湍流噪声1.doc

湍流噪声湍流噪声是流动中的雷诺应力辐射的噪声。湍流是极常见的一种流动，起源于流动的不稳定性。流动的稳定性与雷诺数有关，当雷诺数超过某一临界值时，流体中的某一小扰动将继续增长，最后发展成为湍流。流体中的切向速度间断是产生湍流的一种原因。当喷注离开喷口时，由于喷注外的流体是静止的，速度为零，喷注与周围流体之间的切向速度就有了间断，而产生喷注湍流。湍流中速度可以表示为U+u，前者为流体的平均速度，后者为叠加于平均速度上的速度扰动，它们各自具有自己的空间分布。M.J.Light 首先推导出湍流噪声的表达式，认为湍流中的雷诺应力是湍流噪声源，湍流噪声具有四极子特性。喷注的速度测量比较困难，不如直接测气室压力容易。我国学者研究出气压室压力比R表示的、并转换为在喷口垂直方向上1m处的喷注湍流噪声声压公式 式中：R=PS+ Pa；PS气室压力；Pa大气压力；D为喷口直径。关于频谱，由于在喷口附近生成的湍流涡旋在飘移而下的过程中，其线度逐渐增大，所辐射的噪声的频率逐渐降低。因此，喷注各截面所辐射的噪声不仅强度而且频率都不相同，喷口进处主要辐射高频噪声，远处主要是低频噪声。湍流噪声的频谱为“草堆”状。什么是湍流噪声？turbulent noise流体中产生湍流时所发射的噪声。湍流噪声具有四极子特性。什么是喷注噪声？jet noise 由喷注气流的起伏运动产生的噪声，包括湍流噪声，有时（如阻塞喷注、欠膨胀或过膨胀的超声速喷注）还产生冲击式噪声。什么是涡流声？vortex tone当气流遇到障碍物（如电线、树枝等）时，在障碍物的后方气体脱体产生涡旋时辐射的声。什么是再生噪声？regenerated noise 气流在管道中或消声器中产生的噪声，其大小与气流速度和气流经消声器的压降有关。再生噪声会降低消声器的效果甚至使之完全失效。什么是阀门噪声？valve noise流体通过阀门时产生的噪声。包括流体脉动引起阀门附件机械振动噪声、空穴作用引起的噪声以及阀门减压时的气体动力噪声。对于液体，主要噪声源为紧接阀门下游处液体的空化；对于气体，阀门噪声主要为偶极子声源或四极子声源，视通过阀门的压差而定，当上游压力大于临界压力时还会产生冲击噪声，空化噪声和冲击噪声的强度很大，还可能引起阀门结构和其附近管道共振而产生疲劳破坏。控制空化噪声的有效方法是在管道中装一块或几块孔板分担阀门的压降使其不发生空化。控制输气管道的阀门噪声可将管道下游包扎或紧接阀门下游安装一管道消声器。设计时尽可能选用低噪声阀门。什么是传声损失？sound transmission loss墙或间壁一面的入射声功率级与另一面的透射声功率级之差。隔声量等于透射系数的倒数取以10为底的对数乘以10，单位为dB。气流噪声-正文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： 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（式中p1为环境大气压力;为喷注气体的比热比）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。在亚声速喷注（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 vc0.62vJ(式中vJ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： (1)式中0和c0分别为周围大气的密度和声速;D为喷口直径；为喷注的密度；k为常数,等于(0.31.8)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。 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： (2)式中Rps/p1;D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0.01100之间。 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=vJ/c1小于2时,超声速喷气噪声的声功率仍满足式(1)。随喷注马赫数的增加,喷注所辐射的总声功率从与v恲成正比转变到与v庈成正比,即W0D2v庈。喷气噪声辐射效率与M嵼的关系逐渐转变到一个常数。当喷气速度大于约1.61C1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。 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（图3）。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： 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。 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（式中956; 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R105,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： 式中Sr为斯特劳哈尔数,Sr0.2。卡门涡旋声的总功率可由下式计算： 式中 为圆柱的升力系数和其直径的比值，约为0.52，是一常数；l为圆柱的长度；为气动力沿圆柱轴向上的相关距离，其值约为圆柱直径的34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：截面为矩形、两个边长分别为lx及ly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： 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。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/2的乘积，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/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