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世界上最安靜的汽車風(fēng)洞是怎樣煉成的？

2018-02-26 12:01:42·  
　
汽車風(fēng)噪性能的開發(fā)已經(jīng)成為了繼風(fēng)阻之后車企又一重點關(guān)注的開發(fā)領(lǐng)域，風(fēng)噪性能的差異也成為了中外汽車駕駛體驗方面的主要差距。在風(fēng)噪開發(fā)中，最主要的試驗設(shè)備就是低噪聲的氣動-聲學(xué)風(fēng)洞，那么一座低噪聲的風(fēng)洞是如何建設(shè)的？其中又有什么特殊的設(shè)計？本期汽車風(fēng)洞先進(jìn)試驗技術(shù)系列我們將為您介紹低噪聲風(fēng)洞背后的技術(shù)和
汽車風(fēng)噪性能的開發(fā)已經(jīng)成為了繼風(fēng)阻之后車企又一重點關(guān)注的開發(fā)領(lǐng)域，風(fēng)噪性能的差異也成為了中外汽車駕駛體驗方面的主要差距。在風(fēng)噪開發(fā)中，最主要的試驗設(shè)備就是低噪聲的氣動-聲學(xué)風(fēng)洞，那么一座低噪聲的風(fēng)洞是如何建設(shè)的？其中又有什么特殊的設(shè)計？本期“汽車風(fēng)洞先進(jìn)試驗技術(shù)”系列我們將為您介紹低噪聲風(fēng)洞背后的技術(shù)和原理。
 
氣動-聲學(xué)風(fēng)洞一般來說有以下的要求：一是流場品質(zhì)要求，如雷諾數(shù)、氣流紊流度、氣流穩(wěn)定性、速度均勻性和方向均勻性要求；二是聲學(xué)要求，即無反射的自由場，較低的背景噪聲和遠(yuǎn)場聲測量的足夠距離。對于3/4開口試驗段的聲學(xué)風(fēng)洞由于試驗段由半消聲室環(huán)繞，試驗?zāi)Ｐ偷脑肼暡荒芊瓷洌瑢儆谧杂蓤鰲l件。
奔馳風(fēng)洞半消聲室的試驗區(qū)域
 
一、為什么要降低風(fēng)洞背景噪聲？

隨著車速的提高，氣動噪聲已經(jīng)成為了高速車輛行駛中的主要噪聲源，并對車內(nèi)噪聲帶來了顯著的影響，氣動噪聲已經(jīng)成為了影響汽車駕乘舒適性和安全性的重要因素。
風(fēng)洞聲學(xué)試驗要求風(fēng)洞試驗段背景噪聲聲壓級要比待測聲源聲壓級低10dB以上且風(fēng)洞的輻射噪聲不能破壞聲源產(chǎn)生的聲場才可開展相應(yīng)的聲學(xué)測量試驗。另外風(fēng)洞背景噪聲不僅對聲學(xué)測量、脈動壓力測量等非定常試驗帶來明顯的影響，還會對與雷諾數(shù)相關(guān)的氣動力等定常測量試驗帶來影響。
德國FKFS風(fēng)洞聲學(xué)測量試驗
此外建筑物暴露在強(qiáng)聲場中也會引起結(jié)構(gòu)的損傷，如玻璃、門窗密封件往往會因為噪聲引發(fā)的共振而遭到破壞，更為嚴(yán)重的會對試驗使用的精密儀器的精準(zhǔn)度造成影響。
過高的背景噪聲對長期在風(fēng)洞實驗室工作的操作員身體健康也會帶來不良的后果，輕者將產(chǎn)生不同程度的耳鳴頭痛視力下降等，重者將引起神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)及消化系統(tǒng)的疾病。
因此，在風(fēng)洞設(shè)計建設(shè)中必須重視風(fēng)洞背景噪聲的控制，制定合理的降噪方案。
保時捷氣動-聲學(xué)風(fēng)洞聲學(xué)測量試驗
 
二、汽車風(fēng)洞主要噪聲源
汽車風(fēng)洞內(nèi)的噪聲源主要有風(fēng)機(jī)，整流罩，穩(wěn)定段內(nèi)的蜂窩器和阻尼網(wǎng)，換熱器，拐角導(dǎo)流片，收縮段、邊界層抽吸設(shè)備、地面移動帶設(shè)備等。為使試驗段測試區(qū)背景噪聲達(dá)到聲學(xué)測量的條件，風(fēng)洞內(nèi)這些噪聲源的噪聲必須得到有效的消除。
風(fēng)機(jī)噪聲主要有兩種，分別是渦流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲。前者是由于葉片湍流附面層及其脫離引起壓力脈動帶來的后緣噪聲和葉尖噪聲；后者是由于風(fēng)機(jī)槳葉旋轉(zhuǎn)時，槳葉周期擊打周圍空氣，引起的氣體壓力脈動引起的噪聲。
風(fēng)洞流道內(nèi)的換熱器、蜂窩器、阻尼網(wǎng)、拐角導(dǎo)流片、收縮段噴口等與氣流相互作用產(chǎn)生的氣動噪聲也是風(fēng)洞的噪聲源，并且由于這些部段的位置更靠近試驗區(qū)域，如不對他們產(chǎn)生的氣動噪聲進(jìn)行控制，將會疊加到風(fēng)洞總的聲壓級中，對試驗區(qū)域背景噪聲帶來不利的影響。
三、汽車風(fēng)洞背景噪聲控制方法
1、噪聲源控制措施 
噪聲源控制主要是通過對風(fēng)洞噪聲源氣動結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計達(dá)到降低風(fēng)洞背景噪聲的目的。
在風(fēng)機(jī)的設(shè)計中，首先葉片可采用優(yōu)化的翼型剖面或者仿生學(xué)的鋸齒型翼型；對風(fēng)扇葉片安裝角、弦長等變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，合理的選擇預(yù)旋導(dǎo)流片和止旋導(dǎo)流片，對風(fēng)機(jī)導(dǎo)流罩外形進(jìn)行合理的匹配。
在風(fēng)機(jī)的安裝中，對風(fēng)機(jī)做隔振處理，加裝柔性減振器，以降低風(fēng)機(jī)運行過程中的振動噪聲；在風(fēng)扇槳葉的設(shè)計制造中，對槳葉和輪轂的質(zhì)量分布嚴(yán)格要求，降低槳葉動不平衡所帶來的振動噪聲。綜合以上措施以降低動力段風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲。
為防止動力段后氣流流動分離引起的氣流脈動，風(fēng)機(jī)下游的擴(kuò)散段可設(shè)計為擴(kuò)散-收縮-擴(kuò)散的形式，以減少風(fēng)洞噪聲向下游的傳播。拐角導(dǎo)流片在降低拐角壓力損失，提高氣流均勻性的同時也會與流經(jīng)的氣流作用產(chǎn)生氣動噪聲，因此可對拐角導(dǎo)流片的截面形狀和頭尾結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選擇，降低導(dǎo)流片的自噪聲。
導(dǎo)流片可調(diào)整的參數(shù)
蜂窩器在導(dǎo)直氣流的同時，也會與流經(jīng)的氣流作用產(chǎn)生氣動噪聲，因此在蜂窩器的設(shè)計中，需要考慮蜂窩器的截面形狀和長徑比對噪聲的影響。 
蜂窩器結(jié)構(gòu)示意圖
收縮段作為風(fēng)洞的主要部件，其主要作用是加速氣流和降低氣流湍流度。收縮段氣動噪聲主要是由噴口的邊界層分離所帶來的，且由于收縮段更靠近試驗段，因此這部分噪聲對試驗段測試區(qū)的影響更為明顯，因此需要對收縮段曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
此外在試驗區(qū)域內(nèi)盡量減少外附件的干擾，并對暴露在氣流中的附件進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化處理，如移動測量系統(tǒng)和吊車等。
位于試驗段下游的收集口，由于氣流的低頻顫振將會帶來氣動噪聲，因此需要對收集口的開口角度和位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以降低風(fēng)洞背景噪聲。
汽車風(fēng)洞中一般都安裝有移動路面系統(tǒng)，在聲學(xué)測量時還需要將使用隔聲板將這些噪聲源隔離。
奔馳風(fēng)洞試驗大廳和收集口
另外噪聲源控制措施還有在風(fēng)洞中安裝抗噪音設(shè)備，釋放反頻率以壓制氣流噪音的傳播。如奧迪風(fēng)洞安裝的釋放反頻率以壓制氣流噪音的揚(yáng)聲器。
奧迪風(fēng)洞主動降噪設(shè)備
2、噪聲傳播途徑控制措施 
噪聲傳播途徑控制措施主要有在風(fēng)洞洞壁上安裝吸聲板，利用共振消聲技術(shù)進(jìn)行降噪處理。
風(fēng)洞駐室內(nèi)安裝的吸聲板（圖中黑色的板）
主要有：在動力段下游擴(kuò)散段安裝消聲器、加裝有消聲材料的拐角導(dǎo)流片和在試驗段內(nèi)安裝消聲板，使駐室成為半消聲室等。通過消聲材料可明顯的降低風(fēng)洞內(nèi)部的各頻段的背景噪聲。
奔馳氣動-聲學(xué)風(fēng)洞聲學(xué)測量試驗時駐室狀態(tài)
通過對噪聲源和噪聲傳播途徑的控制措施，可使得風(fēng)洞試驗段測試區(qū)的聲壓級符合聲學(xué)測量的要求，即背景噪聲聲壓級比待測聲源聲壓級低10dB以上且風(fēng)洞的輻射噪聲不能破壞聲源產(chǎn)生的聲場。
四、最安靜的汽車氣動-聲學(xué)風(fēng)洞之一
建設(shè)中的重慶中國汽研氣動-聲學(xué)風(fēng)洞在設(shè)計上就從噪聲源和噪聲傳播途徑兩個方面對風(fēng)洞背景噪聲進(jìn)行了控制。采取了以下措施來降低風(fēng)洞背景噪聲：
1）風(fēng)機(jī)葉片翼型、安裝角度、葉頂間隙等的聲學(xué)優(yōu)化；
2）拐角導(dǎo)流片、收集口、擴(kuò)散段、風(fēng)機(jī)出入口、尾錐和流道的聲學(xué)消聲處理；
3）駐室側(cè)壁和天花板的聲學(xué)消聲處理，形成截止頻率為50Hz的半消聲室，滿足車輛聲學(xué)試驗的要求；
4）優(yōu)化的收集口設(shè)計，以消除低頻顫振帶來的噪聲；
5）盡量減小駐室內(nèi)反射面（移動測量系統(tǒng)、行車、燈具等），減少噪聲源。
經(jīng)過一系列的風(fēng)洞消聲處理，在140km/h的風(fēng)速下該風(fēng)洞的背景噪聲僅為58 dB(A)，完全可以滿足汽車氣動噪聲的測量要求，并躋身世界最安靜的汽車風(fēng)洞之列。
后續(xù)重慶中汽研氣動-聲學(xué)風(fēng)洞也將配備麥克風(fēng)陣列、人工頭等聲學(xué)測量設(shè)備，助力中國汽車氣動噪聲方面的開發(fā)。
重慶中國汽研將于2016年6月17日舉行建設(shè)啟動暨風(fēng)洞聯(lián)盟簽約儀式，預(yù)計將在2018年建成投入使用，屆時歡迎國內(nèi)各大主機(jī)廠2018年來重慶放空你的耳朵，體驗最安靜的汽車風(fēng)洞。
配圖為奔馳風(fēng)洞麥克風(fēng)陣列（CAERI風(fēng)洞與之類似）
五、世界主要風(fēng)洞背景噪聲情況
下表展示了世界主要汽車風(fēng)洞的背景噪聲水平，可看到這些風(fēng)洞均具備較低的背景噪聲，可開展汽車風(fēng)噪方面的試驗研究。世界主要汽車風(fēng)洞的背景噪聲水平
        CAERI 視點
目前國內(nèi)汽車在風(fēng)噪方面與國外汽車的差距十分明顯，這與國內(nèi)在氣動噪聲方面的研究剛剛起步有較大的關(guān)系，另外限于國內(nèi)僅有一座汽車氣動-聲學(xué)風(fēng)洞，車企在聲學(xué)測量方面還缺乏足夠的風(fēng)洞試驗時間，因此在風(fēng)噪領(lǐng)域國內(nèi)車企還有相當(dāng)長的路要追趕。
未來國內(nèi)也將會有多座汽車氣動-聲學(xué)風(fēng)洞投入使用，其中就有位于重慶的中國汽研氣動-聲學(xué)風(fēng)洞，其各項指標(biāo)都緊跟國際新近建設(shè)的奔馳和保時捷風(fēng)洞，相信2018年投入使用后，必將助力國內(nèi)車企在氣動噪聲方面的開發(fā)。   
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