張俊龍, 雷紅勝, 趙 昱, 李 杰,*

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 西安 710072; 2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 氣動(dòng)噪聲控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

射流噪聲是一類典型的氣動(dòng)噪聲源。航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴流噪聲、汽車排氣管道噪聲、飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)噪聲、減壓閥閥門(mén)噪聲、空調(diào)系統(tǒng)噪聲等都與射流噪聲密切相關(guān)。自1962年Lighthill[1]提出氣動(dòng)噪聲理論以來(lái)，射流噪聲作為一類典型的氣動(dòng)噪聲問(wèn)題，引起了學(xué)者廣泛的關(guān)注和大量的研究。射流噪聲試驗(yàn)是射流噪聲研究最重要的研究手段。同時(shí)，高精度的、可信賴的射流流場(chǎng)及噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)集可為計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)[2-3]數(shù)值模擬軟件的校核提供支撐。

國(guó)內(nèi)外對(duì)射流噪聲的試驗(yàn)研究大多在消聲室內(nèi)采用縮比模型進(jìn)行[4-10]，其噴口直徑大多在10 cm以內(nèi)。若要用實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)去預(yù)估航空發(fā)動(dòng)機(jī)的射流噪聲，其縮比比例通常在1∶5～1∶20附近。射流噪聲的頻譜譜形以St數(shù)為橫坐標(biāo)進(jìn)行歸一化時(shí)具有較高的相似性[11-13]。其中St數(shù)定義如下：

St=fD/uj

(1)

式中：f為射流噪聲目標(biāo)頻率，Hz；D為射流噴口直徑，m；uj為射流核心區(qū)速度，m/s。

由公式可知，St數(shù)恒定時(shí)，射流噴口尺度越小，其對(duì)應(yīng)的頻率越高。對(duì)于采用縮比模型的射流噪聲模擬試驗(yàn)，其所關(guān)注的頻譜范圍需向高頻擴(kuò)展，通?？蛇_(dá)50 kHz以上。因此，需要對(duì)高頻射流噪聲測(cè)量進(jìn)行系統(tǒng)研究。

與中低頻的噪聲測(cè)量不同，高頻噪聲測(cè)量需要充分考慮傳聲器頻率響應(yīng)特性、傳聲器保護(hù)罩、傳聲器本底噪聲和空氣吸聲效應(yīng)等影響因素。其中，傳聲器頻率響應(yīng)特性一般在傳聲器的出廠證書(shū)及校準(zhǔn)證書(shū)上有專門(mén)說(shuō)明。空氣吸聲修正也可參閱相關(guān)聲學(xué)書(shū)籍[14]，但其主要針對(duì)可聽(tīng)聲頻段進(jìn)行，而空氣吸聲影響很大的部分，即超出可聽(tīng)聲頻段的高頻部分，修正較為簡(jiǎn)單，且不同修正方法也可能存在較大誤差。傳聲器保護(hù)罩影響、傳聲器本底噪聲影響研究國(guó)內(nèi)鮮有文獻(xiàn)提及，國(guó)外文獻(xiàn)[5,15]也只是粗略提及應(yīng)考慮這方面的因素，但是并未給出其具體的影響特性和影響量值。

本文針對(duì)以上影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究和闡述，對(duì)影響高頻噪聲測(cè)量的各因素采用對(duì)比研究的方法給出定量的分析，同時(shí)，還針對(duì)射流噪聲遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性測(cè)量，給出射流噪聲遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)邊界。

1 射流模擬裝置及測(cè)量方案

1.1 射流模擬裝置

射流模擬裝置建立在全消聲室內(nèi)。消聲室凈空間尺寸為10.8 m(長(zhǎng))×8.4 m(寬)×7.0 m(高)，消聲室截止頻率100 Hz。

射流模擬的動(dòng)力來(lái)源于中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心2 MPa中壓氣源，由過(guò)濾器/減壓調(diào)壓閥組將壓力降低為目標(biāo)壓力，通過(guò)緩沖器及消音器后將氣流引入消聲室內(nèi)，經(jīng)過(guò)流道結(jié)構(gòu)從噴口噴出。壓力控制方案為兩級(jí)調(diào)壓方式，第一級(jí)將壓力設(shè)定為1 MPa，第二級(jí)調(diào)壓器采用并聯(lián)2臺(tái)指揮器方式，分別滿足低壓和高壓的輸出要求。2臺(tái)指揮器的選擇由PLC通過(guò)對(duì)電磁閥的開(kāi)閉控制實(shí)現(xiàn)。整個(gè)供氣系統(tǒng)最高供氣壓力600 kPa，壓力控制精度0.1%，最大供氣質(zhì)量流量2 kg/s，對(duì)于5 cm直徑的射流噴口，核心區(qū)射流速度最大可達(dá)Ma1.8。

1.2 測(cè)量方案及數(shù)據(jù)采集

本試驗(yàn)測(cè)量傳聲器的布置方式如圖1所示。射流噴口直徑D=50 mm，在射流軸線同高平面，以射流噴口出口中心為原點(diǎn)，在半徑1.25～4.00 m 范圍內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)；以噴口直徑進(jìn)行無(wú)量綱化，測(cè)量半徑為25～80D(D為噴口直徑)。

圖1 射流噪聲遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量照片

為了降低傳聲器支撐架的聲反射對(duì)高頻噪聲測(cè)量的影響，本次測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)傳聲器采取了如下措施：(1) 盡量減小傳聲器支撐架的反射截面積；(2) 傳聲器盡量遠(yuǎn)離支撐架主反射面；(3) 支撐架所有聲反射面覆蓋高頻吸聲海綿。

射流噪聲信號(hào)采集采用G.R.A.S. 1/4英寸自由場(chǎng)傳聲器46BE，前置放大器為G.R.A.S. 26CB。傳聲器及放大器的頻率測(cè)量范圍4 Hz～100 kHz，動(dòng)態(tài)范圍35 dBA～160 dB，靈敏度4 mV/Pa。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為BBM-PAK噪聲振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，采樣頻率最高可達(dá)204.8 kHz。

試驗(yàn)時(shí)，采樣時(shí)間設(shè)為20 s，采樣頻率204.8 kHz。數(shù)據(jù)頻譜分析時(shí)，先將數(shù)據(jù)分為多塊，每塊加上窗函數(shù)以減小頻譜泄露現(xiàn)象，然后進(jìn)行快速傅里葉變換，最后將聲功率結(jié)果進(jìn)行算術(shù)平均。單個(gè)數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度為8192，窗函數(shù)選取Hanning窗，分析的窄帶信號(hào)頻率間隔為25 Hz。

2 高頻射流噪聲測(cè)量方法及修正技術(shù)研究

2.1 傳聲器自身性能影響研究

射流噪聲高頻測(cè)量通常采用1/4英寸或1/8英寸的高頻自由場(chǎng)傳聲器進(jìn)行。測(cè)量時(shí)，需要充分考慮傳聲器自身的高頻特性，具體包括：傳聲器指向性、傳聲器頻率響應(yīng)特性、傳聲器保護(hù)罩影響以及傳聲器本底噪聲影響等。

傳聲器頻率響應(yīng)曲線為傳聲器激勵(lì)響應(yīng)(Actuator response，通常由靜電激勵(lì)法測(cè)得)加上指向性的頻率修正的結(jié)果，自由場(chǎng)傳聲器頻率響應(yīng)典型結(jié)果如圖2所示。圖中曲線為某G.R.A.S. 1/4英寸自由場(chǎng)傳聲器出廠證書(shū)所提供。

圖2 典型1/4英寸自由場(chǎng)傳聲器頻率響應(yīng)曲線 (0°入射角)

通常傳聲器出廠或校準(zhǔn)時(shí)只給出了0°入射角(垂直入射)的結(jié)果，入射角不同時(shí)，其頻率響應(yīng)結(jié)果差別很大。為研究傳聲器的指向性特性，設(shè)計(jì)了傳聲器的指向性研究試驗(yàn)，如圖3所示。試驗(yàn)在10 m量級(jí)校準(zhǔn)消聲室內(nèi)進(jìn)行，消聲室截止頻率100 Hz。將傳聲器正對(duì)聲源布置，與聲源等高，且傳聲器距離聲源4 m(該距離上聲源可近似為點(diǎn)聲源)。聲波相對(duì)傳聲器的入射角的變化通過(guò)傳聲器支撐機(jī)構(gòu)上的云臺(tái)變角度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。傳聲器采用G.R.A.S. 1/2英寸自由場(chǎng)傳聲器46AE，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為BBM-PAK噪聲振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)。試驗(yàn)時(shí)，聲源發(fā)出單頻信號(hào)，頻率范圍100 Hz～20 kHz(1/3倍頻程中心頻率)，采樣頻率102.4 kHz，采樣時(shí)間10 s。測(cè)得的1/2英寸自由場(chǎng)傳聲器指向性結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著目標(biāo)頻率的增加，聲波入射角對(duì)傳聲器測(cè)量結(jié)果的影響明顯增加。對(duì)于2 kHz以下信號(hào)，傳聲器可近似認(rèn)為是無(wú)指向性的；而對(duì)于20 kHz的聲信號(hào)，傳聲器指向性導(dǎo)致的測(cè)量誤差可達(dá)17 dB；對(duì)于20 kHz以內(nèi)的信號(hào)，聲波入射角小于15°時(shí)，指向性引起的誤差小于1 dB。

圖3 自由場(chǎng)傳聲器指向性測(cè)量試驗(yàn)

對(duì)于大于20 kHz的高頻噪聲信號(hào)，指向性引起的誤差更大。圖5為某G.R.A.S. 1/4英寸自由場(chǎng)傳聲器出廠證書(shū)提供的結(jié)果。由圖可知，聲源位置與傳聲器軸線夾角60°時(shí)，對(duì)于10 kHz聲信號(hào)，測(cè)量結(jié)果與0°入射角結(jié)果的差異約為2 dB；而對(duì)于50 kHz聲信號(hào)，測(cè)量結(jié)果差異可達(dá)6 dB。因此,高頻測(cè)量時(shí)，需盡量將傳聲器指向目標(biāo)聲源區(qū)，以減小指向性引起的測(cè)量誤差。

圖4 1/2英寸自由場(chǎng)傳聲器指向性試驗(yàn)結(jié)果 (相對(duì)0°入射角結(jié)果的差量,dB)

圖5 不同入射角下的自由場(chǎng)修正結(jié)果

通常傳聲器頭部含有保護(hù)傳聲器膜片的保護(hù)罩。對(duì)于中低頻測(cè)量，該保護(hù)罩的影響可以忽略，而對(duì)于高頻測(cè)量，該保護(hù)罩的影響必須加以考慮。本試驗(yàn)針對(duì)固定條件下的射流噪聲，在90°極角位置，選定自由場(chǎng)傳聲器，分別進(jìn)行了帶保護(hù)罩測(cè)量及去掉保護(hù)罩測(cè)量的對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)比測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 傳聲器保護(hù)罩影響對(duì)比

由圖6可知，在目標(biāo)頻率10 kHz以下時(shí)，傳聲器保護(hù)罩影響幾乎可以忽略。隨著頻率的增大，傳聲器保護(hù)罩引起的測(cè)量誤差逐漸增大，在30 kHz附近，傳聲器保護(hù)罩的存在使得測(cè)量得到的噪聲值增加達(dá)5 dB,這可能與聲波在保護(hù)罩與傳聲器膜片之間形成的空腔內(nèi)產(chǎn)生的諧振有關(guān)。當(dāng)頻率大于80 kHz時(shí)，傳聲器保護(hù)罩則表現(xiàn)出了較強(qiáng)的高頻噪聲遮蔽效應(yīng)，使得測(cè)得的噪聲值偏低。因此，對(duì)于射流噪聲的高頻測(cè)量，必須去掉傳聲器保護(hù)罩進(jìn)行，以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

2.2 空氣吸聲修正影響研究

空氣吸聲效應(yīng)會(huì)隨著目標(biāo)噪聲頻率的增大而明顯增大。要獲得準(zhǔn)確的高頻噪聲測(cè)量結(jié)果，必須對(duì)空氣吸聲效應(yīng)進(jìn)行修正，而目前文獻(xiàn)給出的修正方法尺度不一。圖7給出了分別依據(jù)《聲學(xué)手冊(cè)》[14]工程算法(方法1)和SAE ARP5534方法[16](方法2)計(jì)算得到的25 ℃條件下、相對(duì)濕度分別為30%和60%時(shí)，不同頻率空氣吸聲量α。由圖可知，隨著目標(biāo)頻率的增大，空氣吸聲量迅速增大，但是不同的修正方法修正值存在較大差異。

圖7 典型條件下的空氣吸聲量(1/3 倍頻程)

為檢驗(yàn)空氣吸聲修正方法的適用性，本文基于射流噪聲的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量進(jìn)行了初步研究。射流噪聲模擬裝置如圖1所示，射流噴口直徑5 cm，射流速度300 m/s。在射流噪聲90°極角方向布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，距離射流噴口出口中心分別為2.25和3.50 m(以噴口直徑D無(wú)量綱化分別為45D和70D)。該距離處，射流噪聲可近似為點(diǎn)聲源，其向遠(yuǎn)場(chǎng)的傳播符合球面波特性。將傳聲器測(cè)得的結(jié)果按下式進(jìn)行球面波傳播修正和空氣吸聲修正后，會(huì)得到一致性很好的頻譜結(jié)果。

Pc=Pm+20·logr+r·α

(1)

式中，Pm為傳聲器測(cè)量聲壓級(jí)結(jié)果，dB；Pc為考慮球面波衰減和空氣吸聲修正后的結(jié)果，dB；r為傳聲器到聲源的距離，m；α為測(cè)量條件下每單位距離的空氣吸聲量，dB/m。

考慮不同的測(cè)量距離r1、r2和結(jié)果Pm1、Pm2，根據(jù)式(1)，將Pm2進(jìn)行如下修正：

Pc2=Pm2+20·log(r2/r1)+(r2-r1)·α

(2)

理論上Pm2按式(2)修正后的結(jié)果Pc2將與Pm1一致，而如果空氣吸聲修正系數(shù)存在較大誤差，則二者的頻譜結(jié)果將存在較大差異。因此，采用這個(gè)方法可以對(duì)空氣吸聲修正結(jié)果進(jìn)行一個(gè)綜合評(píng)價(jià)。

試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖可知，70D位置測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果用方法2修正后，其值與45D位置測(cè)點(diǎn)結(jié)果具有高度的一致性。因此，對(duì)于高頻噪聲的空氣吸聲修正，建議采用文獻(xiàn)[16]所述的方法即方法2進(jìn)行。

圖8 射流噪聲空氣吸聲修正結(jié)果對(duì)比

2.3 射流噪聲遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量邊界的確定

射流噪聲數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí)，通常需要將射流噪聲縮比模型試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)相似性準(zhǔn)則外插到全尺寸真實(shí)射流條件和遠(yuǎn)場(chǎng)真實(shí)測(cè)點(diǎn)位置，以評(píng)估射流噪聲的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性。數(shù)據(jù)能向遠(yuǎn)場(chǎng)外推的前提是測(cè)量得到的噪聲信號(hào)隨距離的變化滿足球面波衰減特性，即每當(dāng)測(cè)點(diǎn)到聲源的距離增加一倍時(shí)，聲壓級(jí)減小6 dB。要滿足以上條件，必須保證試驗(yàn)時(shí)測(cè)點(diǎn)距離聲源位置足夠遠(yuǎn)，即滿足測(cè)量的遠(yuǎn)場(chǎng)條件。只有當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離聲源足夠遠(yuǎn)時(shí)，才能使測(cè)點(diǎn)不受近場(chǎng)流場(chǎng)壓力脈動(dòng)的影響，測(cè)得的是“純凈的”向遠(yuǎn)場(chǎng)傳播的聲波信號(hào)。此外，只有測(cè)點(diǎn)距離聲源足夠遠(yuǎn)時(shí)才能忽略射流噪聲源的非緊致性，可以將射流噪聲源近似為點(diǎn)聲源，以使得射流噪聲滿足球面波衰減特性。

然而，傳聲器距離聲源過(guò)遠(yuǎn)時(shí)會(huì)存在信噪比不足的問(wèn)題。一方面，射流噪聲頻譜的高頻區(qū)域聲壓級(jí)與頻率對(duì)數(shù)呈近似反比關(guān)系，射流噪聲高頻段噪聲聲壓級(jí)較低；另一方面，高頻噪聲信號(hào)受空氣吸聲效應(yīng)的影響很大。以上兩因素導(dǎo)致射流噪聲高頻測(cè)量時(shí)傳聲器得到的目標(biāo)噪聲信號(hào)值很低；同時(shí)，傳聲器在40 kHz以上又普遍存在較高的電磁本底噪聲。因此，射流噪聲遠(yuǎn)場(chǎng)高頻測(cè)量時(shí)極易出現(xiàn)信噪比過(guò)低、測(cè)量失真的現(xiàn)象。圖9為射流速度200 m/s、極角90°時(shí)，距射流出口截面中心4 m的傳聲器測(cè)得的射流噪聲與傳聲器自身本底噪聲頻譜對(duì)比。

圖9 傳聲器測(cè)得的射流噪聲與自身本底噪聲的對(duì)比

由圖9可明顯看出，傳聲器測(cè)得的高頻段噪聲異常增大的現(xiàn)象其實(shí)是由傳聲器自身本底噪聲的影響造成的。因此，要使得測(cè)量結(jié)果在高頻段真實(shí)可信，則測(cè)量結(jié)果必須具有足夠的信噪比，即遠(yuǎn)場(chǎng)傳聲器測(cè)點(diǎn)距離射流不能太遠(yuǎn)，從而使得高頻段目標(biāo)噪聲遠(yuǎn)大于傳聲器本底噪聲。

綜上所述，射流噪聲遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)測(cè)點(diǎn)布置原則為：在滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的情況下，盡量靠近噴口出口中心。為得到精細(xì)、可靠的射流噪聲測(cè)量結(jié)果，必須對(duì)射流噪聲測(cè)量的最小遠(yuǎn)場(chǎng)邊界位置進(jìn)行系統(tǒng)研究。

圖10和11分別給出了射流核心區(qū)速度Ma=0.7和1.0、測(cè)量方向位于極角90°和30°時(shí)所測(cè)得的不同頻率下射流噪聲聲壓級(jí)隨測(cè)點(diǎn)到噴口出口截面中心距離的變化結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)到噴口出口截面中心的距離，以噴口直徑D為基準(zhǔn)進(jìn)行了無(wú)量綱化；縱坐標(biāo)為目標(biāo)頻率下測(cè)得的射流噪聲信號(hào)的聲壓級(jí)。為將不同頻率下的測(cè)量結(jié)果放在同一張圖上以方便進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)不同頻率下的聲壓級(jí)絕對(duì)值進(jìn)行了平移處理。圖中離散點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,實(shí)線表示點(diǎn)聲源聲傳播時(shí)的球面波衰減特性，即距離增加一倍，聲壓級(jí)減小6 dB。如所得結(jié)果與此曲線吻合，則表示該結(jié)果符合遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件。

由圖中結(jié)果可知，只有當(dāng)傳聲器距離噴口出口截面中心足夠遠(yuǎn)時(shí)，測(cè)得的噪聲結(jié)果才與點(diǎn)聲源傳播規(guī)律相符合，即滿足射流噪聲測(cè)量的遠(yuǎn)場(chǎng)邊界的要求。當(dāng)測(cè)點(diǎn)位置與噴口出口截面中心距離小于45D時(shí)，所得結(jié)果會(huì)明顯偏離理論曲線的結(jié)果，此時(shí)，相對(duì)于上游測(cè)點(diǎn)，下游方向測(cè)點(diǎn)所產(chǎn)生的誤差更大。因此，要使不同測(cè)量距離得到的射流噪聲頻譜聲壓級(jí)誤差在1.5 dB以內(nèi)，測(cè)量距離至少應(yīng)大于45D。不同射流速度所得結(jié)果基本一致。

圖10 不同頻率下射流噪聲聲壓級(jí)隨測(cè)點(diǎn)到噴口出口截面中心距離的變化，Ma=0.7

圖11 不同頻率下射流噪聲聲壓級(jí)隨測(cè)點(diǎn)到噴口出口截面中心距離的變化，Ma=1.0

3 結(jié) 論

本文基于嚴(yán)格的射流噪聲模擬試驗(yàn)裝置，對(duì)高頻射流噪聲的測(cè)量和修正方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，給出了影響射流噪聲高頻測(cè)量的主要因素及其影響量值，并給出了射流噪聲遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量邊界，得到如下結(jié)論：

(1) 高頻噪聲測(cè)量時(shí)需進(jìn)行傳聲器的頻響特性修正，并盡量使傳聲器正對(duì)聲源以減小指向性引起的誤差。

(2) 傳聲器保護(hù)罩對(duì)高頻噪聲測(cè)量影響很大，射流噪聲高頻測(cè)量時(shí)應(yīng)去掉傳聲器保護(hù)罩。

(3) 空氣吸聲效應(yīng)會(huì)隨著目標(biāo)噪聲頻率的增大而明顯增大，要獲得準(zhǔn)確的高頻噪聲測(cè)量結(jié)果，必須對(duì)空氣吸聲效應(yīng)進(jìn)行修正。

(4) 射流噪聲高頻段的測(cè)量需考慮傳聲器自身本底噪聲的影響。

(5) 射流噪聲遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)最小遠(yuǎn)場(chǎng)邊界應(yīng)滿足測(cè)量距離不小于45D。