基于聲源識(shí)別技術(shù)的非接觸式區(qū)域流體渦量測(cè)量方法

陳 力， 沈 哲b，c， 楊志剛，2

（1.同濟(jì)大學(xué)a.汽車學(xué)院；b.上海地面交通工具風(fēng)洞中心；c.上海市地面交通工具空氣動(dòng)力與熱環(huán)境模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心，北京102211）

0 引 言

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行流體研究必不可少的手段，為了不干擾流體原本的運(yùn)動(dòng)，非接觸式測(cè)量是獲得流體運(yùn)動(dòng)速度、密度等參數(shù)的有效技術(shù)手段［1-2］。目前使用較為廣泛的非接觸式流體測(cè)量技術(shù)主要有激光粒子測(cè)速（PIV）技術(shù)［3］、超高幀頻納米平面激光散射（NPLS）技術(shù)［4］等，此類技術(shù)都是通過(guò)光學(xué)原理捕捉部分流體的運(yùn)動(dòng)軌跡，測(cè)量流體運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)，整個(gè)湍流場(chǎng)的測(cè)試技術(shù)還有待完善。此外，由于湍流場(chǎng)流動(dòng)的復(fù)雜性，測(cè)量得到的流場(chǎng)速度信息量巨大，對(duì)數(shù)據(jù)分析處理能力的要求很高，較長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析也存在較大困難［2，5］。綜上，由于湍流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，現(xiàn)有基于光學(xué)的非接觸流動(dòng)測(cè)試技術(shù)并不完善，無(wú)法快速給出局部區(qū)域總渦量隨時(shí)間變化的過(guò)程。

聲波作為流體運(yùn)動(dòng)的一種特殊形式，與流體的一般運(yùn)動(dòng)相比具有傳播速度快、傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。在流動(dòng)介質(zhì)中，當(dāng)滿足一些特定條件的情況［6］，主要包括：①聲波波長(zhǎng)尺寸遠(yuǎn)小于流動(dòng)結(jié)構(gòu)的尺度；②聲的振幅較小即聲波引起的流體微元速度變化相對(duì)流場(chǎng)速度較小時(shí)，可以認(rèn)為流場(chǎng)與聲場(chǎng)之間的作用是單向的，流場(chǎng)影響聲場(chǎng)而聲場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)的作用可以忽略［7］。因此，可以用聲場(chǎng)的變化情況反推流場(chǎng)信息。

本文基于近年來(lái)快速發(fā)展的聲源識(shí)別技術(shù)［8-9］，采用流動(dòng)與聲之間理論關(guān)系，以開(kāi)口式風(fēng)洞射流剪切層［10］為例，給出一種通過(guò)測(cè)量聲折射反推指定空間區(qū)域渦量瞬時(shí)值的測(cè)試方法。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 簡(jiǎn)化射線追蹤法

在流場(chǎng)中聲波傳播服從的基本規(guī)律是波傳遞速度的連續(xù)性，滿足幾何聲學(xué)即聲波頻率足夠高的條件下，從運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中聲波的程函方程［11］可推導(dǎo)流體中傳播的聲線矢量s與流經(jīng)區(qū)域渦量ω有如下被稱之為射線追蹤法［12］的關(guān)系：

以上聲線方程表征的物理意義是聲線方向的變化是由流速的旋度?×U引起的，渦量ω是用于描述流速旋度物理量，定義為流體速度矢量的旋度（s-1）。

當(dāng)聲波傳播路徑上只有一個(gè)體積可忽略的渦量集中區(qū)域時(shí)，射線追蹤法可簡(jiǎn)化為聲線折射角θz與通過(guò)路徑上渦量的積分值之間呈正比關(guān)系。如圖1所示，矢量s′表示未經(jīng)折射的聲線方向；矢量s為受渦旋區(qū)折射后的實(shí)際聲線方向，根據(jù)簡(jiǎn)化射線追蹤法，通過(guò)測(cè)量聲折射角θz可以反推聲波途徑區(qū)域的渦量值。

圖1 聲線折射與渦量關(guān)系

1.2 波束成形聲源識(shí)別原理

聲源識(shí)別系統(tǒng)是目前常用的一種聲學(xué)測(cè)試設(shè)備，其中基于波束成形算法［13］的系統(tǒng)具有測(cè)試距離遠(yuǎn)、定位準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用較為廣泛。波束成型技術(shù)最早始于無(wú)線電領(lǐng)域，主要通過(guò)波的相位計(jì)算反推源的位置，又稱為相位/相控（傳聲器）陣列。相位傳聲器的基本原理是：設(shè)置一組空間位置關(guān)系已知的傳聲器陣列，通過(guò)延遲求和聲波到達(dá)各個(gè)傳聲器的相位差，再按照位置距離與相位差之間關(guān)系計(jì)算聲波來(lái)源方向，如圖2所示。

圖2 相位傳聲器陣列識(shí)別聲源原理示意圖

1.3 風(fēng)洞聲漂移與折射角

由于流動(dòng)的波對(duì)流效應(yīng)以及剪切層的折射效應(yīng)，開(kāi)口式風(fēng)洞外場(chǎng)測(cè)量噪聲產(chǎn)生聲漂移現(xiàn)象［14］。假設(shè)渦量（速度梯度）僅存在在厚度可忽略的剪切層區(qū)域，其基本原理［15］如圖3所示。圖中：點(diǎn)S為真實(shí)聲源所在位置；點(diǎn)S0為經(jīng)過(guò)渦量區(qū)域折射后觀測(cè)到的聲源位置，稱為表觀聲源；S與S0之間的距離即為聲漂移量d；射線r′為在無(wú)射流情況下聲線經(jīng)過(guò)的路徑；θ′稱為靜止空氣傳播角；折線段r聲線為實(shí)際傳播經(jīng)過(guò)的路徑；r在流場(chǎng)外與流動(dòng)方向的夾角θ0稱為折射實(shí)際傳播角；Lt為測(cè)量區(qū)域至聲源距離；LA為陣列至聲源距離。

圖3 射流的聲源漂移與聲折射幾何關(guān)系

2 測(cè)試原理

2.1 簡(jiǎn)化過(guò)程推導(dǎo)

為了提高測(cè)量精度，獲得便捷的計(jì)算方法，對(duì)1.1節(jié)中介紹的原理在一定條件下進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。首先給出兩個(gè)通過(guò)試驗(yàn)設(shè)置可滿足的條件：①聲源初始出射方向垂直流動(dòng)；②傳聲器陣列平行于流動(dòng)方向。此外給出本方法的適用條件：低馬赫數(shù)流動(dòng)，則可以給出折射角θz與渦量Ω之間的簡(jiǎn)化關(guān)系，

當(dāng)初始出射方向垂直流動(dòng)，根據(jù)1.1節(jié)的原理，聲漂移量d與折射角θz之間存在下式所述關(guān)系。

根據(jù)低馬赫數(shù)條件，θz為小角度，tan θz?θz，因此式（3）可改寫(xiě)為

根據(jù)此關(guān)系，可以用陣列測(cè)量的聲漂移量反推折射角，再?gòu)恼凵浣桥c渦量關(guān)系獲得渦量。

由于傳聲器陣列接收的聲波范圍有限，因此測(cè)量區(qū)域由幾何尺寸Lt、LA以及陣列尺寸共同確定。

2.2 測(cè)量區(qū)域設(shè)定

如圖4所示，聲源至剪切層距離Lt，聲源至陣列距離LA，監(jiān)測(cè)區(qū)域的寬Wt、高Ht，陣列的寬WA、高HA之間有如下式所述正比關(guān)系，

圖4 有效測(cè)量區(qū)域設(shè)置方法

需注意，在平行流動(dòng)方向應(yīng)對(duì)聲漂移進(jìn)行修正，此處聲源為表觀聲源位置，實(shí)際聲源位置需按照式（4）所示的波對(duì)流向流動(dòng)的上游移動(dòng)聲漂移量d。

2.3 渦量計(jì)算公式

經(jīng)過(guò)上述設(shè)置，即可通過(guò)式（2）、（4）獲得測(cè)試區(qū)域總渦量Ωt的計(jì)算式為

式中，HtWt為有效測(cè)試區(qū)域的面積項(xiàng)。式（2）中Ω表示的是無(wú)量綱的渦量，渦量集中在無(wú)限薄的剪切層上，Ω相當(dāng)于渦量的單位面積密度。在計(jì)算有效區(qū)域內(nèi)的總渦量Ωt時(shí)，應(yīng)當(dāng)將測(cè)試區(qū)域的面積或體積計(jì)算在內(nèi)。

3 實(shí)施方法

3.1 設(shè)備要求

為了實(shí)現(xiàn)上述測(cè)量功能，本方法需要的設(shè)備需求如下：

（1）放置在流場(chǎng)內(nèi)部產(chǎn)生可控聲波的聲源，該聲源有以下要求：聲波通過(guò)揚(yáng)聲器發(fā)出，具有較強(qiáng)的指向性；通過(guò)電腦或相應(yīng)播放設(shè)備，具有較高頻率和足夠大的聲強(qiáng)；揚(yáng)聲器外部有流線型導(dǎo)流裝置，當(dāng)該聲源放置在流場(chǎng)內(nèi)部時(shí)，對(duì)流場(chǎng)干擾很小。

（2）用于測(cè)量聲波傳播方向的聲源識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)有以下要求：包含一個(gè)多麥克風(fēng)通道組成的平面揚(yáng)聲器陣列；包含用于確定物理位置的光學(xué)攝像頭；包含具有高動(dòng)態(tài)采樣率的A/D轉(zhuǎn)換器；包含使用波束成形聲源定位算法的采集分析軟件及電腦。

3.2 測(cè)量步驟

本方法的測(cè)試流程如圖5所示，分為以下步驟：①根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的幾何尺寸和傳聲器陣列的尺寸，采用式（4）、（5）計(jì)算調(diào)整聲源、測(cè)量區(qū)域、傳聲器陣列之間關(guān)系；②開(kāi)啟聲源播放給定的聲信號(hào)，使用傳聲器陣列測(cè)量靜態(tài)聲源位置；③開(kāi)啟流動(dòng)設(shè)備，使流動(dòng)狀態(tài)達(dá)到需要測(cè)量的狀態(tài)；④通過(guò)陣列采集聲信號(hào)，計(jì)算識(shí)別到的表觀聲源實(shí)時(shí)位置，減去靜態(tài)聲源位置，得到聲漂移量；⑤根據(jù)各參數(shù)，通過(guò)式（6）計(jì)算渦量隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)。

圖5 測(cè)試流程圖

3.3 適用條件與應(yīng)用范圍

本方法為一種新型的測(cè)試方法，受原理限制，使用本測(cè)試方法需滿足一定條件，否則方法將無(wú)法使用或精度下降，各項(xiàng)條件如下：

（1）流動(dòng)為低馬赫數(shù)流動(dòng)；當(dāng)流動(dòng)速度增大時(shí)（如＞0.2Ma），本文的幾何聲學(xué)簡(jiǎn)化受條件不滿足，精度隨之下降。

（2）測(cè)試對(duì)象為單個(gè)渦量集中區(qū)域，兩側(cè)有足夠的空間布置聲源及傳聲器陣列；雖然本文以風(fēng)洞射流剪切層為例，但只要滿足聲從源至接收點(diǎn)僅有目標(biāo)區(qū)域一個(gè)渦量集中區(qū)，如一個(gè)鈍體的尾跡，也仍然是可行的，但只能獲得整個(gè)區(qū)域上的渦量總值。

（3）出射聲信號(hào)的頻率足夠高；這是幾何聲學(xué)（射線聲源）的理論基礎(chǔ)，頻率越高、波長(zhǎng)越短，則越能保證流聲之間不產(chǎn)生耦合作用。

（4）聲在渦量集中區(qū)域兩側(cè)的傳播距離LA以及（LA-Lt）相對(duì)在渦量區(qū)內(nèi)的傳播距離（如剪切層的厚度）較大；這是忽略渦量區(qū)域的厚度，進(jìn)行幾何聲學(xué)簡(jiǎn)化的要求，當(dāng)渦量區(qū)內(nèi)的傳播距離相對(duì)較大時(shí)，陣列測(cè)量包含渦量區(qū)域的內(nèi)部信息越多，測(cè)量得到的整體渦量信息將產(chǎn)生偏差。

除上述4點(diǎn)以外，2.1節(jié)中介紹的聲源與陣列設(shè)置條件也需要注意，否則將產(chǎn)生額外偏差。

另外需要說(shuō)明的是，本文方法在推導(dǎo)及分析過(guò)程中并不要求渦量是定常的，因此本方法既可測(cè)量渦量的時(shí)均值，也可測(cè)量渦量的非定常值。渦量的時(shí)均值可通過(guò)聲信號(hào)的測(cè)試時(shí)間內(nèi)的平均結(jié)果獲得，而非定常值需通過(guò)聲源識(shí)別軟件分析各個(gè)不同時(shí)刻的聲源瞬時(shí)位置獲得。渦量的采樣率不同于聲源識(shí)別設(shè)備的聲信號(hào)采樣率，而是由系統(tǒng)計(jì)算聲源位置的最小時(shí)間分辨率決定。

4 效果驗(yàn)證

本文采用如下數(shù)據(jù)：①采用本文方法，通過(guò)聲源和聲陣列在風(fēng)洞實(shí)測(cè)的結(jié)果計(jì)算獲得渦量；②使用高精度大渦模擬算法對(duì)實(shí)際風(fēng)洞1∶1模型進(jìn)行數(shù)值仿真獲得的渦量。將上述兩者結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證本方法的有效性。

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心整車氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中完成，如圖6所示。該風(fēng)洞是3/4開(kāi)口回流風(fēng)洞，噴口尺寸27 m2，最大風(fēng)速達(dá)250 km/h，背景噪聲在160 km/h風(fēng)速低于61 dB（A）。聲源為一個(gè)帶翼型導(dǎo)流罩的揚(yáng)聲器，該揚(yáng)聲器的信號(hào)可通過(guò)播放設(shè)備控制。測(cè)試設(shè)備為Gfai為風(fēng)洞試驗(yàn)定制的120通道螺旋形平面陣列，配套NoiseImage軟件。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)：陣列與聲源

進(jìn)行數(shù)值仿真研究的對(duì)象仍然是進(jìn)行前述試驗(yàn)的風(fēng)洞試驗(yàn)段（噴口+駐室+收集口+擴(kuò)散段）模型，總網(wǎng)格數(shù)為2 900萬(wàn)。使用Fluent軟件，數(shù)值模擬方法為大渦模擬（LES）方法，選用Smagorinsky-Lilly模型，耦合求解器，時(shí)間步長(zhǎng)選擇0.001 s。

本文方法測(cè)量與仿真得到的區(qū)域渦量的結(jié)果如圖7所示。可見(jiàn)兩者隨時(shí)間變化規(guī)律相似，均值基本相等，此外脈動(dòng)的基頻也十分接近。證明本方法能有效測(cè)量實(shí)際湍流區(qū)域渦量的非定常量值。

圖7 本方法風(fēng)洞實(shí)測(cè)與仿真獲得渦量瞬時(shí)對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于聲波與傳播路徑流體介質(zhì)渦量之間的理論關(guān)系，給出一種根據(jù)測(cè)量識(shí)別到的聲源位置關(guān)系反推目標(biāo)區(qū)域流體渦量的測(cè)試方法。實(shí)現(xiàn)該方法需要使用一個(gè)高頻聲源、傳聲器陣列以及相應(yīng)聲源識(shí)別算法。通過(guò)此方法可得到包括但不限于射流剪切層等目標(biāo)區(qū)域內(nèi)總渦量時(shí)均值及相對(duì)脈動(dòng)量。經(jīng)過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，在滿足理論需求條件時(shí)，該方法具有較高的精度，為流體運(yùn)動(dòng)非接觸式測(cè)量提供了一種新的思路。