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中汽中心氣動聲學風洞先進設備 (三) 聲學處理系統(tǒng) Acoustic Treatment System

2020-03-21 14:44:49·  來源：中汽中心空氣動力學實驗室  
　
圖1CATAR-AAWT 駐室大廳噪聲是影響汽車舒適性的重要因素，當行駛速度超過100km/h時，汽車噪聲重要構(gòu)成部分中的風噪聲的影響越來越顯著。風噪聲與車輛外形及其密
 
圖1 © CATAR-AAWT 駐室大廳
噪聲是影響汽車舒適性的重要因素，當行駛速度超過100km/h時，汽車噪聲重要構(gòu)成部分中的風噪聲的影響越來越顯著。風噪聲與車輛外形及其密封有著密切的關系，而氣動-聲學風洞（AAWT）是檢查并解決風噪聲問題行之有效的測試設備。通過風洞中的氣動聲學試驗，精確地測量出氣動噪聲產(chǎn)生的區(qū)域，并獲得噪聲頻譜和強度的空間分布，可以為噪聲控制提供指導和技術支持。
 
在風洞試驗中，汽車處于風洞流場之中，風機運轉(zhuǎn)、氣流流動、射流剪切層等都會影響風洞的背景噪聲，繼而對噪聲的測量和識別結(jié)果產(chǎn)生干擾。為獲得準確可靠的汽車氣動聲學試驗數(shù)據(jù)，首先要保證氣動-聲學風洞試驗室本身足夠“安靜”，滿足風洞背景噪聲不對氣動聲學準確測量產(chǎn)生干擾的要求，這也是為什么各大聲學風洞設計商、研究機構(gòu)絞盡腦汁為風洞進行“降噪”處理的原因。
 
中汽中心氣動-聲學風洞（CATARC-AAWT）在對聲學處理方案進行嚴格的論證基礎上，確定了聲學風洞各部分的聲學處理措施，開展風洞的噪聲控制設計，并在制造、安裝、測試過程中嚴格把控，全過程中對“降噪”效果精益求精。
1.  主風機系統(tǒng)
作為整個風洞流場的動力來源，主風機是風洞回路最大的噪聲源。根據(jù)噪聲控制原理從“聲源-傳播路徑-接受點”降噪的原則，主風機噪聲源處降噪是整個聲學風洞系統(tǒng)中低噪聲控制最核心和最有效率的部分。為降低試驗段的噪聲，絕大部分精力將用于思考如何減少風機所產(chǎn)生的噪聲。只有當風機產(chǎn)生的噪聲降低到非常低的水平時，考慮其他噪聲源才能變得有意義。
風機的消聲處理包括入口消聲、鼻椎消聲、出口消聲和尾椎消聲幾個部分（圖2）。通過對現(xiàn)有風洞風機的測量以及仿真的結(jié)果，獲得了風洞中所采用風機的典型噪聲頻譜曲線（圖3），從所獲得的頻譜曲線中可以看出，風機噪聲的主要能量集中在中低頻部分，在1000Hz以下的聲功率級在100dB以上，而100Hz以下頻率的聲功率級一般在120dB以上。因此，結(jié)合整體風洞本底噪聲的設計控制要求，確定了風機系統(tǒng)的降噪在50~500Hz范圍內(nèi)的是關鍵和核心部分，并且需要在低至25Hz的頻段開始就能得到有效的減低。針對這一要求， CATARC-AAWT在風機消聲結(jié)構(gòu)設計上進行了仔細和深入的研究。
 
圖2 風機消聲處理區(qū)域示意圖
 
圖3 典型風機的噪聲頻譜曲線（廠家提供）
風機消聲設計中考慮到風機處的流動速度相對較高（約為測試段速度的60%），為了避免顯著的壓力損失，風機段消聲處理系統(tǒng)與風機殼體集成在一起。并在殼體的肋板之間填充了吸聲棉，最大限度的限制了風機位置的噪聲傳播。圖4中展示了消聲處理完成后的風機鼻椎和進口過渡段，圖5為消聲處理完成后的風機出口尾椎和擴壓段。
 
圖4 © CATAR-AAWT風機鼻椎和進口過渡段
 
圖5 © CATAR-AAWT風機尾椎和出口擴壓段
 
2.  拐角導流葉片
風洞拐角處的導流葉片的設計既要保證導流片外形的設計滿足降低氣流阻力損失的要求，又要進一步有效消除流道中來自風機的噪聲，還要做到有效抑制拐角導流片內(nèi)由于氣流速度的提升引起的氣流再生噪聲。為此，CATARC-AAWT的拐角導流片設計中開展以下幾方面的研究和設計：
外形優(yōu)化和模塊化設計： 根據(jù)流道空氣動力學，對拐角處導流片的翼型輪廓、截面形狀以及尺寸進行了細致的優(yōu)化。同時，為了提高制造的精度，保證優(yōu)化設計的效果，拐角導流片采用了模塊化設計和制造的方式，確保了導流片每一個部件的加工精度達到最高要求。
拐角消聲降噪設計： 拐角導流片厚度以及間距設計中，除了滿足空氣動力學要求外，還充分考慮了消聲降噪的要求。針對風機噪聲頻譜低頻成分比較豐富的特點，CATARC-AAWT選擇較厚的翼型輪廓，并在翼型的葉片之中填充吸聲材料。填充的吸聲材料以及護面材料等都經(jīng)過細致的驗證測試，確保了材料良好的吸聲性能，以及護面材料優(yōu)秀的透聲性能（圖6）。
 
圖6 拐角導流片吸聲護面材料透聲性能驗證
拐角氣流噪聲的抑制：拐角流道內(nèi)的氣流速度較高，對氣流噪聲的抑制采用模塊化設計提高導流片的制造精度和表面整度，結(jié)合導流片外形優(yōu)化，達到了良好的效果。
以上這些綜合措施的采用，為風洞氣動和聲學性能均帶來了非常好的效果。圖7為CATARC-AAWT拐角導流片安裝完成的照片。
 
圖7 © CATARC-AAWT拐角位置導流葉片
 
3.  流道消聲處理
在整個風洞的消聲處理環(huán)境中，流道內(nèi)的消聲也是其中重要的部分。流道消聲對材料厚度有一定的限制，并且消聲降噪的主要頻率范圍需要針對風機和流道內(nèi)的低頻噪聲部分。在根據(jù)風洞總體聲學指標和駐室本底噪聲控制要求的基礎上，提出了流道內(nèi)吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能設計要求，確定了采用低頻符合共振吸聲結(jié)構(gòu)BCA300作為流道吸聲結(jié)構(gòu)，并結(jié)合流道內(nèi)聲場的模態(tài)，進行了BCA300的布置設計。
 
圖8 流道BCA300吸聲結(jié)構(gòu)吸聲測試結(jié)果
圖8中給出了所設計的流道吸聲結(jié)構(gòu)BCA300在中國建筑科學研究院混響室進行性能驗證測試的結(jié)果，以及加覆纖維護面布對結(jié)構(gòu)吸聲性能的影響。
 
圖9 © CATARC-AAWT流道消聲處理
圖9是CATARC-AAWT流道內(nèi)墻面的消聲處理情況。
4.  熱交換器、蜂窩整流器和整流網(wǎng)
如果熱交換器產(chǎn)生的渦流與流道內(nèi)的駐波產(chǎn)生耦合，就會形成共振而形成顯著的單調(diào)音，對風洞的性能產(chǎn)生影響。通常熱交換器位置的風速較低，產(chǎn)生的幾率比較小，但是設計中為了防止在某種試驗工況中出現(xiàn)意外的共振，設計中進行了聲學處理，以對該區(qū)域的意外共振作好提前“預防”措施。圖10中給出了 CATARC-AAWT熱交換器結(jié)果效果圖。
 
圖10 © CATARC-AAWT熱交換器結(jié)果效果圖
此外，蜂窩整流器（圖11）和整流網(wǎng)的自噪聲通常很低，但由于距離測試段較近，疊加的噪聲效果也會對試驗產(chǎn)生一定的干擾。故在設計時也需要考慮各自尺寸與形狀對噪聲的影響。其中針對整流網(wǎng)，CATARC-AAWT采用無拼接的整張整流網(wǎng)生產(chǎn)和安裝工藝，確保整流網(wǎng)不會受焊接品質(zhì)而影響聲學性能。
 
圖11 © CATARC-AAWT蜂窩整流器
 
5.  噴口和收集口
CATARC-AAWT的噴口和收集口也都全部進行消聲處理，以減少自噪聲對測試結(jié)果的影響。圖12為收集口消聲處理的效果。
 
圖12 © CATAR-AAWT收集口和聲學陣列提升門
 
6.  駐室大廳
聲學風洞的駐室大廳相當于一間整車半消聲室，四周墻面和頂面滿布吸聲結(jié)構(gòu)，使房間內(nèi)地面以上的半空間內(nèi)，成為聲反射幾乎可忽略的半自由聲場。CATARC-AAWT的駐室大廳（圖1、圖12），除地面，其他大部分界面均布置如圖13所示的一定厚度的寬頻帶復合吸聲器（BCA），來降低駐室大廳的背景噪聲，并確保在各種試驗工況下能夠提供半自由場空間的低噪聲測試環(huán)境。
 
圖13 BCA吸聲構(gòu)件與管道、燈具結(jié)合示意圖
其具備的優(yōu)勢為：
  • 截止頻率向低頻擴展，設計值低至50Hz。
  • 因內(nèi)部共振板的巧妙處理，吸聲材料的厚度不因低頻截止頻率的降低而加厚，節(jié)省體積。
  • 無礦物性纖維，工作環(huán)境中沒有纖維飛揚；有利工作人員的健康；有利機器設備的清潔。
  • 組件式構(gòu)造，間距內(nèi)可安裝管線，整齊且美觀。
  • 由于是平面型結(jié)構(gòu)，所以可以將各種傳感器直接安裝在BCA 的表面上。
CATARC-AAWT的試驗段還配有3D聲學陣列系統(tǒng)以及起重機，可分別沿軌道移動到駐室大廳的試驗位置。當無需使用時，可分別移進聲學陣列儲藏室和起重機儲藏室，并將相應的提升門關閉。這些位置的提升門（聲學陣列提升門參考圖12）以及相關軌道（圖14）都已進行消聲處理，以保證駐室大廳的聲學指標。
此外，對控制間和觀察室的觀察窗前面的吸聲材料均采用隱藏式電動垂直升降方式（隱藏在圖14玻璃窗的上頂部）。
 
圖14 © CATAR-AAWT駐室大廳內(nèi)軌道和隱藏式觀察窗提升門
 
7.  CATARC-AAWT聲學指標
CATARC-AAWT通過精心設計的流道以及各個位置充分的聲學處理，預期流場指標及聲學指標均可達到國際一流水平，今后可以為各大主機廠等風洞需求單位提供最先進的試驗設備、優(yōu)越的試驗條件以及最優(yōu)質(zhì)的咨詢服務。
其中聲學指標如下：
 
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