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中汽中心气动声学风洞先进设备 (三) 声学处理系统 Acoustic Treatment System
2020-03-21 14:44:49· 来源：中汽中心空气动力学实验室
图1CATAR-AAWT 驻室大厅噪声是影响汽车舒适性的重要因素，当行驶速度超过100km/h时，汽车噪声重要构成部分中的风噪声的影响越来越显著。风噪声与车辆外形及其密
图1 © CATAR-AAWT 驻室大厅
噪声是影响汽车舒适性的重要因素，当行驶速度超过100km/h时，汽车噪声重要构成部分中的风噪声的影响越来越显著。风噪声与车辆外形及其密封有着密切的关系，而气动-声学风洞（AAWT）是检查并解决风噪声问题行之有效的测试设备。通过风洞中的气动声学试验，精确地测量出气动噪声产生的区域，并获得噪声频谱和强度的空间分布，可以为噪声控制提供指导和技术支持。
在风洞试验中，汽车处于风洞流场之中，风机运转、气流流动、射流剪切层等都会影响风洞的背景噪声，继而对噪声的测量和识别结果产生干扰。为获得准确可靠的汽车气动声学试验数据，首先要保证气动-声学风洞试验室本身足够“安静”，满足风洞背景噪声不对气动声学准确测量产生干扰的要求，这也是为什么各大声学风洞设计商、研究机构绞尽脑汁为风洞进行“降噪”处理的原因。
中汽中心气动-声学风洞（CATARC-AAWT）在对声学处理方案进行严格的论证基础上，确定了声学风洞各部分的声学处理措施，开展风洞的噪声控制设计，并在制造、安装、测试过程中严格把控，全过程中对“降噪”效果精益求精。
1. 主风机系统
作为整个风洞流场的动力来源，主风机是风洞回路最大的噪声源。根据噪声控制原理从“声源-传播路径-接受点”降噪的原则，主风机噪声源处降噪是整个声学风洞系统中低噪声控制最核心和最有效率的部分。为降低试验段的噪声，绝大部分精力将用于思考如何减少风机所产生的噪声。只有当风机产生的噪声降低到非常低的水平时，考虑其他噪声源才能变得有意义。
风机的消声处理包括入口消声、鼻椎消声、出口消声和尾椎消声几个部分（图2）。通过对现有风洞风机的测量以及仿真的结果，获得了风洞中所采用风机的典型噪声频谱曲线（图3），从所获得的频谱曲线中可以看出，风机噪声的主要能量集中在中低频部分，在1000Hz以下的声功率级在100dB以上，而100Hz以下频率的声功率级一般在120dB以上。因此，结合整体风洞本底噪声的设计控制要求，确定了风机系统的降噪在50~500Hz范围内的是关键和核心部分，并且需要在低至25Hz的频段开始就能得到有效的减低。针对这一要求， CATARC-AAWT在风机消声结构设计上进行了仔细和深入的研究。
图2 风机消声处理区域示意图
图3 典型风机的噪声频谱曲线（厂家提供）
风机消声设计中考虑到风机处的流动速度相对较高（约为测试段速度的60%），为了避免显著的压力损失，风机段消声处理系统与风机壳体集成在一起。并在壳体的肋板之间填充了吸声棉，最大限度的限制了风机位置的噪声传播。图4中展示了消声处理完成后的风机鼻椎和进口过渡段，图5为消声处理完成后的风机出口尾椎和扩压段。
图4 © CATAR-AAWT风机鼻椎和进口过渡段
图5 © CATAR-AAWT风机尾椎和出口扩压段
2. 拐角导流叶片
风洞拐角处的导流叶片的设计既要保证导流片外形的设计满足降低气流阻力损失的要求，又要进一步有效消除流道中来自风机的噪声，还要做到有效抑制拐角导流片内由于气流速度的提升引起的气流再生噪声。为此，CATARC-AAWT的拐角导流片设计中开展以下几方面的研究和设计：
外形优化和模块化设计： 根据流道空气动力学，对拐角处导流片的翼型轮廓、截面形状以及尺寸进行了细致的优化。同时，为了提高制造的精度，保证优化设计的效果，拐角导流片采用了模块化设计和制造的方式，确保了导流片每一个部件的加工精度达到最高要求。
拐角消声降噪设计： 拐角导流片厚度以及间距设计中，除了满足空气动力学要求外，还充分考虑了消声降噪的要求。针对风机噪声频谱低频成分比较丰富的特点，CATARC-AAWT选择较厚的翼型轮廓，并在翼型的叶片之中填充吸声材料。填充的吸声材料以及护面材料等都经过细致的验证测试，确保了材料良好的吸声性能，以及护面材料优秀的透声性能（图6）。
图6 拐角导流片吸声护面材料透声性能验证
拐角气流噪声的抑制：拐角流道内的气流速度较高，对气流噪声的抑制采用模块化设计提高导流片的制造精度和表面整度，结合导流片外形优化，达到了良好的效果。
以上这些综合措施的采用，为风洞气动和声学性能均带来了非常好的效果。图7为CATARC-AAWT拐角导流片安装完成的照片。
图7 © CATARC-AAWT拐角位置导流叶片
3. 流道消声处理
在整个风洞的消声处理环境中，流道内的消声也是其中重要的部分。流道消声对材料厚度有一定的限制，并且消声降噪的主要频率范围需要针对风机和流道内的低频噪声部分。在根据风洞总体声学指标和驻室本底噪声控制要求的基础上，提出了流道内吸声结构的吸声性能设计要求，确定了采用低频符合共振吸声结构BCA300作为流道吸声结构，并结合流道内声场的模态，进行了BCA300的布置设计。
图8 流道BCA300吸声结构吸声测试结果
图8中给出了所设计的流道吸声结构BCA300在中国建筑科学研究院混响室进行性能验证测试的结果，以及加覆纤维护面布对结构吸声性能的影响。
图9 © CATARC-AAWT流道消声处理
图9是CATARC-AAWT流道内墙面的消声处理情况。
4. 热交换器、蜂窝整流器和整流网
如果热交换器产生的涡流与流道内的驻波产生耦合，就会形成共振而形成显著的单调音，对风洞的性能产生影响。通常热交换器位置的风速较低，产生的几率比较小，但是设计中为了防止在某种试验工况中出现意外的共振，设计中进行了声学处理，以对该区域的意外共振作好提前“预防”措施。图10中给出了 CATARC-AAWT热交换器结果效果图。
图10 © CATARC-AAWT热交换器结果效果图
此外，蜂窝整流器（图11）和整流网的自噪声通常很低，但由于距离测试段较近，叠加的噪声效果也会对试验产生一定的干扰。故在设计时也需要考虑各自尺寸与形状对噪声的影响。其中针对整流网，CATARC-AAWT采用无拼接的整张整流网生产和安装工艺，确保整流网不会受焊接品质而影响声学性能。
图11 © CATARC-AAWT蜂窝整流器
5. 喷口和收集口
CATARC-AAWT的喷口和收集口也都全部进行消声处理，以减少自噪声对测试结果的影响。图12为收集口消声处理的效果。
图12 © CATAR-AAWT收集口和声学阵列提升门
6. 驻室大厅
声学风洞的驻室大厅相当于一间整车半消声室，四周墙面和顶面满布吸声结构，使房间内地面以上的半空间内，成为声反射几乎可忽略的半自由声场。CATARC-AAWT的驻室大厅（图1、图12），除地面，其他大部分界面均布置如图13所示的一定厚度的宽频带复合吸声器（BCA），来降低驻室大厅的背景噪声，并确保在各种试验工况下能够提供半自由场空间的低噪声测试环境。
图13 BCA吸声构件与管道、灯具结合示意图
其具备的优势为：
- 截止频率向低频扩展，设计值低至50Hz。
- 因内部共振板的巧妙处理，吸声材料的厚度不因低频截止频率的降低而加厚，节省体积。
- 无矿物性纤维，工作环境中没有纤维飞扬；有利工作人员的健康；有利机器设备的清洁。
- 组件式构造，间距内可安装管线，整齐且美观。
- 由于是平面型结构，所以可以将各种传感器直接安装在BCA 的表面上。
CATARC-AAWT的试验段还配有3D声学阵列系统以及起重机，可分别沿轨道移动到驻室大厅的试验位置。当无需使用时，可分别移进声学阵列储藏室和起重机储藏室，并将相应的提升门关闭。这些位置的提升门（声学阵列提升门参考图12）以及相关轨道（图14）都已进行消声处理，以保证驻室大厅的声学指标。
此外，对控制间和观察室的观察窗前面的吸声材料均采用隐藏式电动垂直升降方式（隐藏在图14玻璃窗的上顶部）。
图14 © CATAR-AAWT驻室大厅内轨道和隐藏式观察窗提升门
7. CATARC-AAWT声学指标
CATARC-AAWT通过精心设计的流道以及各个位置充分的声学处理，预期流场指标及声学指标均可达到国际一流水平，今后可以为各大主机厂等风洞需求单位提供最先进的试验设备、优越的试验条件以及最优质的咨询服务。
其中声学指标如下：
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