常见气流噪声：喷气噪声、边棱声、卡门涡旋声…

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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

　　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。

　　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：

　　式中，ρ0和c0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。

　　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：

　　式中，R=ps/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0.01～100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

　　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。

　　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：

　　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。

　　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

　　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：

　　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：

　　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。

　　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。

　　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。

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