)研究多為對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.一些研究考慮了實際剪切層的厚度，提出改進(jìn)模型或方法，是對此理論的驗證或者完善[6-7].Sarradj[8]提出射線追蹤法，可對非均勻流場聲漂移量進(jìn)行修正.關(guān)于車輛繞流場對聲傳播的影響的文獻(xiàn)較少.在汽車風(fēng)洞測試中，車輛的阻塞效應(yīng)會對風(fēng)洞流場產(chǎn)生影響[9-10].王毅剛等[11]在推導(dǎo)聲漂移問題時加入了汽車?yán)@流場的影響，但并未考慮空風(fēng)洞流場與車輛繞流場的相互干擾.

本文以實際整車氣動聲學(xué)風(fēng)洞與真實車輛為研究對象，利用數(shù)值計算手段得到流場特性，分析帶有真實車輛的風(fēng)洞流場與自由空間車輛繞流場、空風(fēng)洞流場的區(qū)別，建立汽車聲學(xué)風(fēng)洞中完整的聲勢流核心區(qū)到剪切層區(qū)再到遠(yuǎn)場流動區(qū)的傳播模型，利用整車氣動聲學(xué)風(fēng)洞與相應(yīng)車輛進(jìn)行了聲源傳播試驗，對所提出模型進(jìn)行驗證，以期為汽車風(fēng)洞噪聲源定位測試提供修正方法.

1 聲漂移及其修正方法

1.1 聲漂移現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理

在開放式消聲風(fēng)洞中進(jìn)行聲學(xué)測量時，傳聲器位于勢流核心區(qū)外部、消聲室內(nèi)的遠(yuǎn)場環(huán)境中[12].這意味著描述離開勢流核心區(qū)的聲傳播的射線路徑將在到達(dá)傳聲器之前穿過剪切層.剪切層為勢流核心區(qū)和遠(yuǎn)場流動區(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)洞流場的影響將發(fā)生折射，基于聲源到傳聲器簡單直線聲傳播模型得到的表觀聲源與實際聲源的位置間有一定偏差，即聲漂移現(xiàn)象.為了得到實際聲源的準(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.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.

圖1 Amiet 無限薄剪切層法Fig.1 Amiet infinite thin shear layer method

第k 層中實際傳播角θk與靜止空氣聲傳播角的關(guān)系可以用波對流關(guān)系式給出：

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

1.2 改進(jìn)修正方法

1.2.1 分層修正

無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)測剪切層對聲傳播的影響，遠(yuǎn)離噴口位置誤差相對較大.此外，剪切層以內(nèi)的流場速度并不是完全均勻，外部流場也非完全靜止，此部分對聲折射的影響也應(yīng)當(dāng)考慮.

分層模型[6]將流場分割成n 層平行層的方法，對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：

圖2 實際流場分層法Fig.2 Actual layered flow field method

由此可得到總的聲漂移量：

分層法使用的流場速度分布更接近實際情況，對聲漂移量的預(yù)測更為精準(zhǔn).

1.2.2 多線修正

單線模型認(rèn)為流場分層后，各層內(nèi)不同位置的流速是一致的，而實際流場中，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，距離噴口越遠(yuǎn)，剪切層厚度越厚，同時勢流核心區(qū)受到外部流場侵蝕，范圍越來越小.多線模型[8]根據(jù)流場各處實際流速分布，通過上述聲折射原理，推導(dǎo)聲傳播路徑.相較于單線模型，多線模型更符合實際非均勻流場中的聲傳播，得到的聲漂移量預(yù)測結(jié)果更為準(zhǔn)確.對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)洞流場分析

2.1 汽車風(fēng)洞流場3 種情況

2.1.1 數(shù)值風(fēng)洞流場（自由空間）

根據(jù)相對運(yùn)動關(guān)系，車輛以一定速度在實際道路行駛，可以等效為以該速度的氣流吹向靜止的汽車，其周圍流場空間可近似看作僅受地面約束，其余方向無限延伸.為了模擬該流場條件，在數(shù)值模擬中通常采用自由空間流場模型，將車輛數(shù)模放置在足夠大的計算域中，地面和車體表面設(shè)置為壁面，入口設(shè)置為均勻來流，出口設(shè)置為壓力出口，其余流場邊界設(shè)置為對稱面.通過上述設(shè)置可以準(zhǔn)確地模擬車輛與周圍流場的相對運(yùn)動情況.

2.1.2 空風(fēng)洞流場

汽車風(fēng)洞作為模擬車輛實際道路行駛的試驗設(shè)施，其流場固有特性十分重要，實際3/4 開口式風(fēng)洞試驗段的流場主要包括三部分：從噴口延伸出的勢流核心區(qū)即測試區(qū)域、遠(yuǎn)離流動的遠(yuǎn)場靜止區(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、試驗段洞壁等影響，是一種典型的有限體積射流.

2.1.3 實際流場（帶汽車的風(fēng)洞）

在汽車風(fēng)洞測試中，試驗段放置了實際車輛，車輛繞流場與風(fēng)洞流場相互影響，其流場特性與前兩者均有不同，需根據(jù)風(fēng)洞和被測汽車之間的幾何關(guān)系具體分析.

2.2 流場仿真與驗證

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

汽車風(fēng)洞實際流場幾何建模立足于氣動聲學(xué)風(fēng)洞實際結(jié)構(gòu)和尺寸，由收縮段、試驗段、收集口、擴(kuò)散段等組成，并在試驗段實際測試位置加入車輛數(shù)模.以噴口平面、風(fēng)洞中心對稱面、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.

圖3 汽車風(fēng)洞實際流場幾何模型Fig.3 Geometric model of actual flow field in vehicle wind tunnel

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)格劃分過程中，優(yōu)先保證汽車?yán)@流場、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、地面和汽車表面設(shè)置邊界層網(wǎng)格，前兩者和汽車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，與實際風(fēng)洞測試一致，同時湍流強(qiáng)度設(shè)置為1%，湍動黏性比設(shè)置為10，也與實際風(fēng)洞保持一致；出口類型設(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.

在另外兩種流場的數(shù)值模擬中，風(fēng)洞流場幾何模型不包括車輛數(shù)模，帶車輛的自由空間流場幾何模型計算區(qū)域尺寸分別為汽車長寬高的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，與汽車風(fēng)洞實際流場模型保持一致.空風(fēng)洞流場、車輛在自由空間流場和帶汽車的風(fēng)洞流場的總網(wǎng)格數(shù)分別為3 800 萬、6 800 萬和6 500萬.由于本文主要關(guān)注宏觀速度場對聲傳播的影響，局部流場的細(xì)微誤差可忽略，上述量級的網(wǎng)格獲得的仿真結(jié)果精度完全能滿足后續(xù)分析的要求.

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

圖4 仿真與試驗得到剪切層時均速度對比Fig.4 Comparison of time averaged velocity of shear layer obtained by simulation and experiment

2.3 速度場特性比較

由于聲傳播方向改變是由波對流產(chǎn)生，主要受流體速度影響，以下僅分析速度場.此外，風(fēng)洞試驗段中的流動以x 向流動為主，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 流場整體分析

由于車輛后視鏡后側(cè)（x=3.9 m）到車輛C 柱位置（x=5.5 m）是車輛側(cè)面重要?dú)鈩釉肼曉吹闹饕趨^(qū)域，同時避免地面反射對聲源測量的影響，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，該水平截面速度云圖如圖5 所示.

圖5 3 種流場下高度1.1 m 橫截面速度云圖Fig.5 Velocity contour of cross section with height of 1.1 m under three kinds of flow fields

由圖5 可見，在空風(fēng)洞和實際風(fēng)洞流場中，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 種流場流速沿橫向分布如圖6 所示，可見流速在該區(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)為勢流核心區(qū)區(qū)域，剪切層外側(cè)外部為遠(yuǎn)場流動區(qū).

圖6 3 種流場流速沿橫向分布Fig.6 Lateral distribution of velocity under three flow fields

關(guān)于自由空間和實際風(fēng)洞流場，可以看到勢流核心區(qū)的流場與自由空間流場流速分布幾乎一致，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，說明汽車風(fēng)洞能夠很好地模擬車輛實際道路行駛情況.由于兩種流場情況在汽車?yán)@流場附近基本相同，以下分析僅給出實際流場的勢流核心區(qū)結(jié)果.

2.3.2 勢流核心區(qū)

在勢流核心區(qū)，從汽車車身表面位置，速度為0經(jīng)過車身表面邊界層迅速增大，隨后經(jīng)過一段速度波動區(qū)域.由于汽車車身對氣流的阻塞作用，氣流速度繼續(xù)上升并超過空風(fēng)洞下射流速度至最大值，之后緩慢下降.

在上述速度波動區(qū)域，氣流速度變化較大，會對聲傳播路徑產(chǎn)生較大影響.這里取距車身對稱面y坐標(biāo)范圍-1.2～-0.7 m，距離噴口不同距離下流場的氣流速度分布，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，車身表面附近氣流受到A 柱影響，速度波動最大；距離噴口越遠(yuǎn)，此影響越小.在距離車身表面較遠(yuǎn)處，各處氣流速度趨于一致.

圖7 不同流向距離處流速沿橫向分布Fig.7 Lateral distribution of velocity at different flow distance

2.3.3 剪切層區(qū)域

為分析車輛放入后對風(fēng)洞原始流場的影響，根據(jù)上述定義的剪切層邊界位置，比較空風(fēng)洞和實際流場兩者的差別，如圖8 所示.可見空風(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.放入車輛后，對前方的流場影響較小，兩者剪切層邊界較為接近.隨后氣流受到車輛影響，實際流場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.實際車輛的存在對風(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，對剪切層外邊界影響較小，使剪切層外邊界向外偏移不超過0.07 m.由于車身較為復(fù)雜，車身各部位對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，呈線性下降.

圖8 風(fēng)洞中有無車輛剪切層位置對比Fig.8 Comparison of shear layer position with or without vehicle in wind tunnel

3 聲漂移量試驗與預(yù)測分析

3.1 聲傳播試驗

試驗在同濟(jì)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)洞為3/4 開口回流風(fēng)洞，試驗段背景噪聲在160 km/h 風(fēng)速下低于61 dB（A）.

為了得到汽車風(fēng)洞實際流場對聲傳播的影響，將仿真同款車型置于試驗段內(nèi)，在汽車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)洞流場對聲傳播的影響，試驗使用一個具有良好的氣動外形的翼型聲源，經(jīng)數(shù)值仿真驗證，對整個流場擾動可忽略.聲源位置分別為距離噴口3.9 m 和5.5 m，距離風(fēng)洞中心對稱面0.62 m，聲源高度1.1 m，與汽車表面聲源基本保持一致，如圖9（b）所示.

圖9 噪聲源定位測試中聲源和安裝效果Fig.9 Sound source and installation effect in noise source location test

試驗采用相位傳聲器陣列聲源識別系統(tǒng)進(jìn)行測量，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)的聲源識別軟件Noise Image.聲源識別陣列被放置在距離射流中心線5.57 m 處.

3.2 預(yù)測方法與設(shè)置

本文給出不同方法和流場條件對聲漂移量預(yù)測值的影響，包括帶擴(kuò)散角修正的Amiet 無限薄剪切層法和多種流場條件下的分層法計算聲漂移量.計算過程中的聲源與測點(diǎn)位置參數(shù)與實際測量保持完全一致.

在帶擴(kuò)散角Amiet 無限薄剪切層方法中，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)洞分層法和實際流場分層法分別取空風(fēng)洞流場和實際流場仿真結(jié)果，將聲源到傳聲器位置流場平均分為1 000 層，每層流場厚度約為5 mm，每層流場內(nèi)部視為勻速.

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

3.3 結(jié)果分析

首先給出帶擴(kuò)散角的Amiet 方法的預(yù)測結(jié)果與兩種流場狀態(tài)測量結(jié)果的比較，如表1 所示.翼型聲源測量可代表空風(fēng)洞狀態(tài)，車表聲源測量代表實際流場狀態(tài).

表1 Amiet 方法與實測比較Tab.1 Comparison between Amiet method and measurement

空風(fēng)洞實測結(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 方法對于空風(fēng)洞聲源漂移量的預(yù)測可以達(dá)到較高精度，前后聲源誤差率僅分別為1.3%和-0.4%.實際流場實測結(jié)果聲源漂移量前后聲源差異較大，后部聲源漂移試驗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)測值和試驗值均為0.238 m，誤差率0.1%是因預(yù)測值有效位數(shù)的顯示引起；而車身表面后聲源處漂移量實測為0.295 m，Amiet 預(yù)測誤差率較大，達(dá)到了-17.6%，說明在后聲源處實際流場對聲傳播路線影響較空風(fēng)洞流場有較大區(qū)別，Amiet 方法已不能很好地預(yù)測聲漂移.

為定量分析不同流場條件對分層法聲漂移量預(yù)測的影響，給出空風(fēng)洞流場、僅考慮汽車?yán)@流、僅考慮剪切層外擴(kuò)、實際流場條件下，采用分層修正預(yù)測結(jié)果并與試驗測量進(jìn)行比較，如圖10 所示.

圖10 不同方法和流場條件預(yù)測車身表面聲漂移量及誤差率Fig.10 Sound drift quantities and error rates of vehicle body predicted by different methods under different flow field conditions

對于車表前聲源漂移量的修正，各種預(yù)測方法得到的結(jié)果整體相近，誤差均小于3%.值得注意的是，僅考慮汽車?yán)@流場的誤差為-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.

對車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.考慮實際流場，計入汽車?yán)@流場和剪切層外擴(kuò)的影響后，預(yù)測精度都有明顯提高，而綜合考慮兩者影響后，預(yù)測精度更是大幅提高，誤差僅為Amiet 修正的1/3.可見汽車后方繞流場和剪切層外擴(kuò)疊加影響對聲漂移量影響更為顯著.

4 結(jié)論

通過對3 種流場的分析和各流場條件下采用兩種方法對聲漂移量的預(yù)測和試驗驗證，得到以下結(jié)論：

1）實際風(fēng)洞流場在勢流核心區(qū)融合了汽車?yán)@流場，車體表面附近速度場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)車身前后聲傳播規(guī)律有所不同，聲漂移增量在車側(cè)方從前至后有由負(fù)到正的上升趨勢.

2）由于車輛對流場的阻塞作用，實際流場剪切層較空風(fēng)洞流場有明顯外擴(kuò)，尤其剪切層內(nèi)邊界外擴(kuò)更為顯著，使實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 方法未計入實際流場影響，對車表后聲源漂移量預(yù)測誤差較大.采用分層模型并考慮上述流場影響因素后，預(yù)測精度改善明顯，可在風(fēng)洞測試中對現(xiàn)有修正方法進(jìn)行改進(jìn).