气动噪声基础知识：几类声源的基本特性

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　　随着工业的发展，气动噪声的出现日益广泛，在锅炉、热机、通风设备、风动工具，以至飞机、火箭等现代工业中都会遇到气动噪声问题。研究气动噪声的机理和规律，寻求降低它的方法，以减少对人的干扰和危害，一直是噪声和噪声控制研究方面的重要课题。根据声源理论，气动噪声主要可分为单极子声源、偶极子声源、四极子声源。

　　单极子声源

　　单极子和脉动球体一样，产生的声波波阵面是同相位的，指向性是一个圆球。如果脉动球半径a远小于波长的1/6，其表面沿着半径方向做简谐振动，即为简单声源或单极子。辐射只与球面上总流速有关，与声源形状无关。

　　媒质中流入的质量或热量不均匀时形成单极子声源(或叫做简单声源)。典型的单极子声源如高速气流经喷口周期性排放的脉冲喷气，稳定气流受到周期性调制的旋笛，以及使空气作周期性位移的零倾角螺旋桨等。

　　一个单极子辐射的声功率为：

　　式中，ρ是喷注气流密度，D是喷口直径，V是气流速度，ρ0是环境气体密度，c0是环境气体声速，M是流动马赫数。

　　偶极子声源

　　两个相等而相位相反的单极子，相距一个短距离就构成一个偶极子。当流体中有障碍物存在时，流体与物体产生的不稳定的反作用力形成偶极子声源。偶极子声源是力声源，风吹电线声、空气压缩机、动片和导流片、倾角不为零的螺旋桨是常见的偶极子声源例子。偶极子可看作是相位差1800的两个单极子形成的，指向性呈“8”字型。

　　偶极子辐射的声功率为：

　　四极子声源

　　两个偶极子构造完全相同，但振动相位相反，位置错开一个小距离就构成四级子。媒质中如没有质量或热量的注入，也没有障碍物存在，唯有粘滞应力可能辐射声波，这就是四极子声源，它是应力声源。亚声速湍流喷注噪声是最常见的影响最广的四极子噪声。四极子可看作是一对极性相反的偶极子组成的，指向性呈“四叶玫瑰线形”。

　　三类声源的比较

　　由表可见，单极子的声效率与流体的马赫数一次方成正比，偶极子和四极子的声效率则分别比例于M2和M&#8309;。在亚声速，M<1，按声效率的大小比较，单极子最高，偶极子次之，四极子最低。这说明，降低亚声速湍流喷注四极子噪声是很困难的，因为想引入任何物体来改变湍流的企图都要失败。物体在流动中将产生偶极子场，它是一个更加有效的辐射声源。声效率除了与马赫数有关外，还与发声过程本身有关。

　　另一方面，就声功率而言，情况正相反，单极子、偶极子和四极子的声功率分别与流速的四次方、六次方和八次方成正比，四极子的声功率可大大超过其余两种。降低流速可大大减小噪声，流速减半，单极子的声功率降低12dB，偶极子降低18dB，四极子则降低24dB。喷气的功率和推力比例于D2V3，如要使功率或推力加倍，可使D增加为原来的√2倍或使V增加为原来的3√2倍，前者使噪声高3dB，而后者高8dB，因为用加大直径来提高功率或推力的办法好。相反，如果保持功率或推力不变，把D加倍可使V降低到1/3√4，总噪声级就降低10dB。这就是近代涡轮风扇发动机和高涵道比涡轮风扇发动机上所采用的噪声降低原理。

　　来源：节选自百度文库 《声学系统——理想流体中声场的基本特性》PPT

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