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 上海地面交通工具風洞中心，上海 201804；2.同濟大學 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境模擬重點實驗室，上海 201804；4.北京民用飛機技術研究中心，北京102211）

氣動噪聲是交通工具艙內噪聲的重要組成部分，隨著近年來我國交通運輸行業的發展，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生，以壓力波的形式作用于車身表面，通過車體傳入車內。因此，車身表面的氣體壓力脈動是車內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]，也有用波數分解的方法[3]。數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，且計算過程復雜，需耗費大量的計算資源，結果的可靠性仍需試驗結果的驗證。本文基于傳統的壓力脈動測試技術——電容式聲壓測量，用濾網降低湍流壓力脈動，嘗試通過純物理測試技術的方法分離兩種壓力脈動，經過風洞試驗驗證，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別

雖然兩種壓力脈動都是由氣體的非定常運動產生的，均可由納維斯托克斯方程求解得到，但兩者區別明顯，主要體現在以下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個數量級。

（2）在空氣中的傳播：湍流壓力脈動傳播速度為當地對流速度，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地聲速，方向為空間各個方向，效率較高。

（3）穿透固體：壓力脈動向車內傳遞必然要穿過固體，車體類似空間濾波器，湍流壓力脈動波數較大，主要引起結構的振動向車內傳聲，穿透車體的能力較弱；聲壓脈動波數范圍較寬，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，有必要區分對待。

1.2 表面壓力脈動測試技術

1.2.1 概述

氣體中表面測壓技術主要有兩類，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注壓力脈動的情況下可采用此類技術。電容式傳聲器靈敏度高、頻響平直范圍大、動態范圍大，在工程技術領域被廣泛使用[5]。電容式傳聲器應用于流體壓力脈動測量時，需要比一般情況更大的動態范圍，以適應湍流壓力脈動的幅值。

1.2.2 嵌入式與表面傳聲器

測量固體表面壓力脈動應將傳聲器的膜片安裝至與被測目標表面平齊，以獲得準確結果。早期的做法是在模型內部開孔，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），安裝較為復雜且在小模型上無法使用。針對此情況，設備廠家開發了嵌入式傳聲器（Flush-Mount Microphone）和表面傳聲器（Surface 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構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傳聲器，如圖2所示。表面傳聲器輔以導流片，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，表面傳聲器是測量壓力脈動較高效便捷的技術方案。

圖2 表面傳聲器

1.2.3 濾網與傳聲器組合

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

安裝濾網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與僅有傳聲器的差異，由圖可知，從800～10 000 Hz湍流濾網都有降低壓力脈動的作用，尤其在車內氣動聲較為敏感的2 000～8 000 Hz頻率范圍內，湍流的壓力脈動下降達20 dB(A)左右。

圖3 湍流濾網與傳聲組合

圖4 濾網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削弱。根據這兩個特點，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傳聲器測量總壓力脈動，獲得以湍流壓力脈動為主的數據。

（2）用湍流濾網和傳聲器組合在同一位置重復測量，獲得以聲壓脈動為主的數據。

（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，需要注意的是濾網無法完全排除湍流壓力脈動的影響，同時濾網在氣流中將產生一定的額外氣動噪聲。

2 風洞試驗與結果

2.1 試驗介紹

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

試驗使用的測試設備為：HEADLab多通道數采系統；GRAS40LA高動態表面傳聲器；GRAS67TS嵌入式傳聲器+47BX湍流濾網。測點位于某列車模型轉向架裙板中間位置，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 測試結果

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

圖6是未使用揚聲器發聲，兩種測試技術測量得到壓力脈動的結果。從200 Hz起至10 000 Hz，濾網傳聲器組合測得壓力脈動均小于表面傳聲器，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，與設備廠商給出的結果趨勢是一致的。

圖6 無揚聲器測試結果

兩種測試技術差值不明顯的主要原因分析：低頻部分可能是濾網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，所以湍流濾網對測試結果影響較小。此外，在1 000 Hz和2 500 Hz附近頻譜有兩個小的峰值凸起，是由該點附近區域產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果，從圖7b中可明確觀察到，表面傳聲器、湍流濾網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聲的結果完全一致，揚聲器的聲壓信號被濾網傳聲器組合測量到。驗證了濾網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-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，可用于分析聲壓的特征頻率等。

圖7 揚聲器發聲測試結果

3 結論

本文通過表面傳聲器和湍流濾網-傳聲器組合兩種不同的測試技術分離湍流壓力脈動和聲壓脈動，經過風洞試驗驗證，得到以下結論：

（1）湍流濾網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）目前的試驗技術還不能夠完全分離兩種壓力脈動，對此應當進一步研究。