汽車風洞實際流場對聲源識別的干擾與修正

沈哲 余昊晟 王勇 彭里奇 楊志剛

摘 ? 要：為了提高汽車風洞外場聲源識別精度，對因實際流場與空風洞之間區別產生的偏差進行分析.關注汽車繞流場與射流剪切層的速度分布，分別對車輛所在自由空間、空風洞與帶實際車輛的風洞3種流場進行數值仿真及試驗驗證. 通過無限薄剪切層及實際流場分層聲傳播模型，預測有無車輛兩種風洞狀態下的聲漂移量，并與實際整車聲學風洞聲傳播試驗結果進行比較. 結果表明，放入車輛后，風洞勢流核心區因受汽車阻塞而流場速度分布不均勻，進而剪切層區域流場受到汽車繞流場干擾而外擴. 進行實際流場分層修正后，車表后方聲源漂移結果精度大幅提高，能有效提高實際風洞外場聲源識別精度.

關鍵詞：車輛噪聲測量;風洞;阻塞效應;聲源漂移

中圖分類號：U467.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：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

?整車聲學風洞是氣動噪聲研究的關鍵設施，開口式聲學風洞中氣動噪聲源及其聲傳播特性是實驗測量的重要內容之一. 汽車產生的外噪聲在向遠場傳播的過程中，受風洞流場影響，其傳播的路徑發生改變，產生聲漂移現象[1]. 風洞中汽車繞流場和射流剪切層相互干擾，實際流場與空風洞流場及汽車在自由空間流場不一致，進一步改變了聲傳播路徑. 因此，汽車風洞實際流場的存在導致的復雜聲漂移成為準確了解汽車氣動噪聲源的重要技術障礙，有必要解決.

關于射流剪切層聲傳播的研究，最為經典的是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性推導，奠定了幾何聲學研究剪切層聲折射的基礎. 近年來相關研究多為對Amiet理論剪切層修正和改進. 文獻[3-5]在Amiet理論基礎上，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行修正. 關于車輛繞流場對聲傳播的影響的文獻較少. 在汽車風洞測試中，車輛的阻塞效應會對風洞流場產生影響[9-10]. 王毅剛等[11]在推導聲漂移問題時加入了汽車繞流場的影響，但并未考慮空風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風洞與真實車輛為研究對象，利用數值計算手段得到流場特性，分析帶有真實車輛的風洞流場與自由空間車輛繞流場、空風洞流場的區別，建立汽車聲學風洞中完整的聲勢流核心區到剪切層區再到遠場流動區的傳播模型，利用整車氣動聲學風洞與相應車輛進行了聲源傳播試驗，對所提出模型進行驗證，以期為汽車風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?? 聲漂移現象產生機理

在開放式消聲風洞中進行聲學測量時，傳聲器位于勢流核心區外部、消聲室內的遠場環境中[12]. 這意味著描述離開勢流核心區的聲傳播的射線路徑將在到達傳聲器之前穿過剪切層. 剪切層為勢流核心區和遠場流動區間的流體層，在垂直于平均流向的方向上存在速度梯度. 聲傳播路徑受到風洞流場的影響將發生折射，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，即聲漂移現象. 為了得到實際聲源的準確位置，需要進行聲漂移修正.

根據幾何聲學原理[1]，聲經過兩種不同介質的邊界時，沿邊界方向聲傳播的速度是連續的. 聲波速度由介質內的固有聲速和流體速度組成，在邊界兩側聲速相等.

在低馬赫數、單一介質流場中，流場中聲速均為 C，θ′

1和θ′

2表示剪切層流體靜止時聲傳播的角度，θ1和θ2表示聲實際傳播經過的角度，介質邊界兩側速度分別為U2、U2，馬赫數分別為M1、M2，如圖1所示，根據Snell聲折射定理[13]：

-? = M1 - M2???????? （1）

第k層中實際傳播角θk與靜止空氣聲傳播角θ′

k的關系可以用波對流關系式給出：

θk = tan-1??????? （2）

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

d = l1（cot θ2 - cot θ1）????? （3）

1.2?? 改進修正方法

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測剪切層對聲傳播的影響，遠離噴口位置誤差相對較大. 此外，剪切層以內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當考慮.

分層模型[6]將流場分割成n層平行層的方法，對Amiet修正模型進行優化，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）

分層法使用的流場速度分布更接近實際情況，對聲漂移量的預測更為精準.

1.2.2?? 多線修正

單線模型認為流場分層后，各層內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. 例如風洞流場，距離噴口越遠，剪切層厚度越厚，同時勢流核心區受到外部流場侵蝕，范圍越來越小. 多線模型[8]根據流場各處實際流速分布，通過上述聲折射原理，推導聲傳播路徑. 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，得到的聲漂移量預測結果更為準確. 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?? 風洞流場分析

2.1?? 汽車風洞流場3種情況

2.1.1?? 數值風洞流場（自由空間）

根據相對運動關系，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，在數值模擬中通常采用自由空間流場模型，將車輛數模放置在足夠大的計算域中，地面和車體表面設置為壁面，入口設置為均勻來流，出口設置為壓力出口，其余流場邊界設置為對稱面. 通過上述設置可以準確地模擬車輛與周圍流場的相對運動情況.

2.1.2?? 空風洞流場

汽車風洞作為模擬車輛實際道路行駛的試驗設施，其流場固有特性十分重要，實際3/4開口式風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即測試區域、遠離流動的遠場靜止區以及兩者之間的剪切層區域. 除了地面效應之外，風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（帶汽車的風洞）

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

2.2?? 流場仿真與驗證

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

汽車風洞實際流場幾何建模立足于氣動聲學風洞實際結構和尺寸，由收縮段、試驗段、收集口、擴散段等組成，并在試驗段實際測試位置加入車輛數模. 以噴口平面、風洞中心對稱面、地面三者交點作為x、y、z方向的原點，建立模型，如圖3所示.

網格方面，先使用hypermesh劃分面網格，再用面網格生成體網格. 面網格及體網格分別采用三角形網格和四面體網格. 網格劃分過程中，優先保證汽車繞流場、剪切層等影響聲傳播位置的網格密度. 風洞網格最大尺寸為200 mm，車身附近等關鍵位置最大尺寸25 mm. 在噴口內邊沿、地面和汽車表面設置邊界層網格，前兩者和汽車表面第一層邊界層網格厚度分別為1.6 mm和0.8 mm，增長率為1.1，共8層邊界層網格.

數值仿真使用Fluent軟件進行. 具體參數設置為：入口類型選擇為速度入口，數值根據收縮比確定，設為4.876 m/s，以獲得噴口處30 m/s的速度，與實際風洞測試一致，同時湍流強度設置為1%，湍動黏性比設置為10，也與實際風洞保持一致;出口類型設為out-flow;壓力平衡口設為inlet-vent;其他全部設置為壁面wall. 湍流模型選擇k-epsilon，壁面函數選擇非平衡壁面函數，求解器選擇SIMPLEC求解器.

在另外兩種流場的數值模擬中，風洞流場幾何模型不包括車輛數模，帶車輛的自由空間流場幾何模型計算區域尺寸分別為汽車長寬高的10倍、5倍、5倍. 兩者的其他設置，如在網格劃分方法及湍流模型、數值格式等，與汽車風洞實際流場模型保持一致. 空風洞流場、車輛在自由空間流場和帶汽車的風洞流場的總網格數分別為3 800萬、6 800萬和6 500萬. 由于本文主要關注宏觀速度場對聲傳播的影響，局部流場的細微誤差可忽略，上述量級的網格獲得的仿真結果精度完全能滿足后續分析的要求.

在完成數值仿真后，首先對仿真結果的準確性進行驗證. 將空風洞剪切層位置風速仿真結果與熱線風速儀測量結果進行對比，如圖4所示. 試驗結果與仿真結果在整個剪切層區域吻合程度都很高，可以認為仿真結果與實際流場較為一致.

2.3?? 速度場特性比較

由于聲傳播方向改變是由波對流產生，主要受流體速度影響，以下僅分析速度場. 此外，風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（x = 3.9 m）到車輛C柱位置（x = 5.5 m）是車輛側面重要氣動噪聲源的主要所在區域，同時避免地面反射對聲源測量的影響，重點分析高度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.

由圖5可見，在空風洞和實際風洞流場中，以噴口內邊沿為起點，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，可見流速在該區域基本呈線性遞減分布，為了方便后續分析，定義射流剪切層為速度分布在來流速度10%～90%的區域. 即速度3 m/s為剪切層外邊界，速度27 m/s為剪切層內邊界，即圖6中豎直虛線分割位置. 此外，剪切層內邊界內側為勢流核心區區域，剪切層外側外部為遠場流動區.

關于自由空間和實際風洞流場，可以看到勢流核心區的流場與自由空間流場流速分布幾乎一致，由內向外直到風洞射流剪切層內邊界附近，兩者速度才出現明顯分化，說明汽車風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繞流場附近基本相同，以下分析僅給出實際流場的勢流核心區結果.

2.3.2?? 勢流核心區

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

在上述速度波動區域，氣流速度變化較大，會對聲傳播路徑產生較大影響. 這里取距車身對稱面y坐標范圍-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;在距離噴口2.95 m，接近前擋風玻璃處，氣流受到車身阻塞效應影響，流速有所增大;在距離噴口3.9 m處，即后視鏡后區域，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，此影響越小. 在距離車身表面較遠處，各處氣流速度趨于一致.

2.3.3?? 剪切層區域

為分析車輛放入后對風洞原始流場的影響，根據上述定義的剪切層邊界位置，比較空風洞和實際流場兩者的差別，如圖8所示. 可見空風洞剪切層邊界位置與離噴口距離呈現良好的線性關系. 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洞剪切層內邊界影響更大，使剪切層內邊界向外偏移最大達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生不規則波動，呈線性下降.

3?? 聲漂移量試驗與預測分析

3.1?? 聲傳播試驗

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160 km/h風速下低于61 dB（A）.

為了得到汽車風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，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聲器，高度距離地面1.1 m，與數值仿真設置相一致，如圖9（a）所示.

為了得到空風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，經數值仿真驗證，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.

試驗采用相位傳聲器陣列聲源識別系統進行測量，具體參數如下：陣列尺寸為1.8 m × 1.8 m，通道數120;傳感器采用陣列專用1/4英寸壓力型傳聲器;數據采集系統為120通道高精度數采，單通道最大采樣頻率為192 kHz;分析系統為基于波束成型技術的聲源識別軟件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?? 預測方法與設置

本文給出不同方法和流場條件對聲漂移量預測值的影響，包括帶擴散角修正的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位置參數與實際測量保持完全一致.

在帶擴散角Amiet無限薄剪切層方法中，將剪切層起點位置設為噴口壁面處，即y = -3.27 m，擴散角為2°，取剪切層內側速度為設置的試驗風速30 m/s，剪切層外側速度為0 m/s.

空風洞分層法和實際流場分層法分別取空風洞流場和實際流場仿真結果，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，每層流場內部視為勻速.

為了分析實際流場中汽車繞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流場條件：1）僅考慮汽車繞流場影響的流場，設置為將空風洞情況下的剪切層內邊界內的流場速度替換為實際風洞剪切層內的流場速度. 2）僅考慮剪切層外擴影響的流場，設置為將實際流場情況下剪切層內邊界內的流場替換速度為30 m/s的均勻流場.

3.3?? 結果分析

首先給出帶擴散角的Amiet方法的預測結果與兩種流場狀態測量結果的比較，如表1所示. 翼型聲源測量可代表空風洞狀態，車表聲源測量代表實際流場狀態.

空風洞實測結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散角引起的. 使用帶擴散角修正后Amiet方法對于空風洞聲源漂移量的預測可以達到較高精度，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，預測值和試驗值均為0.238 m，誤差率0.1%是因預測值有效位數的顯示引起;而車身表面后聲源處漂移量實測為0.295 m，Amiet預測誤差率較大，達到了-17.6%，說明在后聲源處實際流場對聲傳播路線影響較空風洞流場有較大區別，Amiet方法已不能很好地預測聲漂移.

為定量分析不同流場條件對分層法聲漂移量預測的影響，給出空風洞流場、僅考慮汽車繞流、僅考慮剪切層外擴、實際流場條件下，采用分層修正預測結果并與試驗測量進行比較，如圖10所示.

對于車表前聲源漂移量的修正，各種預測方法得到的結果整體相近，誤差均小于3%. 值得注意的是，僅考慮汽車繞流場的誤差為-3.0%，是由后視鏡外側較大的逆向速度梯度產生的;僅考慮剪切層外擴誤差為1.1%，兩者疊加會導致誤差正負抵消，由此Amiet方法所得到結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，而使用空風洞分層法精度則略有提高. 考慮實際流場，計入汽車繞流場和剪切層外擴的影響后，預測精度都有明顯提高，而綜合考慮兩者影響后，預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疊加影響對聲漂移量影響更為顯著.

4?? 結?? 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測和試驗驗證，得到以下結論：

1）實際風洞流場在勢流核心區融合了汽車繞流場，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-再附著區域最為明顯，沿流向逐漸減弱. 因此繞流區車身前后聲傳播規律有所不同，聲漂移增量在車側方從前至后有由負到正的上升趨勢.

2）由于車輛對流場的阻塞作用，實際流場剪切層較空風洞流場有明顯外擴，尤其剪切層內邊界外擴更為顯著，使實際聲源至剪切層的距離增加，聲漂移量隨之變大.

3）帶擴散角Amiet方法未計入實際流場影響，對車表后聲源漂移量預測誤差較大. 采用分層模型并考慮上述流場影響因素后，預測精度改善明顯，可在風洞測試中對現有修正方法進行改進.

參考文獻

[1]??? AMIET R K. Correction of open jet wind tunnel measurements for shear layer refraction[C]// AIAA 2nd Aeroacoustics Conference. Hampton：AIAA，1975：1—10.

[2]?? AMIET R K. Refraction of sound by a shear layer[J]. Journal of Sound and Vibration，1978，58（4）：467—482.

[3]?? PORTEOUS R，GEYER T，MOREAU D J，et al. A correction method for acoustic source localization in convex shear layer geometries[J]. Applied Acoustics，2018，130：128—132.

[4]??? 張俊龍，李征初，盧翔宇. 開口風洞剪切層對傳聲器及其陣列測量影響試驗研究[J]. 實驗流體力學，2018，32（1）：71—77.

ZHANG J L，LI Z C，LU X Y. Experimental research on the influence of open jet shear layer on microphone and microphone array measurement[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2018，32（1）：71—77. （In Chinese）

[5]?? WANG L C，CHEN R Q，YOU Y C，et al. A unified correction method for the acoustic refraction （UCMAR）caused by a three dimensional shear layer[J]. Acta Acustica United with Acustica，2019，105（5）：732—742.

[6]??? WANG Y G，YANG J S，YANG Y，et al. The effects of the jet-flow on sound propagation in low-speed wind tunnel[J]. Applied Mechanics and Materials，2012，226/227/228：368—373.

[7]??? 沈哲，王毅剛，楊志剛，等. 基于剪切層扇形分層模型的射流聲傳播分析[J]. 同濟大學學報（自然科學版），2017，45（4）：596—601.

SHEN Z，WANG Y G，YANG Z G，et al. Acoustic propagation analysis of jet flow based on stratified fan-shaped shear layer model[J]. Journal of Tongji University （Natural Science），2017，45（4）：596—601. （In Chinese）

[8]??? SARRADJ E. A fast ray casting method for sound refraction at shear layers[J]. International Journal of Aeroacoustics，2016，16（1）：1475472X1668046.

[9]??? 龐加斌，劉曉暉，陳力，等. 汽車風洞試驗中的雷諾數、阻塞和邊界層效應問題綜述[J]. 汽車工程，2009，31（7）：609—615.

PANG J B，LIU X H，CHEN L，et al. A review on Reynolds number，blockage and boundary layer effects in automotive wind tunnel tests[J]. Automotive Engineering，2009，31（7）：609—615. （In Chinese）

[10]? SODERBLOM D，ELOFSSON P，ANN H. Numerical investigation of blockage effects on heavy trucks in full scale test conditions[C]// SAE World Congress & Exhibition 2016. Warrendale：SAE International，2016：1—14.

[11]? 王毅剛，李方旭，沈哲，等. 風洞射流和汽車繞流對聲傳播的影響[J]. 聲學技術，2017，36（1）：57—63.

WANG Y G，LI F X，SHEN Z，et al. The influences of wind tunnel jet flow and airflow around vehicle on sound propagation[J]. Technical Acoustics，2017，36（1）：57—63. （In Chinese）

[12]? WEI L，LI M，QIN S，et al. Sound source localization method in an environment with flow based on Amiet-IMACS[J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2017，88：240—252.

[13]? CRIGHTON D G，DOWLING A P，WILLIAMS F. Modern methods in analytical acoustics lecture notes[M]. Berlin：Springer，1996：527—530.

收稿日期：2021-01-07

基金項目：汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室開放基金項目（NVHSKL-202003），State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology Open Fund Project（NVHSKL-202003）;上海市重點實驗室項目（18DZ2273300），Shanghai Key Laboratory Project（18DZ2273300）

作者簡介：沈哲（1983—），男，江蘇蘇州人，同濟大學在站博士后，工學博士

通信聯系人，E-mail：zhe.shen@sawtc.com