王文璟,張永斌
(1.銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 銅陵 244061;2.合肥工業(yè)大學(xué) 噪聲振動(dòng)工程研究所,合肥 230009)
結(jié)構(gòu)受到激勵(lì)產(chǎn)生彎曲波、縱波或橫波等彈性波,它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)里的傳播帶動(dòng)附近的空氣形成聲波并向外輻射。這就是結(jié)構(gòu)聲的產(chǎn)生機(jī)理。根據(jù)結(jié)構(gòu)波傳播速度與聲速的相互關(guān)系,這些結(jié)構(gòu)波可以分為兩類:亞音速波(傳播速度小于聲速)和超音速波(傳播速度大于聲速)。其中超音速波引起的噪聲能夠輻射到遠(yuǎn)場(chǎng),是環(huán)境噪聲污染的主要組成部分;而由于結(jié)構(gòu)表面相鄰區(qū)域振動(dòng)的抵消作用,亞音速波無(wú)法輻射到遠(yuǎn)場(chǎng),只存在于結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)區(qū)域。因此識(shí)別超音速結(jié)構(gòu)波引起的聲源振動(dòng)對(duì)于有效控制振動(dòng)結(jié)構(gòu)的噪聲輻射具有重要意義。
聲強(qiáng)(通常是有功聲強(qiáng))測(cè)量是一種常用的識(shí)別聲源和評(píng)價(jià)聲源強(qiáng)度的方法,但是由于亞音速結(jié)構(gòu)波的存在,在有些位置處聲強(qiáng)的正負(fù)值會(huì)互相抵消,導(dǎo)致難以識(shí)別引起遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射的聲源區(qū)域。為解決該問(wèn)題,Williams于1995年首次提出了超音速聲強(qiáng)(supersonic acoustic intensity)的概念,并用于水下柱殼的聲源識(shí)別[1]。特別需要注意,這里的“超音速”與常規(guī)含義不同,超音速聲強(qiáng)指的是傳播速度高于聲速的結(jié)構(gòu)波引起的聲強(qiáng)分布。這一概念被提出以后,相繼被擴(kuò)展到平面型結(jié)構(gòu)[2-6]和任意形狀結(jié)構(gòu)的聲源識(shí)別[7-10]。在超音速聲強(qiáng)的基礎(chǔ)上,近年來(lái)又延伸出了非負(fù)聲強(qiáng)(non-negative acoustic intensity)的概念[11-12]。
在測(cè)量超音速聲強(qiáng)時(shí),既可以先測(cè)量聲壓,也可以先測(cè)量質(zhì)點(diǎn)振速,然后通過(guò)近場(chǎng)聲全息技術(shù)[13-17]計(jì)算出聲源表面的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速,接下來(lái)對(duì)聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速進(jìn)行波數(shù)域?yàn)V波,去除輻射圓之外的所有倏逝波成分(對(duì)應(yīng)亞音速結(jié)構(gòu)波),只保留輻射圓之內(nèi)的傳播波成分(對(duì)應(yīng)超音速結(jié)構(gòu)波)。濾波后的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速分別被稱為超音速聲壓和超音速質(zhì)點(diǎn)振速。最后,在超音速聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的基礎(chǔ)上,采用與有功聲強(qiáng)相同的定義方法計(jì)算超音速聲強(qiáng)。從上述過(guò)程可以看到,超音速聲強(qiáng)只需近場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù),卻能表征聲源的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射信息,因此可作為噪聲控制的一個(gè)重要依據(jù)。近年來(lái),超音速聲強(qiáng)還常被用于分析聲學(xué)黑洞的作用機(jī)理和振動(dòng)噪聲控制效果[18-19]。
在已有的超音速聲強(qiáng)測(cè)量方法中,需要首先測(cè)量聲源表面或近場(chǎng)的法向質(zhì)點(diǎn)振速或聲壓。目前測(cè)試這兩個(gè)參量的方法有快照法和掃描法兩種。其中,快照法使用大通道數(shù)測(cè)試設(shè)備和大型傳感器陣列同時(shí)測(cè)量聲場(chǎng)或振動(dòng)信號(hào)。該方法雖然適用于任意聲源信號(hào),但是所需測(cè)試硬件設(shè)備的成本過(guò)高,而且不適合在空間較小的環(huán)境中使用。掃描法使用小通道數(shù)測(cè)試設(shè)備和小型傳感器陣列分步掃描測(cè)量聲場(chǎng),所需測(cè)試硬件設(shè)備的成本低,因此是聲陣列測(cè)量中的常用方法。但是掃描法需要與聲源相關(guān)的參考信號(hào)而且要求參考信號(hào)的數(shù)目大于潛在聲源的數(shù)目,來(lái)輔助消除不同次測(cè)量之間的相位差[20-21]。但在實(shí)際應(yīng)用中,聲源的數(shù)目和位置是未知的,因此難以獲得滿足要求的參考信號(hào)。
為解決超音速聲強(qiáng)測(cè)量受硬件成本和參考信號(hào)限制的問(wèn)題,本文提出一種超音速聲強(qiáng)近似測(cè)量方法。在該方法中,使用傳統(tǒng)的聲強(qiáng)探頭進(jìn)行掃描測(cè)量。由于復(fù)聲壓和法向質(zhì)點(diǎn)振速在每一點(diǎn)都是同步測(cè)量,初始相位互相抵消,因此傳統(tǒng)的有功聲強(qiáng)這一參量在不同的測(cè)量點(diǎn)不受初始相位的影響,因此也就無(wú)需參考信號(hào)。然后對(duì)有功聲強(qiáng)直接進(jìn)行波數(shù)域?yàn)V波,得到近似的超音速聲強(qiáng)。需要說(shuō)明的是,通過(guò)本文方法測(cè)量得到的超音速聲強(qiáng)與Williams的定義有所不同,跳過(guò)了超音速聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的計(jì)算,直接從傳統(tǒng)聲強(qiáng)計(jì)算超音速聲強(qiáng),因此是一種近似方法。但是理論推導(dǎo)和數(shù)值驗(yàn)證表明本文定義的近似超音速聲強(qiáng)具有傳統(tǒng)超音速聲強(qiáng)的特性,而且可以有效識(shí)別引起遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射的聲源區(qū)域。
假設(shè)時(shí)間簡(jiǎn)諧因子為e-iωt,那么在平面z上的波數(shù)域聲壓P(kx,ky,z)和法向質(zhì)點(diǎn)振速U(kx,ky,z)可以表示為
(1)
(2)
式中,kx和ky分別為x和y方向的波數(shù)分量,p(x,y,z)和u(x,y,z)分別表示平面z上的空間域聲壓和法向質(zhì)點(diǎn)振速。
對(duì)波數(shù)域聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速進(jìn)行濾波,去除輻射圓(Radiation Circle)之外的倏逝波成分,可以分別得到超音速聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速為
(3)
(4)
基于式(3)和式(4)以及傳統(tǒng)的有功聲強(qiáng)的定義,Williams提出的超音速聲強(qiáng)的定義為
(5)
式中,上標(biāo)*表示復(fù)數(shù)共軛,Re表示取復(fù)數(shù)的實(shí)部。經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)證明,可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)式(5)定義的超音速聲強(qiáng)計(jì)算得到的聲功率與通過(guò)傳統(tǒng)的有功聲強(qiáng),即下文式(6),計(jì)算得到的聲功率相等。這也是式(5)中的I(s)(x,y,z)之所以被稱為聲強(qiáng)的根本原因。
在測(cè)量超音速聲強(qiáng)時(shí),為降低測(cè)試成本,通常使用掃描法測(cè)量聲壓(或質(zhì)點(diǎn)振速),然后使用近場(chǎng)聲全息技術(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)振速(或聲壓),最后將其代入式(1)~(5)計(jì)算得到超音速聲強(qiáng)I(s)(x,y,z)。但是如引言中所述,使用掃描法測(cè)量時(shí),存在參考信號(hào)難以獲取的限制。
傳統(tǒng)的有功聲強(qiáng)的定義為
(6)
關(guān)于有功聲強(qiáng)測(cè)量方法的研究是一個(gè)經(jīng)典問(wèn)題,目前已經(jīng)研發(fā)出了多種聲強(qiáng)探頭用于有功聲強(qiáng)的測(cè)量[22-23]。這些探頭可以分為兩類:一類是使用兩個(gè)或多個(gè)傳聲器,所需的質(zhì)點(diǎn)振速通過(guò)聲壓的有限差分獲得;一類是同時(shí)使用傳聲器和質(zhì)點(diǎn)振速傳感器(如Microflown),直接實(shí)現(xiàn)有功聲強(qiáng)的測(cè)量。不管使用哪類聲強(qiáng)探頭,測(cè)試有功聲強(qiáng)時(shí),不同的傳感器在同一個(gè)點(diǎn)都是同時(shí)進(jìn)行測(cè)量,因此它們的測(cè)量信號(hào)具有相同的初始相位。而且由于在式(6)中,質(zhì)點(diǎn)振速進(jìn)行了共軛運(yùn)算,因此最終的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的初始相位被抵消。也就是說(shuō)使用掃描法測(cè)試不同位置的有功聲強(qiáng)時(shí)不受初始相位變化的影響。雖然有功聲強(qiáng)具有這一優(yōu)點(diǎn),但是由于亞音速結(jié)構(gòu)波的存在,式(6)定義的有功聲強(qiáng)在有些位置處的正負(fù)值會(huì)互相抵消,導(dǎo)致使用該參量不適合用于識(shí)別引起遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射的主要聲源區(qū)域[1-4]。
基于上述討論,將有功聲強(qiáng)和超音速聲強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合,本文定義一種近似的超音速聲強(qiáng)。在聲源附近測(cè)量得到式(6)定義的有功聲強(qiáng)之后,通過(guò)二維空間Fourier變換計(jì)算其波數(shù)譜IK(kx,ky,z)
(7)
然后通過(guò)對(duì)IK(kx,ky,z)直接進(jìn)行波數(shù)域?yàn)V波,去除輻射圓之外的倏逝波成分,只保留輻射圓之內(nèi)的傳播波成分,得到近似的超音速聲強(qiáng)為
(8)
式中,Sr與式(3)和式(4)中的含義相同。
檢驗(yàn)公式(8)中超音速聲強(qiáng)的定義是否合理的關(guān)鍵是由該聲強(qiáng)計(jì)算得到的聲功率是否與由式(6)定義的有功聲強(qiáng)計(jì)算得到的聲功率相同。由式(6)計(jì)算得到的聲功率為
(9)
對(duì)比式(9)與式(7)可以發(fā)現(xiàn)kx=ky=0時(shí),兩者相等,即Ψ(z)=IK(0,0,z)。
由式(8)計(jì)算得到的聲功率為
ΨI(s)(z)=
IK(0,0,z)
(10)
因此Ψ(z)=ΨI(s)(z),也就是說(shuō)式(8)中定義的參量II(s)(x,y,z)同樣具有聲強(qiáng)的含義。從定義上來(lái)說(shuō),式(5)中的準(zhǔn)確超音速聲強(qiáng)分別對(duì)聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速進(jìn)行波數(shù)域?yàn)V波,因此傳播波和倏逝波的定義和界限非常明確;但是如式(6)所示,有功聲強(qiáng)是由聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的共軛相乘得到,因此聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速分別對(duì)應(yīng)的波數(shù)會(huì)相互疊加或相減,類似于三角函數(shù)的積化和差,導(dǎo)致一些原本不屬于輻射圓內(nèi)的波數(shù)通過(guò)相互運(yùn)算后產(chǎn)生位于輻射圓內(nèi)的波數(shù)。因此,式(8)給出的超音速聲強(qiáng)定義雖然可以濾除部分倏逝波的影響且能保證聲功率不變,從而可以有效識(shí)別引起遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射的聲源區(qū)域,但是不能完全消除倏逝波的影響,因此本文將其稱為“近似超音速聲強(qiáng)”。
近似超音速聲強(qiáng)的測(cè)量和計(jì)算流程如圖1所示。首先使用聲強(qiáng)探頭在聲源的近場(chǎng)逐點(diǎn)掃描測(cè)量法向有功聲強(qiáng)I(x,y,z),這里假設(shè)法向方向?yàn)閦向,需要注意掃描時(shí)要求x和y方向的測(cè)點(diǎn)間隔(即空間采樣頻率)保持不變,以滿足空間Fourier變換的要求。然后對(duì)I(x,y,z)進(jìn)行二維空間Fourier變換,得到法向有功聲強(qiáng)的波數(shù)域譜IK(kx,ky,z)。由于計(jì)算過(guò)程使用了二維空間Fourier變換,因此與文獻(xiàn)[2]中提出的準(zhǔn)確超音速聲強(qiáng)類似,這里要求測(cè)量面為平面。接下來(lái)對(duì)波數(shù)域譜IK(kx,ky,z)進(jìn)行低通濾波,將輻射圓之外的波數(shù)域譜置零。最后對(duì)濾波后的IK(kx,ky,z)進(jìn)行反空間Fourier變換,得到近似超音速聲強(qiáng)II(s)(x,y,z)。
圖1 近似超音速聲強(qiáng)測(cè)量和計(jì)算流程Fig.1 Measurement and computational flow of the approximate supersonic acoustic intensity
從計(jì)算角度來(lái)說(shuō),近似超音速聲強(qiáng)的誤差主要來(lái)源于空間Fourier變換。根據(jù)上文的變換公式可以看到空間Fourier變換的積分區(qū)域是無(wú)限大的平面,但實(shí)際中只能在有限尺寸的平面上進(jìn)行掃描測(cè)量,也就是說(shuō)需要對(duì)空間進(jìn)行截?cái)?。由于空間截?cái)?,空間Fourier變換中會(huì)引入卷繞誤差。減小卷繞誤差的有效方法是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)零。
首先以無(wú)限大障板上的點(diǎn)源為例進(jìn)行對(duì)比,選擇這個(gè)算例的原因是其超音速聲強(qiáng)能夠推導(dǎo)出解析公式。假設(shè)源強(qiáng)為Q的點(diǎn)源位于z=0處的障板上,那么聲源表面的法向質(zhì)點(diǎn)振速u(x,y,0)=Qδ(x)δ(y),聲源表面的聲壓可以通過(guò)Rayleigh積分得到:
(11)
則根據(jù)式(6),得到有功聲強(qiáng)為
(12)
將式(12)代入式(7),得到I(x,y,0)的波數(shù)譜為
(13)
將式(13)代入式(8),并引入極坐標(biāo)變換:kx=kρcosθ,ky=kρsinθ,x=ρcosφ,y=ρsinφ,則可以推導(dǎo)得到近似超音速聲強(qiáng)為
II(s)(x,y,0)=
(14)
式中,J0和J1分別為0階和1階第一類Bessel函數(shù),上式的推導(dǎo)過(guò)程中使用了積分恒等式:
對(duì)公式(14)中的II(s)(x,y,0)在整個(gè)聲源面上進(jìn)行積分,可得聲功率為
(15)
將式(12)代入式(9)可得通過(guò)有功聲強(qiáng)計(jì)算得到的聲功率,其結(jié)果與式(15)相同。通過(guò)這個(gè)算例進(jìn)一步證明了本文定義的近似超音速聲強(qiáng)保持了聲功率不變,具有聲強(qiáng)的特性。
在文獻(xiàn)[2]中,針對(duì)這個(gè)算例,Williams給出了準(zhǔn)確超音速聲強(qiáng)的表達(dá)式為
(16)
對(duì)比式(14)和式(16)可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于無(wú)限大障板上的點(diǎn)源而言,本文定義的近似超音速聲強(qiáng)與Williams定義的超音速聲強(qiáng)僅差sin(kρ)/kρ一項(xiàng)。圖2給出了除以ρck2Q2/(8π2)之后的歸一化超音速聲強(qiáng)的對(duì)比,其中圖2(a)為線性值,圖2(b)為對(duì)數(shù)值。從圖2(a)中可以看到,雖然超音速聲強(qiáng)II(s)不如I(s)集中,但是也可以有效地識(shí)別出對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射的聲源區(qū)域。上述結(jié)論從圖2(b)也可得到,雖然II(s)的旁瓣比I(s)的旁瓣峰值更大,但是主瓣的峰值相同,主瓣的中心位置也相同。另外從圖2中的I(s)的曲線可以看到,準(zhǔn)確超音速聲強(qiáng)基本沒(méi)有負(fù)值,因此不存在聲源附近的聲場(chǎng)正負(fù)抵消問(wèn)題;相比I(s),本文定義的II(s)的負(fù)值數(shù)目有所增加,因此II(s)是超音速聲強(qiáng)的近似參量,而不是等價(jià)參量。
(a) 線性值
(a) 準(zhǔn)確超音速聲強(qiáng)
該簡(jiǎn)支板為0.003 m厚的鋁板,其長(zhǎng)和寬為2 m×2 m。幅值為500 N的簡(jiǎn)諧力作用在該板的中心對(duì)其進(jìn)行激勵(lì)。簡(jiǎn)諧力的頻率滿足kL=3π,其中L=2 m為簡(jiǎn)支板的邊長(zhǎng)。板表面的法向位移由(11,9)階模態(tài)振型產(chǎn)生,距離板表面0.02 m處的聲場(chǎng)通過(guò)Rayleigh積分?jǐn)?shù)值計(jì)算得到。根據(jù)文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[24]可知,(11,9)階模態(tài)角模態(tài)(Corner modal),即只有四個(gè)角的區(qū)域是形成遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射的主要振動(dòng)區(qū)域,而其他區(qū)域的振動(dòng)形成了能量循環(huán),因此并不向遠(yuǎn)場(chǎng)輻射。
針對(duì)該算例,兩種超音速聲強(qiáng)I(s)和II(s)的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看到在I(s)中基本不包含負(fù)值,但是在II(s)中仍然存在一些負(fù)值,表明在II(s)中仍然殘留一些局部能量循環(huán)。圖4中給出了相同表面上的有功聲強(qiáng)計(jì)算結(jié)果,可以明顯看到在簡(jiǎn)支板中間交叉出現(xiàn)正值和負(fù)值,但是這些位置處的能量?jī)H僅形成局部循環(huán),并不對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射做出貢獻(xiàn)。通過(guò)圖3和圖4的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),相比有功聲強(qiáng),本文定義的超音速聲強(qiáng)II(s)消除了局部能量循環(huán)導(dǎo)致的干擾聲源,突出了邊角模態(tài)振型,有效地識(shí)別出了引起遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射的聲源位置。
圖4 無(wú)限大障板中的簡(jiǎn)支板對(duì)應(yīng)的有功聲強(qiáng)Fig.4 Active acoustic intensity of a simply supported plate in an infinite baffle
實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖5所示,聲源為一塊鋁板,其尺寸為0.44 m×0.44 m×0.003 m,該板做為其中一個(gè)面被安裝在一個(gè)箱體上,箱體的其他幾個(gè)面為硬質(zhì)纖維板,并在箱體中安裝一個(gè)音箱驅(qū)動(dòng)鋁板振動(dòng)。信號(hào)采集和發(fā)生設(shè)備為B&K公司的“PULSE”分析儀(型號(hào)3560)。
圖5 試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.5 Experimental arrangement
為進(jìn)行對(duì)比,以分析儀產(chǎn)生的信號(hào)為參考,應(yīng)用集成了傳聲器和Microflown質(zhì)點(diǎn)振速傳感器的1/2英寸p-u聲強(qiáng)探頭,在尺寸為0.425 m×0.45 m的平面上,掃描測(cè)量了聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速,測(cè)量點(diǎn)數(shù)為18×19點(diǎn),測(cè)量面與板表面之間的距離為0.045 m。將測(cè)量得到的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速代入式(3)~(5)可以計(jì)算得到準(zhǔn)確的超音速聲強(qiáng)。將測(cè)量得到的有功聲強(qiáng)代入式(8)可以計(jì)算得到近似超音速聲強(qiáng)。但是需要注意,為實(shí)現(xiàn)掃描測(cè)量聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速,引入了預(yù)知的輸入信號(hào)作為參考信號(hào),但在實(shí)際中激勵(lì)來(lái)源和輸入信號(hào)是難以獲取的;相對(duì)地,測(cè)量有功聲強(qiáng)的過(guò)程則不需要任何參考信號(hào)。這就是本文方法的優(yōu)勢(shì)所在。
圖6和圖7分別給出了在200、800、1 000和2 000 Hz處的準(zhǔn)確和近似超音速聲強(qiáng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。通過(guò)兩圖的對(duì)比可知,除1 000 Hz外,近似超音速聲強(qiáng)結(jié)果均與準(zhǔn)確超音速聲強(qiáng)結(jié)果比較接近,兩者都能定位出主要聲源位置,但是相對(duì)而言,準(zhǔn)確超音速聲強(qiáng)結(jié)果干擾更少,聲源位置更為突出。在1 000 Hz時(shí),如圖6所示,準(zhǔn)確超音速聲強(qiáng)出現(xiàn)了較為明顯的負(fù)值,也就是說(shuō)在這個(gè)頻率處,兩種方法的測(cè)量結(jié)果都存在較大誤差。
圖6 準(zhǔn)確超音速聲強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of the accurate supersonic acoustic intensity
圖7 近似超音速聲強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of the approximate supersonic acoustic intensity
本文提出了一種超音速聲強(qiáng)的近似測(cè)量方法,在該方法中利用了傳統(tǒng)有功聲強(qiáng)測(cè)量不受初始相位影響的優(yōu)勢(shì),通過(guò)在波數(shù)域?yàn)V除有功聲強(qiáng)的倏逝波成分,得到近似的超音速聲強(qiáng)。在使用掃描法測(cè)量的過(guò)程中,不需要任何參考信號(hào)是所提出方法的主要優(yōu)勢(shì)。之后,從理論上證明了采用本文給出的超音速聲強(qiáng)計(jì)算得到的聲功率與采用有功聲強(qiáng)計(jì)算得到的聲功率的等價(jià)性,表明本文定義的超音速聲強(qiáng)確實(shí)具有聲強(qiáng)的含義。開(kāi)展了以無(wú)限大障板上的點(diǎn)源和簡(jiǎn)支板為聲源的數(shù)值仿真和以有限尺寸鋁板為對(duì)象的實(shí)驗(yàn)研究,比較了Williams定義的準(zhǔn)確超音速聲強(qiáng)與本文定義的近似超音速聲強(qiáng),結(jié)果表明雖然近似超音速聲強(qiáng)的主瓣變寬且旁瓣變大,但是仍可以有效地識(shí)別出對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射的聲源位置。