三个基本气动噪声源、实际噪声及其主要特征

weixin

　　在气动噪声中，主要有三个阶次的噪声源：即单极子、偶极子、四极子。

　　1、单极子声源

　　单极子可以认为是一个脉动质量的点源。例如，如果一个小气球的中心被安置在这个点源上，我们便会观测到，该气球随着流体质豪的加入或排出而膨胀或收缩。这个运动总是纯径向的，而周围的流体则应该压缩以适应其运动，这样一来，就形成了一个球对称的声场。

　　人们观测到通过该边界有流体的累计静流量的流出与流人。这就是单极子声源。对于单极子声源，声场的振幅和相位在球表面上的每一个点都是相同的，在静止流体中的单极子声源的指向性是在各个左向均匀的。

　　根据单极子声源的特点，立刻可以断定爆炸就是单极子声源。事实上，氢弹就是世界上最大的破灭等。如果围绕一个活塞式发动机排气管划出一个边界，将看到排气管端有一个脉动着的质量源;如果声波的波长大于该排气管直径，则该声场就十分接近于一个单极子点声源。

　　2、偶极子声源

　　偶极子可以看做是相互十分接近而相位相差180°的两个单极子。如图1所示，如果沿整个球形边界进行积分，则流体的静流率总是显示为零，因为流人的流量等于流出的流量。但是，因为流入流动与流出流动的方向一致，它们的动量是相加的，所以该系统就存在一个静动量。根据牛顿定律一定可望找到一个与偶极子有关的力。偶极子的另外一种描述是把它认为是一个由振荡作用力驭动的球。

　　以上两种描述中，在测量边界上的流体运动时是等价的。注意到沿着动量变化或作用力的轴向存在着径向流动，因此，可以推断那里的可压缩运动或声学运动是最大的;而在与该轴向相差90°的方向上，没有径向运动存在。

　　因此偶极子声场的特征是，该声场有一个最大值方向，而与该方向垂直的方向上，声压应该为零值。正像在声源处流体的流出流动与流入流动的相位差那样，偶极子声场的每一个声瓣相差180°。如果质量中心产生运动，则一个偶极子声源就将产生。

　　为了更好地了解偶极子，首先讨论由振动着的固体所产生的偶极子源。由作用力所造成的球的往复运动。或者是乐器上振动着的弦产生的声源，都是力偶极子的典型实例。当弹拨弦或者打击一个铜钹时，就将振荡的动量传递给了它们，而这些振荡的动量部分地由于声辐射而衰减。铜钹的演奏者，在打击了铜钹以后，就转动它们，于是偶极子轴就可被指向听众。

　　上述实例中物体的力或动量是随时间而变化的。在非定常运动中的力也能产生一个声场，螺旋桨转子和直升机旋冀就是典型的实例，尽管从加速度坐标系来看，作用力是定常力，但它们是典型的偶极子声源。

　　上述这些概念可以转换到只存在流休运动的情况下。脉动力可以通过表面力而作用于流体上，例如上述提到的转子和旋翼等运动着的固体表面就是显而易见的实例。此外，还存在一种消极的方法使得固体表面成为产生力的根源，例如。风吹到任何一个尖边缘的固体上，固休表面的某些结构形状会改变流场，使得能量从定常流动中汲出，并以净脉动力的形式作用在固定的固体材料上，将能量加人到脉动流动中去。它的反作用力导致发生偶极声场。

　　这类偶极子源最典型的例子，也是最常见的气动力声源，就是风吹过电线所形成的哨声。围绕圆柱的流动在其尾迹区域中变为不稳定，从而形成被称之为卡门涡街的脉动尾迹动量。该动量脉动直接导致升力和阻力的脉动，而后两者会产生轴方向相互垂直的两个偶极子声场。所有气动力表面(机翼和风扇叶片)的流出边都会导致脉动尾迹、脉动力和偶极子声场的发生，即使这些固体本身并不产生声。也有在进气边形成偶极子声场的情形，例如当脉动与任一表面相干涉。其作用必定如同动量脉动一样。

　　3、四极子声源

　　四极子可以看做是由两个具有相反相位的偶极子形成的，因而也就是由四个单极子所组成。因为偶极子有一个轴，所以偶极子的组合可以是横向的，也可以是纵向的，如图所示。

　　横向四极子表示剪切应力，而纵向四极子则表示纵向应力。横向四极子具有两个主轴，一个是沿着诸力的方向，而另一个则在诸力当中。横向四极子有四个声瓣。纵向四极子可以看做是横向四极子的退化形式，它只有一个轴，并在声场中只产生两个声瓣。沿着围绕四极子源的球形边界积分，既没有净质量流量，也没有净作用力存在。

　　机械应力和电磁应力都能作用到流体上去。在诸如射流和边界层那些具有大的平均速度梯度的区域，最常见到流体机械应力的存在。电磁应力则可以作用于任何带有电流的介质上。因此，可望在实际上每个流体流动中找到四极子声源。以后的研究会发现，在多数情况下，这些声源的声功率都是较小的。

　　4、实际声源

　　任何实际声源可以看做是由适当的相位(或时间滞后)和幅值的诸单极的一个分布系统所组成的。正常情况下，不可能把这样的问题公式化。采用称为偶极子和四极子的这种单极的特殊组合，就允许把直觉知识用于特殊问题。考虑一个机器噪声问题，通常可以判定哪一种形式的声源占主导地位，并根据这种判定预测声源的某些特征。如果能作出这种近似，就可以应用上述的简单物理模型来掌握许多有关物理过程的声的产生。于是，困难就集中在用一个点源来近似一个多源的分布上。

　　令人惊奇的是，对于许多实际机器来说，都可以采用点源模型。这种近似所用的一般准则是，所要研究的最高频率的波长应该远大于声源的物理尺寸。即使机翼尺寸大于声波波长。发射着高频噪声的机翼仍然可以采用点源模型。这是因为准则是针对实际声源(流体流动)的物相关的面积和相关体积，都可以认为是一个小尺寸的孤立声源。于是一个很大的机翼或转子叶片，可以用沿着叶片展长分布的孤立点源的总和来模拟。在分析流体力学噪声问题中，应用相关长度的概念是十分重要的。

　　本文相关内容摘录自乔渭阳撰写的《航空发动机气动声学》一书。