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[噪声治理] 常见气流噪声:喷气噪声、边棱声、卡门涡旋声…

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发表于 2017-11-23 09:35 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  气流的起伏运动或气动力产生的噪声。对气流噪声个别现象的观察和研究从19世纪就已开始。20世纪40年代后期,由于喷气式发动机在飞机上的使用,气流噪声的研究便发展起来。M.J.莱特希尔在1952年建立的湍流声理论成为现代气流噪声研究的一个重要基础。常见的气流噪声有喷气噪声、边棱声、卡门涡旋声、受激涡旋声、螺旋桨噪声、风扇声等。

  喷气噪声
  喷气噪声是气流由喷口喷出,形成喷注。常见的喷口有收缩喷口和缩扩喷口两种。前者出口处气流速度最大可以达到临界声速,而后者可以达到超声速。喷气噪声是由喷注气流的起伏运动产生的。由于喷口的不同,以及气流在喷口处的流动特性不同,喷气噪声的产生机制和气流运动的规律也不同。喷气噪声可以分为三种:

  01、亚声速喷气噪声
  气流由收缩喷口喷出,形成喷注,当喷口内气流的驻点压力(或气室压力)小于临界压力,即
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  式中,P0为环境大气压力;γ为喷注气体的比热比。

  此时,喷口处的气流速度小于临界声速,这种喷注叫亚声速喷注。当喷口内气流的驻点压力等于或大于临界压力时,喷口的气流速度等于临界声速,这种喷注叫声速喷注。
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  图1 亚声速喷注结构
  图1中势核内的流动仍保持层流运动,在混合区内,由于喷注气流与周围大气强烈混合产生湍流,经过渡区成为完全的湍流运动。喷注中的湍流可以看作是具有各种尺寸、各种寿命和各种起伏频率的涡旋,由主流运载并以漂流速度c≈0.62J(式中J是喷注速度)顺流而下。亚声速喷气噪声是湍流噪声,主要产生于混合区,喷注所辐射的总声功率 (W) 是:
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  式中,ρ0c0分别为周围大气的密度和声速;D为喷口直径;ρ为喷注的密度;k为常数,等于(0.3~1.8)×10⁻⁴。亚声速喷气噪声是宽带噪声,带宽约占6个倍频程。图2是在垂直于喷注轴线方向上的声压级的三分之一倍频程谱。亚声速喷气噪声具有明显的指向性,在前方约30°的方向上噪声最强,在喷注的上游方向最弱。
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  图2 亚声速喷气噪声的1/3倍频程谱
  马大猷等中国科学家得到以喷口内的驻点压力表示的收缩喷口喷注,在离喷口1米并在垂直于喷注轴线方向上的喷气噪声的声压级(分贝)公式为:
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  式中,R=ps/p1D的单位为毫米。

  该式适用于声速喷注的湍流噪声和亚声速喷气噪声,R-1值在0.01~100之间。

  02、超声速喷气噪声
  膨胀适当(在喷口处的压力正等于周围大气压力)的超声速喷注所产生的噪声。在喷注马赫数MJ=J/c1小于2时,超声速喷气噪声的声功率仍满足喷注所辐射的总声功率公式。随喷注马赫数的增加,喷注所辐射的总声功率从与P1成正比转变到与P2成正比,即W~ρDP2。喷气噪声辐射效率为
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  上式与MJ 的关系逐渐变为一个常数。当喷气速度大于约1.61C时,涡旋漂流速度成为超声速,运动的涡旋就像飞行的子弹那样产生冲击波。但这种噪声不是主要的。

  03、喷气啸叫声
  超声速喷口处的压力如低于或高于周围大气压力,或是收缩喷口阻塞时,在喷注中产生由冲击波形成的喷注如图3。
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  图3 冲击波形成小室的喷注
  气流中的一个扰动随流而下,遇到冲击波面,辐射声波。这个声波通过喷注外的大气入射到喷口,激发一个新的气流扰动。增强了的新扰动随流而下,遇到冲击波面,辐射更强的声波。如此循环,直到声波反馈的能量与耗散的能量平衡,完成自激,辐射强啸叫声。啸叫声的频谱是离散谱,基频是:
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  喷气啸叫声的功率往往比喷气湍流噪声高很多,但容易消除。最简单的办法是在喷口上安装几块沿喷口径向的小翼片,以破坏冲击波面的自激。

  边棱声
  产生边棱声的设备如图4所示。喷注中的一个扰动顺流而下冲击到尖劈的边棱,辐射声波。这个声波入射到喷口,在气流中产生一个新扰动。如此循环,形成自激。边棱声主要是离散频谱,其基频值同喷气速度以及同边棱和喷口之间的距离有关。对于任一喷气速度,存在一最小距离。小于这个距离,不会产生边棱声;大于这个距离时,音调随速度的增加而升高,并且随距离的增加而降低,直到某一速度和距离,音调才会发生一跃变。此后,随距离或速度的继续增加,音调又连续变化,直到另一跃变发生。反之,当速度或距离不断减小时,音调的变化与前一过程相反,但音调跃变的条件则与前一过程稍有不同。
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  图4 产生变棱声的设备

  卡门涡旋声
  卡门涡旋声或称风吹声,是气流遇到障碍物,在障碍物后产生卡门涡旋时辐射的声。如风吹电线、树枝和桅索产生的声音是常见的卡门涡旋声。以一垂直于气流方向的圆柱为例,当雷诺数(Re)逐渐增加到
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  式中,μ为流体的运动粘滞系数;D为圆柱的直径;v为迎面气流的速度时,圆柱后方的附面层便产生脱体涡旋,在圆柱截面上方和下方交替脱下,形成一条顺流而下的涡旋街。由于脱体涡旋带走了动量,并且上方和下方的涡旋带走的动量方向正好相反,相当于圆柱对流体施加一横向的交变气动力,因此辐射声波。卡门涡旋声有一峰值频率,当雷诺数增加时,卡门涡旋声的带宽也增加,直到Re>10⁵,圆柱的尾流成为湍流,卡门涡旋声转变为湍流噪声。卡门涡旋声的峰值频率为:
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  式中,Sr为斯特劳哈尔数,Sr≈0.2。卡门涡旋声的总功率可由下式计算:
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  式中,β为圆柱的升力系数和其直径的比值,约为0.5~2,是一常数;l 为圆柱的长度;c0为气动力沿圆柱轴向上的相关距离,其值约为圆柱直径的3~4倍。

  受激涡旋声
  气流中的障碍物在合适的雷诺数范围内产生卡门涡旋,辐射卡门涡旋声。如有一反馈作用正好使脱体的涡旋形成自激,则产生受激涡旋声。在某种情况下,其声功率可达数千瓦,致使设备因声疲劳而破坏。常见的产生受激涡旋声的结构是:

  1. 截面为矩形、两个边长分别为lxly的通风管道,在管道内与气流方向垂直有一直径为D的圆柱。管道截面第m、n阶声共振频率为:
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  式中m及n为正整数。当卡门涡旋的脱落频率与声共振的某一频率相合时,由于声波共振对涡旋脱体的反馈作用,产生自激,辐射受激涡旋声。

  2. 两个垂直于气流而彼此平行的圆柱,一前一后顺流排列,在前一个圆柱脱体的涡旋顺流而下,冲击到后面一个圆柱,产生扰动辐射声波。如果这个声波入射到上游的圆柱时,正好碰上新的涡旋脱体,而给它以促进,供给能量,这个脱体的新涡旋便顺流而下。如此循环,形成自激,产生受激涡旋声。

  螺旋桨噪声
  螺旋桨旋转时,叶片相对于气流运动,给气流以力的作用而辐射噪声。可按气动力或按气流作用于叶片的升力及阻力的分布推算噪声辐射。螺旋桨的运动是旋转的周期运动,噪声场也绕螺旋桨轴线旋转。辐射噪声具有明显的离散频谱,基频等于叶片数目B与旋转频率Ω/2的乘积,Ω是旋转角速度或圆频率。螺旋桨噪声辐射同它的迎面气流是否按空间均匀分布有关,对均匀分布情况,所有谐波声场均以一个频率Ω/2旋转,各次谐波所辐射的声功率随谐波的阶次很快减小。辐射噪声的功率也随叶片的数目而减小。当迎面气流不均匀时,噪声辐射较复杂,辐射的噪声也比气流均匀时更强。

  由于叶片厚度在空间占有体积,旋转时对气流的空间的取代也会产生噪声。在低速时,这种噪声比上述气动力产生的噪声小,一般可以不计。

  风扇噪声
  风扇由于用途不同,品种很多,螺旋桨风扇只是其中的一种。各种风扇噪声的理论基础基本上与螺旋桨风扇相同,只是由于前方的气流分布、叶片的形状和排列等不同而使各种风扇的噪声辐射具有各自的特点。出厂的风扇应由厂方给出测得的倍频带基本声功率级LW(B),即该风扇工作于体积流率为1m/s和静压为1N/m的声功率。在实际使用中,根据下式计算实际的倍频程声功率级。
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  式中,Q为I 态的体积流率;P为静压。由于风扇有突出的基频声成分,式中所计算的结果还要在相应于基频即BΩ/2的那个倍频程声功率级上加上3~8分贝,具体数可视风扇的品种而定。

  来源:互动百科

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