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世界上最安静的汽车风洞是怎样炼成的？

2018-02-26 12:01:42·  
　
汽车风噪性能的开发已经成为了继风阻之后车企又一重点关注的开发领域，风噪性能的差异也成为了中外汽车驾驶体验方面的主要差距。在风噪开发中，最主要的试验设备就是低噪声的气动-声学风洞，那么一座低噪声的风洞是如何建设的？其中又有什么特殊的设计？本期汽车风洞先进试验技术系列我们将为您介绍低噪声风洞背后的技术和
汽车风噪性能的开发已经成为了继风阻之后车企又一重点关注的开发领域，风噪性能的差异也成为了中外汽车驾驶体验方面的主要差距。在风噪开发中，最主要的试验设备就是低噪声的气动-声学风洞，那么一座低噪声的风洞是如何建设的？其中又有什么特殊的设计？本期“汽车风洞先进试验技术”系列我们将为您介绍低噪声风洞背后的技术和原理。
 
气动-声学风洞一般来说有以下的要求：一是流场品质要求，如雷诺数、气流紊流度、气流稳定性、速度均匀性和方向均匀性要求；二是声学要求，即无反射的自由场，较低的背景噪声和远场声测量的足够距离。对于3/4开口试验段的声学风洞由于试验段由半消声室环绕，试验模型的噪声不能反射，属于自由场条件。
奔驰风洞半消声室的试验区域
 
一、为什么要降低风洞背景噪声？

随着车速的提高，气动噪声已经成为了高速车辆行驶中的主要噪声源，并对车内噪声带来了显著的影响，气动噪声已经成为了影响汽车驾乘舒适性和安全性的重要因素。
风洞声学试验要求风洞试验段背景噪声声压级要比待测声源声压级低10dB以上且风洞的辐射噪声不能破坏声源产生的声场才可开展相应的声学测量试验。另外风洞背景噪声不仅对声学测量、脉动压力测量等非定常试验带来明显的影响，还会对与雷诺数相关的气动力等定常测量试验带来影响。
德国FKFS风洞声学测量试验
此外建筑物暴露在强声场中也会引起结构的损伤，如玻璃、门窗密封件往往会因为噪声引发的共振而遭到破坏，更为严重的会对试验使用的精密仪器的精准度造成影响。
过高的背景噪声对长期在风洞实验室工作的操作员身体健康也会带来不良的后果，轻者将产生不同程度的耳鸣头痛视力下降等，重者将引起神经系统、心血管系统及消化系统的疾病。
因此，在风洞设计建设中必须重视风洞背景噪声的控制，制定合理的降噪方案。
保时捷气动-声学风洞声学测量试验
 
二、汽车风洞主要噪声源
汽车风洞内的噪声源主要有风机，整流罩，稳定段内的蜂窝器和阻尼网，换热器，拐角导流片，收缩段、边界层抽吸设备、地面移动带设备等。为使试验段测试区背景噪声达到声学测量的条件，风洞内这些噪声源的噪声必须得到有效的消除。
风机噪声主要有两种，分别是涡流噪声和旋转噪声。前者是由于叶片湍流附面层及其脱离引起压力脉动带来的后缘噪声和叶尖噪声；后者是由于风机桨叶旋转时，桨叶周期击打周围空气，引起的气体压力脉动引起的噪声。
风洞流道内的换热器、蜂窝器、阻尼网、拐角导流片、收缩段喷口等与气流相互作用产生的气动噪声也是风洞的噪声源，并且由于这些部段的位置更靠近试验区域，如不对他们产生的气动噪声进行控制，将会叠加到风洞总的声压级中，对试验区域背景噪声带来不利的影响。
三、汽车风洞背景噪声控制方法
1、噪声源控制措施 
噪声源控制主要是通过对风洞噪声源气动结构上的优化设计达到降低风洞背景噪声的目的。
在风机的设计中，首先叶片可采用优化的翼型剖面或者仿生学的锯齿型翼型；对风扇叶片安装角、弦长等变量进行优化设计，合理的选择预旋导流片和止旋导流片，对风机导流罩外形进行合理的匹配。
在风机的安装中，对风机做隔振处理，加装柔性减振器，以降低风机运行过程中的振动噪声；在风扇桨叶的设计制造中，对桨叶和轮毂的质量分布严格要求，降低桨叶动不平衡所带来的振动噪声。综合以上措施以降低动力段风机产生的噪声。
为防止动力段后气流流动分离引起的气流脉动，风机下游的扩散段可设计为扩散-收缩-扩散的形式，以减少风洞噪声向下游的传播。拐角导流片在降低拐角压力损失，提高气流均匀性的同时也会与流经的气流作用产生气动噪声，因此可对拐角导流片的截面形状和头尾结构进行优化选择，降低导流片的自噪声。
导流片可调整的参数
蜂窝器在导直气流的同时，也会与流经的气流作用产生气动噪声，因此在蜂窝器的设计中，需要考虑蜂窝器的截面形状和长径比对噪声的影响。 
蜂窝器结构示意图
收缩段作为风洞的主要部件，其主要作用是加速气流和降低气流湍流度。收缩段气动噪声主要是由喷口的边界层分离所带来的，且由于收缩段更靠近试验段，因此这部分噪声对试验段测试区的影响更为明显，因此需要对收缩段曲线进行优化设计。
此外在试验区域内尽量减少外附件的干扰，并对暴露在气流中的附件进行声学优化处理，如移动测量系统和吊车等。
位于试验段下游的收集口，由于气流的低频颤振将会带来气动噪声，因此需要对收集口的开口角度和位置进行优化设计，以降低风洞背景噪声。
汽车风洞中一般都安装有移动路面系统，在声学测量时还需要将使用隔声板将这些噪声源隔离。
奔驰风洞试验大厅和收集口
另外噪声源控制措施还有在风洞中安装抗噪音设备，释放反频率以压制气流噪音的传播。如奥迪风洞安装的释放反频率以压制气流噪音的扬声器。
奥迪风洞主动降噪设备
2、噪声传播途径控制措施 
噪声传播途径控制措施主要有在风洞洞壁上安装吸声板，利用共振消声技术进行降噪处理。
风洞驻室内安装的吸声板（图中黑色的板）
主要有：在动力段下游扩散段安装消声器、加装有消声材料的拐角导流片和在试验段内安装消声板，使驻室成为半消声室等。通过消声材料可明显的降低风洞内部的各频段的背景噪声。
奔驰气动-声学风洞声学测量试验时驻室状态
通过对噪声源和噪声传播途径的控制措施，可使得风洞试验段测试区的声压级符合声学测量的要求，即背景噪声声压级比待测声源声压级低10dB以上且风洞的辐射噪声不能破坏声源产生的声场。
四、最安静的汽车气动-声学风洞之一
建设中的重庆中国汽研气动-声学风洞在设计上就从噪声源和噪声传播途径两个方面对风洞背景噪声进行了控制。采取了以下措施来降低风洞背景噪声：
1）风机叶片翼型、安装角度、叶顶间隙等的声学优化；
2）拐角导流片、收集口、扩散段、风机出入口、尾锥和流道的声学消声处理；
3）驻室侧壁和天花板的声学消声处理，形成截止频率为50Hz的半消声室，满足车辆声学试验的要求；
4）优化的收集口设计，以消除低频颤振带来的噪声；
5）尽量减小驻室内反射面（移动测量系统、行车、灯具等），减少噪声源。
经过一系列的风洞消声处理，在140km/h的风速下该风洞的背景噪声仅为58 dB(A)，完全可以满足汽车气动噪声的测量要求，并跻身世界最安静的汽车风洞之列。
后续重庆中汽研气动-声学风洞也将配备麦克风阵列、人工头等声学测量设备，助力中国汽车气动噪声方面的开发。
重庆中国汽研将于2016年6月17日举行建设启动暨风洞联盟签约仪式，预计将在2018年建成投入使用，届时欢迎国内各大主机厂2018年来重庆放空你的耳朵，体验最安静的汽车风洞。
配图为奔驰风洞麦克风阵列（CAERI风洞与之类似）
五、世界主要风洞背景噪声情况
下表展示了世界主要汽车风洞的背景噪声水平，可看到这些风洞均具备较低的背景噪声，可开展汽车风噪方面的试验研究。世界主要汽车风洞的背景噪声水平
        CAERI 视点
目前国内汽车在风噪方面与国外汽车的差距十分明显，这与国内在气动噪声方面的研究刚刚起步有较大的关系，另外限于国内仅有一座汽车气动-声学风洞，车企在声学测量方面还缺乏足够的风洞试验时间，因此在风噪领域国内车企还有相当长的路要追赶。
未来国内也将会有多座汽车气动-声学风洞投入使用，其中就有位于重庆的中国汽研气动-声学风洞，其各项指标都紧跟国际新近建设的奔驰和保时捷风洞，相信2018年投入使用后，必将助力国内车企在气动噪声方面的开发。   
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