氣流噪聲
正文
氣流的起伏運動或氣動力產生的噪聲。對氣流噪聲個別現象的觀察和研究從19世紀就已開始。20世紀40年代後期，由於噴氣式發動機在飛機上的使用，氣流噪聲的研究便發展起來。M.J.萊特希爾在1952年建立的湍流聲理論成為現代氣流噪聲研究的一個重要基礎。常見的氣流噪聲有噴氣噪聲、邊棱聲、卡門渦鏇聲、受激渦鏇聲、螺鏇槳噪聲、風扇聲等。噴氣噪聲 氣流由噴口噴出，形成噴注。常見的噴口有收縮噴口和縮擴噴口兩種。前者出口處氣流速度最大可以達到臨界聲速，而後者可以達到超聲速。噴氣噪聲是由噴注氣流的起伏運動產生的。由於噴口的不同,以及氣流在噴口處的流動特性不同，噴氣噪聲的產生機制和氣流運動的規律也不同。噴氣噪聲可以分為三種：
亞聲速噴氣噪聲 氣流由收縮噴口噴出，形成噴注，當噴口內氣流的駐點壓力（或氣室壓力）小於臨界壓力，即
（式中p1為環境大氣壓力;γ為噴注氣體的比熱比）時，噴口處的氣流速度小於臨界聲速，這種噴注叫亞聲速噴注。當噴口內氣流的駐點壓力等於或大於臨界壓力時，噴口的氣流速度等於臨界聲速，這種噴注叫聲速噴注。在亞聲速噴注（圖1）中,勢核內的流動仍保持層流運動,在混合區內，由於噴注氣流與周圍大氣強烈混合產生湍流，經過渡區成為完全的湍流運動。噴注中的湍流可以看作是具有各種尺寸、各種壽命和各種起伏頻率的渦鏇,由主流運載,並以漂流速度 vc≈0.62vJ(式中vJ是噴注速度)順流而下。亞聲速噴氣噪聲是湍流噪聲,主要產生於混合區,噴注所輻射的總聲功率(W)是： 
(1)
(2)
超聲速噴氣噪聲 膨脹適當（在噴口處的壓力正等於周圍大氣壓力）的超聲速噴注所產生的噪聲。在噴注馬赫數MJ=vJ/c1小於2時,超聲速噴氣噪聲的聲功率仍滿足式(1)。隨噴注馬赫數的增加,噴注所輻射的總聲功率從與v恲成正比轉變到與v庈成正比,即W～ρ0D2v庈。噴氣噪聲輻射效率
與M嵼的關係逐漸轉變到一個常數。當噴氣速度大於約1.61C1時，渦鏇漂流速度成為超聲速，運動的渦鏇就像飛行的子彈那樣產生衝擊波。但這種噪聲不是主要的。 噴氣嘯叫聲 超聲速噴口處的壓力如低於或高於周圍大氣壓力，或是收縮噴口阻塞時，在噴注中產生由衝擊波形成的噴注（圖3）。氣流中的一個擾動隨流而下,遇到衝擊波面,輻射聲波。這個聲波通過噴注外的大氣入射到噴口，激發一個新的氣流擾動。增強了的新擾動隨流而下，遇到衝擊波面，輻射更強的聲波。如此循環，直到聲波反饋的能量與耗散的能量平衡，完成自激，輻射強嘯叫聲。嘯叫聲的頻譜是離散譜，基頻是：
邊棱聲 產生邊棱聲的設備如圖4所示。噴注中的一個擾動順流而下衝擊到尖劈的邊棱，輻射聲波。這個聲波入射到噴口，在氣流中產生一個新擾動。如此循環，形成自激。邊棱聲主要是離散頻譜，其基頻值同噴氣速度以及同邊棱和噴口之間的距離有關。對於任一噴氣速度，存在一最小距離。小於這個距離，不會產生邊棱聲；大於這個距離時，音調隨速度的增加而升高，並且隨距離的增加而降低，直到某一速度和距離，音調才會發生一躍變。此後，隨距離或速度的繼續增加，音調又連續變化，直到另一躍變發生。反之，當速度或距離不斷減小時，音調的變化與前一過程相反，但音調躍變的條件則與前一過程稍有不同。 卡門渦鏇聲 或稱風吹聲,是氣流遇到障礙物,在障礙物後產生卡門渦鏇時輻射的聲。如風吹電線、樹枝和桅索產生的聲音是常見的卡門渦鏇聲。以一垂直於氣流方向的圓柱為例,當雷諾數(Re)逐漸增加到
（式中956; 為流體的運動粘滯係數；D為圓柱的直徑；v為迎面氣流的速度）時，圓柱後方的附面層便產生脫體渦鏇，在圓柱截面上方和下方交替脫下，形成一條順流而下的渦鏇街。由於脫體渦鏇帶走了動量，並且上方和下方的渦鏇帶走的動量方向正好相反，相當於圓柱對流體施加一橫向的交變氣動力，因此輻射聲波。卡門渦鏇聲有一峰值頻率，當雷諾數增加時，卡門渦鏇聲的頻寬也增加,直到R＞105,圓柱的尾流成為湍流，卡門渦鏇聲轉變為湍流噪聲。卡門渦鏇聲的峰值頻率為： 
受激渦鏇聲 氣流中的障礙物在合適的雷諾數範圍內產生卡門渦鏇，輻射卡門渦鏇聲。如有一反饋作用正好使脫體的渦鏇形成自激，則產生受激渦鏇聲。在某種情況下,其聲功率可達數千瓦,致使設備因聲疲勞而破壞。常見的產生受激渦鏇聲的結構是：①截面為矩形、兩個邊長分別為lx及ly的通風管道，在管道內與氣流方向垂直有一直徑為D的圓柱。管道截面第m、n階聲共振頻率為：
螺鏇槳噪聲 螺鏇槳鏇轉時，葉片相對於氣流運動，給氣流以力的作用而輻射噪聲。可按氣動力或按氣流作用於葉片的升力及阻力的分布推算噪聲輻射。螺鏇槳的運動是鏇轉的周期運動,噪聲場也繞螺鏇槳軸線鏇轉。輻射噪聲具有明顯的離散頻譜,基頻等於葉片數目B與鏇轉頻率Ω/2π的乘積，Ω是鏇轉角速度或圓頻率。螺鏇槳噪聲輻射同它的迎面氣流是否按空間均勻分布有關，對均勻分布情況，所有諧波聲場均以一個頻率Ω/2π鏇轉，各次諧波所輻射的聲功率隨諧波的階次很快減小。輻射噪聲的功率也隨葉片的數目而減小。當迎面氣流不均勻時，噪聲輻射較複雜，輻射的噪聲也比氣流均勻時更強。
由於葉片厚度在空間占有體積，鏇轉時對氣流的空間的取代也會產生噪聲。在低速時，這種噪聲比上述氣動力產生的噪聲小，一般可以不計。
風扇噪聲 風扇由於用途不同，品種很多，螺鏇槳風扇只是其中的一種。各種風扇噪聲的理論基礎基本上與螺鏇槳風扇相同，只是由於前方的氣流分布、葉片的形狀和排列等不同而使各種風扇的噪聲輻射具有各自的特點。出廠的風扇應由廠方給出測得的倍頻帶基本聲功率級LW(B)，即該風扇工作於體積流率為1m3/s和靜壓為1N/m2的聲功率。在實際使用中,根據下式計算實際的倍頻程聲功率級。
參考書目
馬大猷、李沛滋、戴根華、王宏玉：《阻塞噴注的衝擊噪聲》，《聲學學報》，1980年第3期。
Marvin E.Goldstein，Aeroacoustics，McGraw-Hill,New York,1976.
