气流噪声原理

qiliu zaosheng

气流噪声

airflow noise

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[283-01]（式中为环境大气压力;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 [亚

声速喷注结构]）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≈0.62(式中是喷注速度)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()是：

[283-02] (1)式中和分别为周围大气的密度和声速;为喷

口直径；为喷注的密度；为常数,等于(0.3～1.8)×10(。亚声速喷气噪声是宽带噪声，带宽约占6个倍频程。图2[亚声速喷气噪声的1／3倍频程

谱]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：

[283-03] (2)式中＝/;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，-1值在0.01～100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=/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成正比转变到与成正比,即～喷气噪声辐射效

率[283-04]与的关系逐渐转变到一个常数。当喷气速度大于约 1.61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 [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：

[283-05]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 [产生边棱声的设

备]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()

逐渐增加到[283-06]（式中为流体的运动粘滞系数；为圆柱的直径；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＞10,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：

[283-07]式中为斯特劳哈尔数,≈0.2。卡门涡旋声的总功率可由下式计算：

[283-08]式中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；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

及的通风管道，在管道内与气流方向垂直有一直径为的圆柱管道截面第、阶声共振频率为：

[283-09]式中及为正整数。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()，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。

[284-01]式中为I态的体积流率;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Ω/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。