氣流雜訊

氣流的起伏運動或氣動力產生的雜訊。對氣流雜訊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，氣流雜訊的研究便發展起來。M.J.萊特希爾在1952年建立的湍流聲理論成為現代氣流雜訊研究的一個重要基礎。常見的氣流雜訊有噴氣雜訊、邊棱聲、卡門渦旋聲、受激渦旋聲、螺旋槳雜訊、風扇聲等。

噴氣雜訊 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。噴氣雜訊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，噴氣雜訊的產生機制和氣流運動的規律也不同。噴氣雜訊可以分為三種：

亞聲速噴氣雜訊 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旋，由主流運載，並以漂流速度(式中是噴注速度)順流而下。亞聲速噴氣雜訊是湍流雜訊,主要產生於混合區，噴注所輻射的總聲功率(W)是：

(1)

式中和分別為周圍大氣的密度和聲速;D為噴口直徑；ρ為噴注的密度；k為常數，等於。亞聲速噴氣雜訊是寬頻雜訊，帶寬約佔6個倍頻程。圖2是在垂直於噴注軸線方向上的聲壓級的三分之一倍頻程譜。亞聲速噴氣雜訊具有明顯的指向性，在前方約30°的方向上雜訊最強，在噴注的上遊方向最弱。

馬大猷等中國科學家得到以噴口內的駐點壓力表示的收縮噴口噴注在離噴口 1米並在垂直於噴注軸線方向上的噴氣雜訊的聲壓級（分貝）公式為：

(2)

式中;D的單位為毫米。該式適用於聲速噴注的湍流雜訊和亞聲速噴氣雜訊，值在之間。

超聲速噴氣雜訊 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雜訊。在噴注馬赫數小於2時，超聲速噴氣雜訊的聲功率仍滿足式(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 。噴氣雜訊輻射效率與M嵼的關係逐漸轉變到一個常數。當噴氣速度大於約時，渦旋漂流速度成為超聲速，運動的渦旋就像飛行的子彈那樣產生衝擊波。但這種雜訊不是主要的。

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：

噴氣嘯叫聲的功率往往比噴氣湍流雜訊高很多，但容易消除。最簡單的辦法是在噴口上安裝幾塊沿噴口徑向的小翼片以破壞衝擊波面的自激。

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。

卡門渦旋聲 或稱風吹聲，是氣流遇到障礙物，在障礙物后產生卡門渦旋時輻射的聲。如風吹電線、樹枝和桅索產生的聲音是常見的卡門渦旋聲。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旋，在圓柱截面上方和下方交替脫下，形成一條順流而下的渦旋街。由於脫體渦旋帶走了動量，並且上方和下方的渦旋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。卡門渦旋聲有一峰值頻率，當雷諾數增加時，卡門渦旋聲的帶寬也增加，直到,圓柱的尾流成為湍流，卡門渦旋聲轉變為湍流雜訊。卡門渦旋聲的峰值頻率為：

式中Sr為斯特勞哈爾數,。卡門渦旋聲的總功率可由下式計算：

式中 β為圓柱的升力係數和其直徑的比值，約為，是一常數；l為圓柱的長度；Δ為氣動力沿圓柱軸向上的相關距離，其值約為圓柱直徑的倍。

受激渦旋聲 氣流中的障礙物在合適的雷諾數範圍內產生卡門渦旋，輻射卡門渦旋聲。如有一反饋作用正好使脫體的渦旋形成自激，則產生受激渦旋聲。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。常見的產生受激渦旋聲的結構是：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：

式中m及n為正整數。當卡門渦旋的脫落頻率與聲共振的某一頻率相合時，由於聲波共振對渦旋脫體的反饋作用，產生自激，輻射受激渦旋聲。②兩個垂直於氣流而彼此平行的圓柱，一前一後順流排列，在前一個圓柱脫體的渦旋順流而下，衝擊到後面一個圓柱，產生擾動輻射聲波。如果這個聲波入射到上游的圓柱時，正好碰上新的渦旋脫體，而給它以促進，供給能量，這個脫體的新渦旋便順流而下。如此循環，形成自激，產生受激渦旋聲。

螺旋槳雜訊 螺旋槳旋轉時，葉片相對於氣流運動，給氣流以力的作用而輻射雜訊。可按氣動力或按氣流作用於葉片的升力及阻力的分佈推算雜訊輻射。螺旋槳的運動是旋轉的周期運動，雜訊場也繞螺旋槳軸線旋轉。輻射雜訊具有明顯的離散頻譜，基頻等於葉片數目B與旋轉頻率的乘積，Ω是旋轉角速度或圓頻率。螺旋槳雜訊輻射同它的迎面氣流是否按空間均勻分佈有關，對均勻分佈情況，所有諧波聲場均以一個頻率 旋轉，各次諧波所輻射的聲功率隨諧波的階次很快減小。輻射雜訊的功率也隨葉片的數目而減小。當迎面氣流不均勻時，雜訊輻射較複雜，輻射的雜訊也比氣流均勻時更強。

由於葉片厚度在空間佔有體積，旋轉時對氣流的空間的取代也會產生雜訊。在低速時，這種雜訊比上述氣動力產生的雜訊小，一般可以不計。

風扇雜訊 風扇由於用途不同，品種很多，螺旋槳風扇只是其中的一種。各種風扇雜訊的理論基礎基本上與螺旋槳風扇相同，只是由於前方的氣流分佈、葉片的形狀和排列等不同而使各種風扇的雜訊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，即該風扇工作於體積流率為和靜壓為的聲功率。在實際使用中，根據下式計算實際的倍頻程聲功率級。

式中Q為I態的體積流率;P為靜壓。由於風扇有突出的基頻聲成分，式中所計算的結果還要在相應於基頻即的那個倍頻程聲功率級上加上分貝，具體數可視風扇的品種而定。

參考書目

馬大猷、李沛滋、戴根華、王宏玉：《阻塞噴注的衝擊雜訊》，《聲學學報》，1980年第3期。

Marvin E.Goldstein，Aeroacoustics，McGraw-Hill,New York,1976.