摘要

后視鏡是車(chē)輛氣動(dòng)噪聲中一個(gè)被大家熟知的來(lái)源。在本項(xiàng)研究中，我們關(guān)注的是重型卡車(chē)的后視鏡，它們很大，通常在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有將重點(diǎn)放在氣動(dòng)聲學(xué)上，而且位于歐洲卡車(chē)垂直A柱上的一個(gè)難處理的位置上。我們?yōu)榱嗽O(shè)計(jì)出快速且經(jīng)濟(jì)有效的實(shí)驗(yàn)方法，開(kāi)發(fā)了一種定制車(chē)輛，其中動(dòng)力系統(tǒng)與駕駛室分離。這種車(chē)輛可以在標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試軌道上運(yùn)行。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，對(duì)風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后在后期處理中對(duì)所有變化進(jìn)行修正，求出一段時(shí)間的平均值。為了進(jìn)行鏡像測(cè)試，車(chē)門(mén)被特殊調(diào)整，以減少除側(cè)窗之外的其他傳輸路徑進(jìn)入駕駛室。此外，其他可能的空氣聲源也盡可能地減少，通過(guò)在后視鏡(尾流)和窗戶(hù)上的表面麥克風(fēng)監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的風(fēng)噪聲。此外，在駕駛室內(nèi)安裝麥克風(fēng)陣列，車(chē)窗上也安裝了測(cè)速計(jì)。首先，該方法是使用虛擬鏡評(píng)估，是一個(gè)斯特勞哈爾音調(diào)發(fā)生器，然后對(duì)實(shí)際的后視鏡進(jìn)行測(cè)試?？梢钥闯觯m然流體動(dòng)力湍流噪聲在窗口表面麥克風(fēng)處占主導(dǎo)地位，但駕駛室內(nèi)部實(shí)際聽(tīng)到的噪聲聲源是后視鏡與A柱周?chē)蛛x產(chǎn)生的并以聲速在窗口形成對(duì)流。

前言

如圖一所示，實(shí)驗(yàn)裝置是利用聲學(xué)攝像機(jī)捕捉歐洲重型卡車(chē)內(nèi)部的聲壓級(jí)(SPL)。主要的貢獻(xiàn)來(lái)自A柱周?chē)鷧^(qū)域和后視鏡。攝像頭顯然只能監(jiān)測(cè)駕駛室內(nèi)部的聲壓級(jí)，即經(jīng)過(guò)駕駛室結(jié)構(gòu)過(guò)濾后的風(fēng)噪聲。它不能告訴我們?nèi)魏侮P(guān)于源機(jī)制的信息。然而，最近的研究表明有兩種類(lèi)型的產(chǎn)生方式：

1.水動(dòng)力(不可壓縮)擾動(dòng)以平均流量級(jí)的速度對(duì)流。

2.聲波(可壓縮的)干擾以聲速對(duì)流。通常源自A柱和后視鏡周?chē)牧鞣蛛x。

盡管第一種有更高的振幅，但其傳播速度并不“匹配”由側(cè)玻璃給出的空間濾波器，僅在低頻時(shí)起顯著作用。之前的研究表明，乘用車(chē)的切截?cái)囝l率通常是500Hz左右。

這表明，圖1中看到的熱點(diǎn)應(yīng)該是由于A柱和后視鏡周?chē)牧鲃?dòng)分離造成的，從而產(chǎn)生了與偶極子對(duì)應(yīng)的波動(dòng)力。根據(jù)Curle對(duì)經(jīng)典的Lighthill聲學(xué)類(lèi)比的擴(kuò)展，將固體邊界包括在內(nèi)，來(lái)自此類(lèi)源的聲功率應(yīng)按比例計(jì)算為Wdi~U6。對(duì)于更高的速度，就像乘用車(chē)而不是卡車(chē)一樣，人們也會(huì)看到尾流中的湍流，對(duì)應(yīng)于四極型源Wquad~U8。這些著名的標(biāo)度定律假設(shè)聲源區(qū)域是緊湊的，也就是說(shuō)，物理尺寸比聲波長(zhǎng)小得多。這在我們將要研究的頻率范圍上部是不一致的，但至少在那里也可以作為一個(gè)很好的指導(dǎo)方針。由不可壓縮部分給出的壓力波動(dòng)的標(biāo)度不太為人所知，對(duì)于低頻，能量含量是由大規(guī)模的流動(dòng)分離給出的，很難推廣，它與幾何形狀有關(guān)。在微尺度區(qū)域，我們可以嘗試標(biāo)度定律，但這需要對(duì)流場(chǎng)的詳細(xì)了解，我們?cè)谶@里根本無(wú)法了解。

本研究的基本目的是為數(shù)值模擬的驗(yàn)證提供一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。公開(kāi)的測(cè)量數(shù)據(jù)很少，與卡車(chē)相關(guān)的數(shù)據(jù)集更是罕見(jiàn)。其中一個(gè)原因是測(cè)量的實(shí)際難度和成本。理想情況下，測(cè)試是在空氣聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行的，但世界上只有少數(shù)幾個(gè)風(fēng)洞能夠容納一輛滿(mǎn)載的卡車(chē)。因此，開(kāi)發(fā)了一種替代測(cè)試方法，使用定制的車(chē)輛，使用除風(fēng)以外的其他噪聲源，然后仔細(xì)監(jiān)測(cè)實(shí)際風(fēng)況、風(fēng)速和偏航角，從長(zhǎng)時(shí)間序列中選擇相關(guān)數(shù)據(jù)。

為了評(píng)估該方法并進(jìn)一步理解源機(jī)制，測(cè)試了三種不同的設(shè)置。首先，完全沒(méi)有鏡子，然后一個(gè)簡(jiǎn)單的圓柱體，遵循標(biāo)準(zhǔn)鏡子的相同包絡(luò)面，這是最終的樣品。圓筒被用作校準(zhǔn)器，因?yàn)樗a(chǎn)生一個(gè)已知頻率f的獨(dú)特音調(diào)。頻率和速度通過(guò)斯特魯哈數(shù)字[7]聯(lián)系起來(lái):

其中，L是裝置中的特征長(zhǎng)度(這里是圓柱體的直徑)，U是自由流的平均速度。

實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)車(chē)輛如圖2所示。它是一個(gè)安裝在公共汽車(chē)底盤(pán)上的卡車(chē)駕駛室。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)是后安裝的，有效地消除了測(cè)量?jī)?nèi)部噪音測(cè)時(shí)所有進(jìn)氣、排氣和動(dòng)力系統(tǒng)的噪音。為了減少除后視鏡和A柱外的其他風(fēng)噪聲源，駕駛室的其余部分被粘上或密封(例如前格柵)。室內(nèi)噪聲建模的一個(gè)問(wèn)題是門(mén)和側(cè)窗邊界條件的不確定性，為了減小這個(gè)問(wèn)題，乘客側(cè)門(mén)被嚴(yán)重阻尼，也安裝到正確位置。窗戶(hù)本身也被夾在門(mén)框里，以盡量減少橡膠密封對(duì)效果的影響。

我們測(cè)試了三種不同的設(shè)置情況:一種是完全沒(méi)有后視鏡(如圖2所示)，一種是在量產(chǎn)車(chē)上的標(biāo)準(zhǔn)鏡子，還有一種“假”情況，其中鏡子用鋼管彎曲而成，形狀類(lèi)似于信封如圖3。

在側(cè)窗表面，麥克風(fēng)以?xún)蓚€(gè)網(wǎng)格圖案放置如圖4。它們將作為更精細(xì)網(wǎng)格模擬的參考點(diǎn)，以便能夠分別以平均流速和聲速在傳播之間進(jìn)行分離。在這里，我們將研究大網(wǎng)格的結(jié)果，其麥克風(fēng)在圖4中編號(hào)。從圖中的插圖中可以看出，這些插圖取自模擬，我們預(yù)計(jì)側(cè)窗上五個(gè)位置之間的響應(yīng)會(huì)有所不同。前面的兩個(gè)(1&8)暴露在A柱和后視鏡給出的渦流結(jié)構(gòu)中，而在其他三個(gè)位置(6、7&9)重新連接流動(dòng)。在實(shí)際鏡子(pos10)的尾流側(cè)表面還放置了一個(gè)麥克風(fēng)。這個(gè)麥克風(fēng)沒(méi)有暴露在窗戶(hù)上看到的湍流邊界層，并且應(yīng)該隨著速度而不同地縮放。在與表面麥克風(fēng)相同的位置，在內(nèi)部有加速度計(jì)（在玻璃上）和兩個(gè)麥克風(fēng)陣列（距離玻璃35和90毫米）。最后對(duì)駕駛員和乘客耳朵位置的聲壓級(jí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

也許最重要的特征是超聲波風(fēng)速傳感器，其支架可以在圖二的駕駛室頂部(灰色金屬桿)看到。傳感器記錄了車(chē)輛速度和實(shí)際風(fēng)速的綜合效應(yīng)，根據(jù)記錄的車(chē)輛速度，可以計(jì)算出風(fēng)的貢獻(xiàn)。圖5顯示了一個(gè)示例。它是在測(cè)試跑道上運(yùn)行5分鐘的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被切割成一秒鐘的片段并進(jìn)行單獨(dú)研究。由于車(chē)速占主導(dǎo)地位，總偏航角的變化小于±5度。通常在風(fēng)洞測(cè)量中，測(cè)試的偏航角不超過(guò)±10度。實(shí)際上，這里的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，典型的側(cè)風(fēng)問(wèn)題也可以研究，只需選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)塊。在后期處理中，選取與相關(guān)風(fēng)況對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，并求其平均值。如果沒(méi)有另外說(shuō)明，“風(fēng)偏航”角度<±30°和風(fēng)速<3米/秒被用作樣品的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證風(fēng)的測(cè)量，使用了假鏡測(cè)試案例。它產(chǎn)生了一個(gè)明顯的斯特魯哈爾音調(diào)，如介紹中所示，應(yīng)該在St~0.2看到。使用了三種行駛速度（70、85和90公里/小時(shí)）的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)每段數(shù)據(jù)的峰值頻率和實(shí)際總風(fēng)速。如圖6所示，結(jié)果與理論非常一致(在雷諾數(shù)范圍內(nèi)，實(shí)際上應(yīng)該是St = 0.198)且樣本之間的差異很小。結(jié)果表明，安裝在頂棚上的風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀能很好地反映后視鏡處的平均風(fēng)速。

結(jié)果

首先我們研究窗戶(hù)上大網(wǎng)格位置的外部和內(nèi)部聲音，見(jiàn)圖7。正如預(yù)期的那樣，最下游的三個(gè)表面麥克風(fēng)顯示了幾乎相同且穩(wěn)定的響應(yīng)?？拷麬柱的兩個(gè)麥克風(fēng)更特別，它們?cè)诘皖l時(shí)都有更高的振幅，這可能是由A柱周?chē)臍饬鞣蛛x產(chǎn)生的大尺度渦引起的，但底部的1號(hào)麥克風(fēng)下降得相當(dāng)快。從模擬中我們看到，從A柱周?chē)蛛x出來(lái)的渦流正在輕微地向上傳播?？赡軙?huì)避開(kāi)1號(hào)麥克風(fēng)，但會(huì)通過(guò)8號(hào)麥克風(fēng)。

鏡子上的10號(hào)麥克風(fēng)，沒(méi)有受到平均流量的影響，顯示出一個(gè)低振幅的特性，更好的代表了鏡子周?chē)磪^(qū)域聲學(xué)。最后，雖然我們?cè)诓煌奈恢蒙嫌酗@著不同的“激發(fā)”光譜，但內(nèi)部的聲壓級(jí)在所有位置上幾乎是相同的。因此，動(dòng)水壓力的波動(dòng)并不是驅(qū)動(dòng)內(nèi)部聲場(chǎng)的因素。我們將在后面通過(guò)引言中提出的比例定律進(jìn)一步研究這一點(diǎn)。

接下來(lái)，在圖8中比較了三個(gè)不同的測(cè)試用例——無(wú)后視鏡、標(biāo)準(zhǔn)后視鏡和假后視鏡，無(wú)后視鏡和假后視鏡的情況非常相似。由于圓柱體對(duì)主要流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響不大，因此表面麥克風(fēng)的響應(yīng)與無(wú)鏡面情況基本一致。雖然哨聲被內(nèi)部的麥克風(fēng)清楚地記錄下來(lái)但卻沒(méi)有被表面的麥克風(fēng)檢測(cè)到，它藏在水動(dòng)力波動(dòng)之下。

標(biāo)準(zhǔn)后視鏡的引入導(dǎo)致了從幾百赫茲開(kāi)始的寬帶貢獻(xiàn)。在較低的頻率下，表面麥克風(fēng)的振幅與無(wú)鏡和假鏡情況相似，這可能也是由A柱周?chē)姆蛛x給出的。寬頻帶流體動(dòng)力的貢獻(xiàn)由后視鏡處各種尺度渦脫落導(dǎo)致，見(jiàn)圖4中的插圖。即使沒(méi)有鏡子，放置在鏡子上的表面麥克風(fēng)的振幅也低于窗戶(hù)上的表面麥克風(fēng)的振幅。反射鏡對(duì)內(nèi)部聲音的貢獻(xiàn)也是寬帶的，這是由脫落渦驅(qū)動(dòng)的聲學(xué)分量。

假后視鏡的哨聲的寬度是由于風(fēng)速略有變化的大范圍樣本上的平均值。如果對(duì)每個(gè)樣本中的風(fēng)進(jìn)行補(bǔ)償，如圖6所示，峰值會(huì)更尖銳。也就是說(shuō)，我們應(yīng)該畫(huà)出斯特勞哈爾數(shù)。

塌陷因子(與聲功率或~p2有關(guān))見(jiàn)圖9和圖10。它們的計(jì)算是為了求成本函數(shù)C(x)的最小值，其中x是塌陷因子，N是我們?cè)谝韵虑闆r下測(cè)試的不同車(chē)速的數(shù)量：

在所有情況下，很明顯，由窗戶(hù)上的表面?zhèn)鼷溈孙L(fēng)監(jiān)測(cè)的流體動(dòng)力貢獻(xiàn)不同于內(nèi)部聲學(xué)麥克風(fēng)。流體動(dòng)力部分以U為2到4次方進(jìn)行縮放，而內(nèi)部麥克風(fēng)一般以U到6次方的方式縮放，對(duì)應(yīng)于引言中討論的偶極子。

無(wú)后視鏡和假后視鏡在中低頻段表現(xiàn)得很特殊，它們的初始塌陷因子接近6，然后在500-700Hz之間下降，然后在2 kHz時(shí)幾乎線性增加到6。此外，考慮到與圖8所示的麥克風(fēng)上非常相似的振幅，流體動(dòng)力部分的塌陷因子確實(shí)差異很大。

標(biāo)準(zhǔn)后視鏡的情況更簡(jiǎn)單。內(nèi)部麥克風(fēng)的穩(wěn)定塌陷因子在6到7之間。在這里，我們還可以使用后視鏡上附加的麥克風(fēng)來(lái)研究外部環(huán)境。實(shí)際上，它的比例與窗口表面麥克風(fēng)1非常相似，高達(dá)2千Hz。然后它們發(fā)散，窗戶(hù)一穩(wěn)定在因子2附近，而后視鏡一向偶極子現(xiàn)象線性增加。聲學(xué)對(duì)頻率的貢獻(xiàn)似乎越來(lái)越占主導(dǎo)地位。然而，這并不是故事的全部。觀察網(wǎng)格中的所有位置(如圖11所示)，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部麥克風(fēng)的縮放比例都是相似的，而同樣位置上的表面麥克風(fēng)之間的響應(yīng)再次顯示出較大范圍變化，塌陷因子從2到4。

最后，利用所得塌陷因子的平均值，可以計(jì)算出歸一化光譜。這樣做的目的是為了說(shuō)明它們?nèi)绾卧陬l率上得到最好的歸一化。在圖12中繪制了基礎(chǔ)后視鏡的歸一化光譜。在上圖中和斯特魯哈數(shù)之間，外部數(shù)據(jù)很好地折疊了，但沒(méi)有內(nèi)部數(shù)據(jù)。在使用頻率的底部圖中，外部的沒(méi)有折疊，但是內(nèi)部的卻很完美。這是由于窗戶(hù)具有較強(qiáng)的空間濾波效應(yīng)，與之前的觀測(cè)結(jié)果一致。

結(jié)論

作為風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，這種替代實(shí)驗(yàn)裝置被證明是穩(wěn)定的，而且是一種獲取數(shù)據(jù)節(jié)省時(shí)間和成本高效的方法。它需要高質(zhì)量的風(fēng)的測(cè)量，對(duì)天氣和道路狀況很敏感。例如，潮濕的表面會(huì)導(dǎo)致顯著且不一致的額外輪胎噪音測(cè)量。但在良好的天氣條件下，它是一致的，并提供了與風(fēng)洞測(cè)量經(jīng)驗(yàn)相一致的結(jié)果。

假后視鏡的哨聲以預(yù)測(cè)的頻率出現(xiàn)，并確認(rèn)風(fēng)傳感器的讀數(shù)是相關(guān)的后視鏡周?chē)膶?shí)際風(fēng)速。

測(cè)量實(shí)驗(yàn)證實(shí)了最近研究的共識(shí)，即除了低頻外，內(nèi)部聲級(jí)的激勵(lì)是可壓縮的(聲學(xué))擾動(dòng)，它們以聲速傳播。例如，假后視鏡的哨聲在駕駛室中可以清楚地聽(tīng)到，并通過(guò)內(nèi)部麥克風(fēng)進(jìn)行記錄，但在表面麥克風(fēng)中檢測(cè)不到，其中聲學(xué)成分隱藏在較大的流體動(dòng)力成分下。此外，內(nèi)部麥克風(fēng)的聲壓級(jí)隨著速度受到偶極子類(lèi)型的聲源的影響，而表面麥克風(fēng)都以較低的系數(shù)進(jìn)行縮放。

窗戶(hù)口的強(qiáng)空間濾波效應(yīng)使頻譜的寬頻部分隨頻率的變化而折疊，表明存在某種擴(kuò)散聲激發(fā)場(chǎng)。唯一注意到的例外是，需要斯特勞哈爾數(shù)補(bǔ)償?shù)奶摂M后視鏡明顯與風(fēng)速相關(guān)的哨聲。

本文得到的結(jié)果與報(bào)道中的某客車(chē)的結(jié)果相似。這里和參考文獻(xiàn)中都沒(méi)有給出絕對(duì)值。但是，外部流體動(dòng)力學(xué)譜和內(nèi)部聲譜的形狀非常吻合。因此，盡管A柱的角度明顯不同且卡車(chē)后視鏡更大，但窗口給出的控制長(zhǎng)度尺度和聲學(xué)濾波器似乎是相同的數(shù)量級(jí)。

文章來(lái)源：Karlsson, M., Larsson, R., ?gren, T., and Chroneer, Z., “Aeroacoustics of Heavy Duty Truck Side Mirrors-An Experimental Study,” SAE Technical Paper 2018-01-1516, 2018, doi:10.4271/2018-01-1516.