CN114046957B - 一种用于开口风洞远场噪声测量的三维剪切层修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于开口风洞远场噪声测量的三维剪切层修正方法，包括以下步骤：步骤1：获取当地大气环境参数，计算声速c0和来流马赫数M；步骤2：确定观察点的坐标，并获取开口风洞剪切层平面的位置；步骤3：建立垂直面内的角度之间的关系式；步骤4：求解步骤2和步骤3组成的非线性方程组，获得对应的角度值；步骤5：计算从射流内声源点到射流外测量点的声波传播延迟时间；步骤6：计算射流外测量点的声压幅值修正值；步骤7：计算大气得到最终的声压幅值修正结果。本发明的方法适用于喷口截面为矩形的大型开口风洞，且考虑了大气对不同频率声波的吸收效应，修正精度比传统的二维方法更高。

Description

一种用于开口风洞远场噪声测量的三维剪切层修正方法

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，具体涉及一种用于开口风洞远场噪声测量的三维剪切层修正方法。

背景技术

大型民用客机、高速地面交通工具等在设计研发过程中必须重点考虑气动噪声问题。国际民航组织在ICAO附件16卷1中对各类飞机适航审定第三阶段和第四阶段的噪声限值都做出了描述，噪声不达标的新机型将不能取得适航合格证，从而无法进入国际市场。我国颁布的《声环境质量标准》，要求“铁路+干线两侧区域”在夜间的环境噪声等效声压级不能超过60dB，并相应颁布了《噪声污染防治法》。

声学风洞是解决飞机和高速地面交通工具等气动噪声问题高效的试验研究平台。为了对飞机和高速列车等产生的气动噪声进行鉴定评估，需要针对声学风洞的特点发展一种高效的气动噪声测试技术，准确地测量噪声源分布和远场声压级。气动噪声试验一般在声学风洞开口试验段中进行，对于远场噪声测量(声源-测点距离大于10倍波长)，传声器阵列或远场传声器放置在气流外部。这样气流与传声器相互作用产生的流动噪声可以得到避免，但是试验模型产生的声波在到达传声器之前需要穿过风洞射流剪切层。射流剪切层是由风洞核心射流与周围静止空气之间的剪切力形成的，剪切层内流速呈一定规律变化(见图1)。声波穿过剪切层时将受到反射、折射和散射等各种传播效应的影响，声波的相位和幅值特性会因此发生改变。如果不进行剪切层修正，那么远场噪声测量将会出现“测不准”的现象。

国内外对于开口风洞射流剪切层修正一般采用学者Amiet在上世纪提出的二维修正方法(简称“Amiet方法”)。该方法主要针对喷口截面呈圆形的声学风洞，即认为从射流内声源点到射流外的任意测量点，剪切层的几何形态是不变的。显然，对于非圆形喷口类型的声学风洞，例如喷口截面呈矩形，Amiet方法不能严格适用。当风洞喷口尺寸较小、试验段较短时，使用Amiet方法带来的误差并不明显。但是，我国已建成多座大型航空声学风洞，风洞喷口尺寸达数米，试验段长度达到数十米，如果仍然采用Amiet方法修正剪切层效应，将会产生较大的误差。近年来提出的风洞剪切层修正方法大体可分为两类：计算气动声学类和经验公式类，这些方法要么需要开展大量复杂的计算而耗时巨大，要么修正精度较差。因此，为了有效提高飞机、高速列车、汽车等气动噪声风洞试验过程中远场噪声指向性评估、远场噪声级达标评估等试验鉴定评估的精度，需要发展一种新的三维剪切层修正方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的上述问题，提供了一种用于开口风洞远场噪声测量的三维剪切层修正方法，其应用时能显提升修正精度。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

一种用于开口风洞远场噪声测量的三维剪切层修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取当地大气环境参数：压力P0、温度T0、相对湿度q以及风洞速压Pv，计算声速c0和来流马赫数M；

步骤2：设置声源点位置为原点，确定观察点的坐标，并获取开口风洞剪切层平面的位置；

步骤3：建立垂直面内的测量角θ_m、对流角θ、发射角θ′和折射角θ₀之间的关系式，以及水平面内的测量角Θ_m、对流角Θ、发射角Θ′和折射角Θ₀之间的关系式；

步骤4：求解步骤2和步骤3组成的非线性方程组，获得对应的角度值；

步骤5：计算从射流内声源点到射流外测量点的声波传播延迟时间△t；

步骤6：计算射流外测量点的声压幅值修正值Pc/Pm；

步骤7：计算大气对声波的吸收效应α，得到最终的声压幅值修正结果P_c。

进一步的，所述步骤2中使用激光测距仪进行测量，得到从声源点到测量点的直线距离R_m，声源点到剪切层的水平距离R_t，剪切层到测量面的水平距离R_d，观察点到与水平面的距离h。

进一步的，所述水平面穿过声源-测量点连线与剪切层的交点，并且认为剪切层平面与风洞喷口延长线的位置重合，从而确定剪切层平面的位置。

进一步的，所述步骤4中非线性方程组的计算采用全局牛顿法，将测量角Θ_m和θ_m作为初值。

进一步的，所述步骤4中非线性方程组的计算采用“表格查询法”。

进一步的，所述“表格查询法”将发射角Θ'的取值范围限定为20°-160°，以0.5°间隔取值，Θ'＝20°,20.5°,...,160°，共有281个取值。

进一步的，所述步骤7中的大气对声波的吸收α包含粘热吸收、氧原子的弛豫吸收和氮原子的弛豫吸收，α＝α_T+α_O+α_N。

实验时，先使用环境测试仪器获得风洞试验段内的当地大气压力P₀、温度T₀、空气相对湿度q等的准确读数，通过安装在风洞收缩段出口的皮托管获得风洞速压P_v。然后计算声速c₀，来流马赫数M。以试验模型处潜在声源点的位置为原点，通过激光测距仪获得声源点到射流外测量点的直线距离R_m，声源点到剪切层平面的水平距离R_t，剪切层平面与测量面的水平距离R_d，观察点与某水平面的距离h(该水平面穿过声源-测量点连线与剪切层平面的交点)，从而计算得出观察点的坐标(x，y，z)。

本发明的优点在于：提出的三维剪切层修正方法适用于喷口截面为矩形的大型开口风洞，且考虑了大气对不同频率声波的吸收效应，可以同时修正声波的延迟时间和声压幅值，该修正方法有严格的数学推导，修正精度比传统的二维方法更高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

在附图中：

1、射流内声源；2、射流外传声器；3、剪切层；4、开口风洞喷口；5、开口风洞收集器。

图1开口风洞剪切层修正示意图；

图2开口风洞剪切层修正声波传播几何关系示意图；

图3实施例剪切层修正几何关系示意图；

图4实施例过剪切层声传播延迟时间修正结果；

图5实施例过剪切层声压幅值修正结果；

图6对照例1三维剪切层修正与Amiet方法的相对差别，相位修正；

图7对照例1三维剪切层修正与Amiet方法的相对差别，声压幅值修正。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明公开了一种用于开口风洞远场噪声测量的三维剪切层修正方法，包括以下步骤：

步骤1：获取当地大气环境参数：压力P₀、温度T₀、相对湿度q以及风洞速压P_v，计算声速c₀和来流马赫数M。

当地大气环境参数P₀、q、T₀，通过实验仪器测得，也可以通过网络查询本地区的气象参数得到。根据风洞速压p_v，所述来流马赫数M，声速c₀通过公式 进行计算，γ＝1.4，R＝287.09。

步骤2：设置声源点位置为原点，通过几何关系确定观察点的坐标，并获取开口风洞剪切层平面的位置。

如图2所示，源点的坐标为(0，0，0)，观察点的坐标为(x，y，z)，通过激光测距仪获得声源点到射流外测量点的直线距离R_m，声源点到剪切层平面的水平距离R_t，剪切层平面与测量面的水平距离R_d，观察点与某水平面的距离h(该水平面穿过声源-测量点连线与剪切层平面的交点)。

根据几何关系可以得到声源点到观察点的直线距离y＝R_t+R_d，z＝h(1+R_d/R_t)。将测量得到R_m，R_t，R_d，h的值后按照上述公式计算(x，y，z)。

在本发明中，剪切层平面的位置的获取方法是：通过热线风速仪、皮托管等仪器测量流场得到开口风洞剪切层区域，剪切层平面位于该区域内半速度点的位置。

在工程上也可直接认为风洞喷口延长线所在平面为剪切层平面。

步骤3：建立垂直面内的测量角θ_m、对流角θ、发射角θ′和折射角θ₀之间的关系式，以及水平面内的测量角θ_m、对流角Θ、发射角Θ′和折射角Θ₀之间的关系式：

垂直面内的角度满足如下关系式：

步骤4：求解步骤2和步骤3组成的非线性方程组，获得对应的角度值。

在本发明中，非线性方程组的计算采用全局牛顿法，将测量角Θ_m和θ_m作为初值。

在本发明中，非线性方程组的计算也可采用“表格查询法”，步骤如下：

第1步，将发射角Θ′的取值范围限定为20°-160°，以0.5°间隔取值，Θ′＝20°,20.5°,...,160°，共有281个取值。将给定的Θ′值代入公式(3)得到θ′；

第2步，给定θ′和θ′，通过公式(6)得到Θ；

第3步，给定Θ′和θ′，通过公式(8)得到Θ₀；

第4步，给定Θ₀，通过公式(9)得到θ₀；

第5步，给定Θ和Θ₀，通过公式(10)和(11)得到Θ_m和x；

第6步，给定x，通过公式(1)得到θ_m。

第6步，重复第1～6步，直到完成所有Θ′初始输入的其它角度值的计算。进而得到一个数据表，其第1列为Θ_m，第2列为θ_m，第3-6列分别为Θ，Θ₀，Θ′，θ₀。

第7步，实际测量过程中，根据(Θ_m，θ_m)的取值，通过就近原则查询Θ，Θ₀，Θ′，θ₀的值。利用这种方法可以极大的加快计算速度。

步骤5：计算从射流内声源点到射流外测量点的声波传播延迟时间Δt，按照公式(12)进行计算。

步骤6：计算射流外测量点的声压幅值修正值P_c/P_m，按照公式(13)进行计算。

其中，ζ²＝(1-M·cosΘ₀)²-cos²Θ₀,

J_M＝h²sinΘ₀sinθ₀(A₁A₂+A₃A₄)

步骤7：计入大气对声波的吸收效应，得到最终的声压幅值修正结果P_c。大气吸收包含粘热吸收、氧原子的弛豫吸收和氮原子的弛豫吸收，按照公式(14)进行计算：

α＝α_T+α_O+α_N (14)

其中，P₀为标准大气压，T₀＝293.15K为参考温度，q为相对湿度。最终，经过剪切层修正后的声压幅值为P_c＝α·r·P_c。其中，为从声源到测量点的声线的实际传播距离。

按照步骤1～7计算得到经过剪切层修正的延迟时间Δt和声压幅值修正量Δp。

实施例1

如图3所示射流内声源1与传声器阵列的相对位置关系。在开口风洞喷口4截面呈矩形，尺寸为5.5m(宽)×4m(高)的开口风洞中，剪切层3位于开口风洞喷口4延长线上，射流内声源1位于x_s＝[0m，0m，0m]，射流外的传声器2阵列孔径为3m，位于声源上游方向，射流外的传声器2阵列中心距离声源1的距离为2m，与声源1在同一条直线上，声源面与阵列面之间的距离为4m，风速为80m/s。

该开口风洞气动噪声测量的三维剪切层修正方法，包括如下步骤：

步骤1：通过仪器记录当地大气压力p₀，温度T₀，空气相对湿度q和风洞速压P_v。根据公式计算声速c₀和来流马赫数M。

步骤2：使用激光测距仪进行测量，得到从声源点到测量点的直线距离R_m，声源点到剪切层的水平距离R_t，剪切层到测量面的水平距离R_d，声源点到与某水平面的距离h(该水平面穿过声源-测量点连线与剪切层的交点)。认为剪切层平面与风洞喷口延长线的位置重合，从而确定剪切层平面的位置。根据公式y＝R_t+R_d，z＝h(1+R_d/R_t)，计算得出测量点的坐标(x，y，z)。

步骤3：按照声源点、测量点、剪切层平面位置之间的几何关系，根据公式(1)～(4)，建立垂直面内的测量角θ_m、对流角θ、发射角θ′和折射角θ₀的关系式。根据公式(5)～(1)，建立水平面内(XOY)的测量角Θ_m、对流角Θ、发射角Θ′和折射角Θ₀的关系式。

步骤4：通过牛顿迭代法计算包含8个角度的非线性方程组，得到水平面内和垂直面内的8个角度值。；

步骤5：根据公式(12)计算从射流内声源点到射流外测量点的声波传播延迟时间Δt。

步骤6：根据公式计算(13)射流外测量点的声压幅值修正值P_c/P_m。

步骤7：根据公式(14)～(19)计算大气声吸收系数α，进而得到最终的声压修正值P_c＝α·r·P_c。

实施例2

如图3所示射流内声源1与传声器阵列的相对位置关系。在开口风洞喷口4截面呈矩形，尺寸为5.5m(宽)×4m(高)的开口风洞中，剪切层3位于开口风洞喷口4延长线上，射流内声源1位于x_s＝[0m，0m，0m]，射流外的传声器2阵列孔径为3m，位于声源上游方向，射流外的传声器2阵列中心距离声源的距离为2m，与声源在同一条直线上，声源面与阵列面之间的距离为4m，风速为80m/s。

该开口风洞气动噪声测量的三维剪切层修正方法，包括如下步骤：

步骤1：通过仪器记录当地大气压力p₀，温度T₀，空气相对湿度q和风洞速压P_v。根据公式计算声速c₀和来流马赫数M。

步骤2：使用激光测距仪进行测量，得到从声源点到测量点的直线距离R_m，声源点到剪切层的水平距离R_t，剪切层到测量面的水平距离R_d，声源点到与某水平面的距离h(该水平面穿过声源-测量点连线与剪切层的交点)。认为剪切层平面与风洞喷口延长线的位置重合，从而确定剪切层平面的位置。根据公式y＝R_t+R_d，z＝h(1+R_d/R_t)，计算得出测量点的坐标(x，y，z)。

步骤3：按照声源点、测量点、剪切层平面位置之间的几何关系，根据公式(1)～(4)，建立垂直面内的测量角θ_m、对流角θ、发射角θ′和折射角θ₀的关系式。根据公式(5)～(1)，建立水平面内(XOY)的测量角Θ_m、对流角Θ、发射角Θ′和折射角Θ₀的关系式。

步骤4：通过“表格查询法”计算包含8个角度的非线性方程组，得到水平面内和垂直面内的8个角度值。

步骤5：根据公式(12)计算从射流内声源点到射流外测量点的声波传播延迟时间Δt。

步骤6：根据公式计算(13)射流外测量点的声压幅值修正值P_c/P_m。

步骤7：根据公式(14)～(19)计算大气声吸收系数α，进而得到最终的声压修正值P_c＝α·r·P_c。

实施例1和实施例2结果分析：

如图4和图5所示，为射流外传声器阵列面上的声波传播延迟时间和声压级修正量。

在对流效应和折射效应作用下，越往上游，声波的延迟时间越大；越往下游，声波的延迟时间越小。随着风速的增加，阵列面上相同位置处的延迟时间值增加。对于图3中的相对位置关系，常用试验风速下，阵列面上最上游和最下游的延迟时间差值可达4ms。这表明，对于250Hz以上的声波，阵列面上极限位置的传声器相对相位差可以达到360度。当声波在传播过程中遇到剪切层中不同尺度的旋涡的时候，阵列面上将产生相当大的随机相位误差，从而给声源的准确识别造成困难。图5给出了传声器阵列面上的声压幅值修正量随风速的变化情况。由于传声器位于声源上游，阵列面上的声压幅值修正量总是大于零的，这表明射流外的声压测量值比实际值小。根据计算结果，越往上游，声压幅值的修正量越大。在风速80m/s的条件下，传声器阵列面上声压幅值修正量可以达到2dB以上。

对照例1

针对实施例中的工况，采用三维修正方法和Amiet方法计算声波穿过剪切层的传播延迟时间和声压幅值修正的相对差值。选取声源位置为xs＝[0m,0m,0m]，传声器位置为xm＝[-5:5m,3m,4.5m]。

结果分析：

图6和图7是延迟时间和声压幅值计算的相对差值。图6中曲线从上至下依次对应M＝0.29、M＝0.26、M＝0.23、M＝0.20、M＝0.17、M＝0.15。图7中Θ_m＝40°位置曲线从上至下依次对应M＝0.29、M＝0.26、M＝0.23、M＝0.20、M＝0.17、M＝0.15，Θ_m＝140°位置曲线从下至上依次对应M＝0.29、M＝0.26、M＝0.23、M＝0.20、M＝0.17、M＝0.15。

图中不同粗细和不同线型的曲线代表不同来流马赫数，Amiet方法与三维修正方法之间的延迟时间计算误差在90°附近最小(声源-传声器连线与剪切层垂直)，随着观察点往风洞上游或下游方向移动，两者的相对差值增大。在风速60m/s的条件下，40度或140度测量角附近的延迟时间相对差值可达5％。

Claims (1)

1.一种用于开口风洞远场噪声测量的三维剪切层修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取当地大气环境参数：压力P0、温度T0、相对湿度q以及风洞速压Pv，计算声速c0和来流马赫数M；

步骤2：设置声源点位置为原点，确定观察点的坐标，并获取开口风洞剪切层平面的位置；使用激光测距仪进行测量，得到从声源点到测量点的直线距离R_m，声源点到剪切层的水平距离R_t，剪切层到测量面的水平距离R_d，观察点到与水平面的距离h；

水平面穿过声源点-测量点连线与剪切层的交点，并且认为剪切层平面与风洞喷口延长线的位置重合，从而确定剪切层平面的位置；

步骤3：建立垂直面内的测量角、对流角/>、发射角/>和折射角/>之间的关系式，以及水平面内的测量角/>、对流角/>、发射角/>和折射角/>之间的关系式；

步骤4：求解步骤2和步骤3组成的非线性方程组，获得对应的角度值；非线性方程组的计算采用全局牛顿法，将测量角和/>作为初值；非线性方程组的计算采用“表格查询法”；所述“表格查询法”将发射角/>的取值范围限定为20°- 160°，以0.5°间隔取值，共有281个取值；

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