声学原理_第四讲-2013

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§1.5.3 分布声源（示意图）
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§1.5.4 辐射阻抗
辐射阻抗表述媒质对振动面运动的反作用，其定义 为辐射力 Fr 与表面速度 v 的比 ( Fv / v) 。 – 辐射力是在运动方向上表面压力的总和，它对于 克服辐射压力对声源的反作用是必要的； – 辐射阻抗包括辐射阻和辐射抗两部分。辐射阻的 存在表明有声功率辐射，而辐射抗是由振动时附 加的同振质量引起的。
（取决于应力方向） 典型的四极子： – 喷流噪声（混合层，喷流啸音） – 湍流脉动发声
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混合层的演变
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6
超音速喷流啸音（Ma=1.42)
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§1.5.2.4 运动点源
如图所示，声源在A点 发射，以速度U向前运动 ，经过t * 秒后到B点， 再经t-t *秒后，B点发出 A 的声波达到观察点C(观 察点坐标 X = { x1 , x2 , x3 } ) ，此时声源与观察点的 距离可以表示为：
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§ 1.5.2 基本声源分类
2
1
§ 1.5.2 基本声源分类
monopole
dipole
Lateral quadrupole
Longitudinal quadrupole
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§1.5.2.1 单极子源发声机理
一个具有脉动质量流的点源 单极子源辐射声场无指向性（静止流场中） 典型的单极子： –镶进一个大障板的扬声器； –来自一个排气管的脉动喷气； –爆炸的炸弹； –倾角为零的螺旋桨； –变压器铁芯磁致伸缩产生的膨胀和收缩；
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桨/涡干涉噪声
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风扇气动噪声
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将(2)代入(1)可得
r= =
2 ( x - Ut ) + (1- M 2 )( x 2 + x 2 + x 2 - U 2 t 2 )]1/ 2 M a ( x1 -Ut ) [ M a a 1 1 2 3 2 1- M a 2 2 ) X - Ut }1/ 2 M a ( X -Ut ) {[ M a ( X -Ut )]2 + (1- M a 2 1- M a
§1.5 声源基本发声机理与理论
§1.5.1 引言 §1.5.2 基本声源发声机理与理论 § 1.5.2.1 1 5 2 1 单极子源发声机理 § 1.5.3.2 偶极子源发声机理 § 1.5.4.3 四极子源发声机理 § 1.5.4.5 运动点源机理 § 1.5.4.4 声源基本理论 § 1.5.3 分布声源 § 1.5.4 辐射阻抗 § 1.5.5 航空噪声源
B
2 + x2 r = c(t - t * ) = {( x1 -U t * ) 2 + x2 3}
1/ 2
由上式可以得到一个关于发射时间 解出 t * ：
t * 的二次方程，从而
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C （1）
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§1.5.2.4 运动点源(续)
2 )( x 2 + x 2 )]1/ 2 ct - M a x1 [( x1 - Ut ) 2 + (1 - M a (2) 2 3 t = 2 c( (1 - M a ) *
◆ 飞行器的速度超音时，其前端与尾部会分别出
现一道激波。由激波产生的噪音就是声爆。
◆ 声爆会影响飞行器经过的区域，影响范围呈放
射状散开，造成很大程度的噪声污染。 声爆是一种脉动声源，所以对飞行器的结构 有一定的破坏作用。
◆
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典型大涵道比涡扇发动机声源
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喷流噪声
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燃烧噪声
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3
纵向偶极子
亚音速
超音速
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横向偶极子
亚音速Βιβλιοθήκη Baidu
超音速
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4
阵风/翼型干涉噪声
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阵风/叶栅干涉噪声
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§ 1.5.2.3 四极子源发声机理
两个非常接近、相位相反的偶极子 应力声源，无净质量流率与净作用力 应力声源 无净质量流率与净作用力 四极子具有指向性：纵向、侧向
Longitudinal quadrupole Lateral quadrupole
Landing gear
Tandem cylinder
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声爆（Sonic Booms）的物理现象
NASA拍摄的超音速飞机产生的激波
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声爆的物理现象
F14战斗机声爆近场
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声爆现象的数值模拟
X43分离过程的数值模拟结果
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声爆影响范围示意图
波阵面在三维空间中是锥面
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声爆的物理特性
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§1.5.5 航空噪声源
主要航空噪声源: 飞机机体噪声（高升力装置、起落架 ） 声爆 航空发动机气动噪声
风扇/压气机噪声 涡轮噪声 燃烧噪声 喷流噪声
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飞机机体噪声
High lift device
Slat
单极子
偶极子
四极子
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§ 1.5.3 分布声源
若源区并非足够小即构成分布声源。 分布声源可用多个基本点声源来描述。 分布声源可用多个基本点声源来描述 从空间分布来看，分布声源包括线源、面源与体源，空 间辐射声场在数学上对应着线积分、面积分与体积分。 在距离声源很远的地方 (rob b , , rob b Ls ) , 分布声源 仍可看作点声源。
(3)
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§1.5.2.4 运动点源(续)
由上式不难看出，对于亚音速运动，r只有一个正的实根；对于超 音速运动，r存在两个正实根的条件为：
[ M a ( X - Ut )]2 + (1 - M a2 ) X - Ut > 0
2
(4) (5)
或：
M
2 a a
- 1
M
/
M M
a a

(X - U t) < 1 X - U t
4
2
单极子源发声机理
亚音速
超音速
5
§1.5.2.2 偶极子源发声机理
两个非常接近、相位相反的单极子 质量中心产生运动，存在净动量 偶极子具有指向性，呈 偶极子具有指向性 呈8字图形 运动的偶极子源：纵向（亚音、超音） 典型的偶极子： 横向（亚音、超音）
–直升机桨涡干涉噪声 –风扇/出口导流叶片、压气机 出口导流叶片 压气机(涡轮)转/静干涉噪声 –倾角不为零的螺旋桨 –风吹电线产生的哨声 –乐器上振动的弦
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§ 1.5.2.5 声源基本理论
( 0vi ) 0q t xi 动量方程： ( 0vi ) c 2 f Tij i t xi xi
连续方程： 包含源项的非齐次波动方程：
2 2Tij 2 q f i 2 c 0 t 2 xi2 t xi xi x j
其中，马赫角：
a = cos-1 M a2 - 1 Ma = sin i -1 p 1 < Ma 2
r+
O
r16
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§1.5.2.4 运动点源(续)
观察者(O点)与声源运动方向的夹角：
d = cos-1 M a ( X - Ut ) M a X - Ut
式(5)意味着r存在两个有效正实根或观察者同时接收到 两次声源辐射的条件是观察者必须位于运动产生的马赫 锥内。