氣體湍流壓力與聲壓脈動的試驗分離方法

沈 哲，王毅剛，楊志剛,4

（1.同濟大學(xué) 上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804；2.同濟大學(xué) 機械工程博士后流動站，上海 201804；3.上海市地面交通工具空氣動力與熱環(huán)境模擬重點實驗室，上海 201804；4.北京民用飛機技術(shù)研究中心，北京102211）

氣動噪聲是交通工具艙內(nèi)噪聲的重要組成部分，隨著近年來我國交通運輸行業(yè)的發(fā)展，交通工具如汽車、列車提速明顯，氣動噪聲問題日漸凸顯。對于車體密封良好的車輛，氣動噪聲主要由車身周圍高速運動的氣動非定常運動產(chǎn)生，以壓力波的形式作用于車身表面，通過車體傳入車內(nèi)。因此，車身表面的氣體壓力脈動是車內(nèi)氣動噪聲的主要來源。

湍流中的壓力脈動可分為湍流壓力（Turbulent Pressure）和聲壓（Acoustic Pressure）兩種[1]，兩者在能量級、傳播方式、穿透車體隔聲的形式方面區(qū)別很大，采取的降噪措施也有很大不同。對兩種不同壓力脈動進行區(qū)分，在理論方面有采用互譜和相干分析的方法[2]，也有用波數(shù)分解的方法[3]。數(shù)值仿真時可在源頭上將兩者解耦，如使用包含聲擾動方程（Acoustic Perturbation Equation）的大渦模擬方法[4]，分別計算湍流壓力場和聲壓場。

通過以上理論或仿真方法分解兩種壓力脈動，其精度都有一定限制，且計算過程復(fù)雜，需耗費大量的計算資源，結(jié)果的可靠性仍需試驗結(jié)果的驗證。本文基于傳統(tǒng)的壓力脈動測試技術(shù)——電容式聲壓測量，用濾網(wǎng)降低湍流壓力脈動，嘗試通過純物理測試技術(shù)的方法分離兩種壓力脈動，經(jīng)過風(fēng)洞試驗驗證，取得了較為顯著的效果。

1 基本原理

1.1 兩種湍流壓力脈動的區(qū)別

雖然兩種壓力脈動都是由氣體的非定常運動產(chǎn)生的，均可由納維斯托克斯方程求解得到，但兩者區(qū)別明顯，主要體現(xiàn)在以下3個方面[2]。

（1）能量大小：湍流壓力脈動占總壓波動的絕大部分；聲壓脈動量值相對較小，通常比湍流壓力小2～3個數(shù)量級。

（2）在空氣中的傳播：湍流壓力脈動傳播速度為當(dāng)?shù)貙α魉俣?，方向為流動的下游，效率較低，且繞過障礙物的能力極弱；聲壓脈動傳播速度為當(dāng)?shù)芈曀伲较驗榭臻g各個方向，效率較高。

（3）穿透固體：壓力脈動向車內(nèi)傳遞必然要穿過固體，車體類似空間濾波器，湍流壓力脈動波數(shù)較大，主要引起結(jié)構(gòu)的振動向車內(nèi)傳聲，穿透車體的能力較弱；聲壓脈動波數(shù)范圍較寬，其中與車窗玻璃彎曲波固有頻率接近部分會引起玻璃彎曲變形，整體傳播效率較高。

兩種類型的氣體壓力脈動總結(jié)見表1。

表1 兩種壓力脈動的特點

通過以上比較，可見兩種壓力脈動在各方面差異明顯，有必要區(qū)分對待。

1.2 表面壓力脈動測試技術(shù)

1.2.1 概述

氣體中表面測壓技術(shù)主要有兩類，一類直接測量壓力，如壓力掃描閥，測量氣體總壓，對壓力的脈動部分敏感程度較低。另一類僅測量壓力的脈動部分，使用聲壓傳感器，對壓力脈動的捕捉靈敏，在研究氣動噪聲等僅關(guān)注壓力脈動的情況下可采用此類技術(shù)。電容式傳聲器靈敏度高、頻響平直范圍大、動態(tài)范圍大，在工程技術(shù)領(lǐng)域被廣泛使用[5]。電容式傳聲器應(yīng)用于流體壓力脈動測量時，需要比一般情況更大的動態(tài)范圍，以適應(yīng)湍流壓力脈動的幅值。

1.2.2 嵌入式與表面?zhèn)髀暺?/p>

測量固體表面壓力脈動應(yīng)將傳聲器的膜片安裝至與被測目標(biāo)表面平齊，以獲得準(zhǔn)確結(jié)果。早期的做法是在模型內(nèi)部開孔，將普通傳聲器嵌入即可。但普通傳聲器的前置放大器尺寸過大（1/2”傳聲器長度超過10 cm），安裝較為復(fù)雜且在小模型上無法使用。針對此情況，設(shè)備廠家開發(fā)了嵌入式傳聲器（Flush-Mount Microphone）和表面?zhèn)髀暺鳎⊿urface Microphone）用于表面壓力脈動的測量。

嵌入式傳聲器如圖1所示，前置放大器設(shè)計成粗短的圓柱以減少安裝空間，傳聲器極頭向上凸起，便于和原模型表面平齊。嵌入式傳聲器適用于板殼結(jié)構(gòu)的中空模型和表面能挖槽的油泥模型，但無法用于表面無法開孔槽的模型。

圖1 嵌入式電容傳聲器

得益于電子技術(shù)的進步，前置放大器小型化后和電容極頭整合封裝成薄片式的表面?zhèn)髀暺?，如圖2所示。表面?zhèn)髀暺鬏o以導(dǎo)流片，可直接粘貼在固體表面測量壓力脈動，避免打孔安裝，使用效率較高。針對表面無法開孔槽的模型，表面?zhèn)髀暺魇菧y量壓力脈動較高效便捷的技術(shù)方案。

圖2 表面?zhèn)髀暺?/p>

1.2.3 濾網(wǎng)與傳聲器組合

湍流壓力脈動繞過障礙物的能力較弱，因此，在通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時幅值會被削弱，而聲波穿過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時幾乎不受影響。根據(jù)以上原理，發(fā)展了湍流濾網(wǎng)（Turbulence Screen）分離氣流中聲壓的技術(shù)。湍流濾網(wǎng)與傳聲器組合測試設(shè)備如圖3所示，嵌入式傳聲器安裝在致密的金屬網(wǎng)后，通過安裝底座將兩者連接并保持設(shè)計間隙。

安裝濾網(wǎng)能較大程度地減少湍流壓力脈動，圖4是傳聲器廠家給出的安裝湍流濾網(wǎng)與僅有傳聲器的差異，由圖可知，從800～10 000 Hz湍流濾網(wǎng)都有降低壓力脈動的作用，尤其在車內(nèi)氣動聲較為敏感的2 000～8 000 Hz頻率范圍內(nèi)，湍流的壓力脈動下降達20 dB(A)左右。

圖3 湍流濾網(wǎng)與傳聲組合

圖4 濾網(wǎng)與傳聲器直接測量的理想差值

1.2.4 壓力脈動分離方法

如上所述，氣體中的壓力脈動有兩個特點：一是湍流壓力脈動幅值遠大于聲壓脈動；二是湍流壓力脈動可用濾網(wǎng)削弱。根據(jù)這兩個特點，可用以下方法分離湍流壓力脈動與聲壓脈動。

（1）用嵌入式傳聲器或表面?zhèn)髀暺鳒y量總壓力脈動，獲得以湍流壓力脈動為主的數(shù)據(jù)。

（2）用湍流濾網(wǎng)和傳聲器組合在同一位置重復(fù)測量，獲得以聲壓脈動為主的數(shù)據(jù)。

（3）對兩者進行比較分析，近似分離兩種壓力脈動。

使用此試驗方法分離兩種壓力脈動，需要注意的是濾網(wǎng)無法完全排除湍流壓力脈動的影響，同時濾網(wǎng)在氣流中將產(chǎn)生一定的額外氣動噪聲。

2 風(fēng)洞試驗與結(jié)果

2.1 試驗介紹

試驗在同濟大學(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)洞是3/4開口回流風(fēng)洞，噴口面積27 m2，試驗最大風(fēng)速可達250 km/h，背景噪聲水平在160 km/h風(fēng)速下低于61 dB(A)，各向湍流度均小于0.2%。

試驗使用的測試設(shè)備為：HEADLab多通道數(shù)采系統(tǒng)；GRAS40LA高動態(tài)表面?zhèn)髀暺鳎籊RAS67TS嵌入式傳聲器+47BX湍流濾網(wǎng)。測點位于某列車模型轉(zhuǎn)向架裙板中間位置，如圖5所示。兩種傳感器的測點位置完全一致。

圖5 傳感器測點與聲源位置

為確認壓力脈動分離的有效性，試驗中使用一個小型聲源，以確保此部分完全為聲壓脈動。此聲源為固定2 780 Hz單頻高幅值聲源，安裝在距測點0.5 m的地面上。

2.2 測試結(jié)果

本次試驗中風(fēng)速工況有27.8 m/s、34.7 m/s和41.7 m/s三種，因不同風(fēng)速下測試結(jié)果趨勢一致，在此僅給出27.8 m/s風(fēng)速下的測試結(jié)果。

圖6是未使用揚聲器發(fā)聲，兩種測試技術(shù)測量得到壓力脈動的結(jié)果。從200 Hz起至10 000 Hz，濾網(wǎng)傳聲器組合測得壓力脈動均小于表面?zhèn)髀暺?，中間頻率段差值最大，達20 dB(A)以上，而低頻和高頻段差值則逐漸減小，與設(shè)備廠商給出的結(jié)果趨勢是一致的。

圖6 無揚聲器測試結(jié)果

兩種測試技術(shù)差值不明顯的主要原因分析：低頻部分可能是濾網(wǎng)對低頻湍流壓力脈動的過濾效果不佳；高頻部分是在此頻率段聲壓信號能力較強，測量得到的是聲壓脈動信號，所以湍流濾網(wǎng)對測試結(jié)果影響較小。此外，在1 000 Hz和2 500 Hz附近頻譜有兩個小的峰值凸起，是由該點附近區(qū)域產(chǎn)生的氣動噪聲所引起的。

圖7是加入單頻聲源信號之后的測試結(jié)果，從圖7b中可明確觀察到，表面?zhèn)髀暺?、湍流濾網(wǎng)組合在有湍流流動的情況下測量得到的峰值，與靜止空氣下單揚聲器發(fā)聲的結(jié)果完全一致，揚聲器的聲壓信號被濾網(wǎng)傳聲器組合測量到。驗證了濾網(wǎng)僅降低湍流壓力脈動，對聲壓脈動無影響。

通過以上驗證，說明湍流濾網(wǎng)-傳聲器組合相對于傳聲器直接測量，包含的成分更多為聲壓脈動部分，尤其是在兩者幅值差別較大的中頻部分，可近似認為聲壓部分占主導(dǎo)，可用于分析聲壓的特征頻率等。

圖7 揚聲器發(fā)聲測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過表面?zhèn)髀暺骱屯牧鳛V網(wǎng)-傳聲器組合兩種不同的測試技術(shù)分離湍流壓力脈動和聲壓脈動，經(jīng)過風(fēng)洞試驗驗證，得到以下結(jié)論：

（1）湍流濾網(wǎng)能有效降低流體湍流壓力脈動，尤其在中頻部分可降低20 dB(A)以上，能夠找到部分聲壓脈動的特征峰值。

（2）目前的試驗技術(shù)還不能夠完全分離兩種壓力脈動，對此應(yīng)當(dāng)進一步研究。