氣流噪聲

氣流噪聲是氣流的起伏運動或氣動力產生的噪聲。對氣流噪聲個別現象的觀察和研究從19世紀就已開始。20世紀40年代後期，由於噴氣式發動機在飛機上的使用，氣流噪聲的研究便發展起來。M.J.萊特希爾在1952年建立的湍流聲理論成為現代氣流噪聲研究的一個重要基礎。常見的氣流噪聲有噴氣噪聲、邊棱聲、卡門渦旋聲、受激渦旋聲、螺旋槳噪聲、風扇聲等。

基本介紹

• 中文名：氣流噪聲
• 外文名：The air flow noise
• 含義：氣流由噴口噴出，形成噴注
• 常見的噴口：收縮噴口和縮擴噴口
• 研究時間：19世紀已開始
• 學科：環境科學

簡介

氣流由噴口噴出，形成噴注。常見的噴口有收縮噴口和縮擴噴口兩種。前者出口處氣流速度最大可以達到臨界聲速，而後者可以達到超聲速。噴氣噪聲是由噴注氣流的起伏運動產生的。由於噴口的不同,以及氣流在噴口處的流動特性不同，噴氣噪聲的產生機制和氣流運動的規律也不同。

常見的氣流噪聲

常見的氣流噪聲有噴注噪聲、邊棱聲、卡門渦旋聲、受激渦旋聲、螺旋槳噪聲、風扇聲等。噴注噪聲氣流由噴嘴噴出形成噴注。常見的噴瓚有收縮噴嘴及縮擴噴嘴兩種。前者出口處氣流速度最大可以達到臨界聲速，而後者可以達到超聲速。噴注噪聲是由噴注氣流的起伏運動產生的。由於噴嘴的不同，以及氣流在噴口處的流動特性不同，噴注噪聲產生的機制和氣流運動的規律也不同。

噴氣噪聲聲壓級

馬大猷等中國科學家得到以噴口內的駐點壓力表示的收縮噴口噴注在離噴口 1米並在垂直於噴注軸線方向上的噴氣噪聲的聲壓級（分貝）公式為：

式中R=ps/p1；D的單位為毫米。該式適用於聲速噴注的湍流噪聲和亞聲速噴氣噪聲，R-1值在0.01～100之間。

超聲速噴氣噪聲

膨脹適當（在噴口處的壓力正等於周圍大氣壓力）的超聲速噴注所產生的噪聲。在噴注馬赫數MJ=vJ/c1小於2時,超聲速噴氣噪聲的聲功率仍滿足式。隨噴注馬赫數的增加,噴注所輻射的總聲功率從與v恲成正比轉變到與v庈成正比,即W～ρ0D2v庈。噴氣噪聲輻射效率與M嵼的關係逐漸轉變到一個常數。當噴氣速度大於約1.61C1時，渦旋漂流速度成為超聲速，運動的渦旋就像飛行的子彈那樣產生衝擊波。但這種噪聲不是主要的。

噴氣嘯叫聲

超聲速噴口處的壓力如低於或高於周圍大氣壓力，或是收縮噴口阻塞時，在噴注中產生由衝擊波形成的噴注。氣流中的一個擾動隨流而下,遇到衝擊波面,輻射聲波。這個聲波通過噴注外的大氣入射到噴口，激發一個新的氣流擾動。增強了的新擾動隨流而下，遇到衝擊波面，輻射更強的聲波。如此循環，直到聲波反饋的能量與耗散的能量平衡，完成自激，輻射強嘯叫聲。嘯叫聲的頻譜是離散譜，基頻是：

噴氣嘯叫聲的功率往往比噴氣湍流噪聲高很多，但容易消除。最簡單的辦法是在噴口上安裝幾塊沿噴口徑向的小翼片以破壞衝擊波面的自激。

邊棱聲

產生邊棱聲的設備如圖4所示。噴注中的一個擾動順流而下衝擊到尖劈的邊棱，輻射聲波。這個聲波入射到噴口，在氣流中產生一個新擾動。如此循環，形成自激。邊棱聲主要是離散頻譜，其基頻值同噴氣速度以及同邊棱和噴口之間的距離有關。對於任一噴氣速度，存在一最小距離。小於這個距離，不會產生邊棱聲；大於這個距離時，音調隨速度的增加而升高，並且隨距離的增加而降低，直到某一速度和距離，音調才會發生一躍變。此後，隨距離或速度的繼續增加，音調又連續變化，直到另一躍變發生。反之，當速度或距離不斷減小時，音調的變化與前一過程相反，但音調躍變的條件則與前一過程稍有不同。

卡門渦旋聲

或稱風吹聲，是氣流遇到障礙物,在障礙物後產生卡門渦旋時輻射的聲。如風吹電線、樹枝和桅索產生的聲音是常見的卡門渦旋聲。以一垂直於氣流方向的圓柱為例，當雷諾數(Re)逐漸增加到：

（式中μ為流體的運動粘滯係數；D為圓柱的直徑；v為迎面氣流的速度）時，圓柱後方的附面層便產生脫體渦旋，在圓柱截面上方和下方交替脫下，形成一條順流而下的渦旋街。由於脫體渦旋帶走了動量，並且上方和下方的渦旋帶走的動量方向正好相反，相當於圓柱對流體施加一橫向的交變氣動力，因此輻射聲波。卡門渦旋聲有一峰值頻率，當雷諾數增加時，卡門渦旋聲的頻寬也增加，直到R>105，圓柱的尾流成為湍流，卡門渦旋聲轉變為湍流噪聲。

受激渦旋聲

氣流中的障礙物在合適的雷諾數範圍內產生卡門渦旋，輻射卡門渦旋聲。如有一反饋作用正好使脫體的渦旋形成自激，則產生受激渦旋聲。在某種情況下,其聲功率可達數千瓦,致使設備因聲疲勞而破壞。常見的產生受激渦旋聲的結構是：

①截面為矩形、兩個邊長分別為lx及ly的通風管道，在管道內與氣流方向垂直有一直徑為D的圓柱。管道截面第m、n階聲共振頻率為：

式中m及n為正整數。當卡門渦旋的脫落頻率與聲共振的某一頻率相合時，由於聲波共振對渦旋脫體的反饋作用，產生自激，輻射受激渦旋聲。

②兩個垂直於氣流而彼此平行的圓柱，一前一後順流排列，在前一個圓柱脫體的渦旋順流而下，衝擊到後面一個圓柱，產生擾動輻射聲波。如果這個聲波入射到上游的圓柱時，正好碰上新的渦旋脫體，而給它以促進，供給能量，這個脫體的新渦旋便順流而下。如此循環，形成自激，產生受激渦旋聲。

螺旋槳噪聲

螺旋槳旋轉時，葉片相對於氣流運動，給氣流以力的作用而輻射噪聲。可按氣動力或按氣流作用於葉片的升力及阻力的分布推算噪聲輻射。螺旋槳的運動是旋轉的周期運動，噪聲場也繞螺旋槳軸線旋轉。輻射噪聲具有明顯的離散頻譜,基頻等於葉片數目B與旋轉頻率Ω/2π的乘積，Ω是旋轉角速度或圓頻率。螺旋槳噪聲輻射同它的迎面氣流是否按空間均勻分布有關，對均勻分布情況，所有諧波聲場均以一個頻率Ω/2π旋轉，各次諧波所輻射的聲功率隨諧波的階次很快減小。輻射噪聲的功率也隨葉片的數目而減小。當迎面氣流不均勻時，噪聲輻射較複雜，輻射的噪聲也比氣流均勻時更強。

由於葉片厚度在空間占有體積，旋轉時對氣流的空間的取代也會產生噪聲。在低速時，這種噪聲比上述氣動力產生的噪聲小，一般可以不計。

風扇噪聲

風扇由於用途不同，品種很多，螺旋槳風扇只是其中的一種。各種風扇噪聲的理論基礎基本上與螺旋槳風扇相同，只是由於前方的氣流分布、葉片的形狀和排列等不同而使各種風扇的噪聲輻射具有各自的特點。出廠的風扇應由廠方給出測得的倍頻帶基本聲功率級LW(B)，即該風扇工作於體積流率為1m³/s和靜壓為1N/m²的聲功率。由於風扇有突出的基頻聲成分，結果還要在相應於基頻即BΩ/2π的那個倍頻程聲功率級上加上3～8分貝，具體數可視風扇的品種而定。