声学聚焦镜测量汽车车外风噪声分布

　　1　引　言

　　近几年,人们的生活水平提高很快,对生活环境的要求也越来越高,希望有一个安静、清洁的生活空间。但随着城市交通的迅速发展尤其是高速公路的兴建,环境污染源之一的城市交通噪声严重困扰着道路两旁居民及来往行人。

　　城市交通噪声的主要噪声源之一是汽车向外部环境辐射的车外噪声。发动机组、轮胎/路面噪声、风噪声(也称空气动力性噪声)构成汽车车内及车外噪声的三大噪声源。由于发动机组噪声可以通过改进发动机技术及安装方式,以及封装发动机组得到较大幅度的降低,风噪声和轮胎/路面噪声成为重要噪声源。对于现代轿车,车速在60km/h到100km/h之间时,轮胎/路面噪声成为贡献最大的主要声源。当行驶速度超过100km/h时,风噪声的影响越来越显著甚至超过轮胎/路面噪声。为了能够进一步采取措施降低汽车向外辐射的噪声,必须定位主要的噪声源区。本文将介绍利用一种强指向性传声器—声学聚焦镜定位声源区。

　　产生风噪声的根源是汽车高速行驶时涡流边界层及气流分离区域内强烈起伏的压力。为了比较简便又有效地得到可靠、可重复的风噪声结果,测量通常在全比例整车风洞内,在可精确调节的风速、风向的条件下进行,以排除气候因素的干扰及其它噪声源的影响[1]。

　　2　声聚焦镜技术

　　2.1　基本原理

　　声聚焦镜最早用于静态条件下涡流式喷气机声源分布的确定。其基本原理如图1所示。左边的曲面镜是椭圆旋转曲面的一段,该曲面有两个焦点A,B。一无指向性的传声器置于离曲面镜近的焦点A处,噪声源在焦点B处。曲面镜和传声器都置于声场远场。当声波波长小于两焦点距离且小于曲面镜直径D时,从声源处辐射的声波经椭圆曲面反射后,聚焦于A处,形成声像。因此A处的声压值大大高于自由场结果。其它位置的噪声源辐射的声波经曲面镜反射后,聚焦在其它像点处。故声聚焦镜系统能够大幅度提高信噪比,测量感兴趣的噪声源区域的噪声及其分布。

　　曲面镜也可以采用抛物线或圆周旋转曲面,但椭圆旋转曲面镜在焦点附近生成的声像效果最好。

　　2.2　空间分辨率和有效增益

　　空间分辨率由衍射波的半宽度w表征,w越小,空间分辨率越高。增益G是指声聚焦镜系统测得的声压级与自由场结果之差。

　　2.2.1　静态条件

　　静态条件下,即声源和曲面镜之间没有运动气流,声聚焦镜的空间分辨率和增益主要受曲面镜边缘的衍射影响。

　　图2为曲面镜边缘声波衍射示意图。衍射波第一个最小值对应的衍射角为曲面镜直径,K为波长。由此得到衍射波半宽度为声源到曲面镜的距离。也就是说,静态下声聚焦镜的空间分辨率随声波频率的提高而线性递增。