開口與空腔流激聲共振及聲輻射研究綜述

俞孟薩，張錚錚，高巖

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082）

開口與空腔流激聲共振及聲輻射研究綜述

俞孟薩，張錚錚，高巖

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082）

水下航行體表面邊界層流經(jīng)腔口時，剪切振蕩與空腔聲模態(tài)耦合共振產(chǎn)生的線譜噪聲是流激噪聲的一種主要機(jī)理。文章針對腔口剪切振蕩及其與空腔聲場耦合共振和聲輻射的機(jī)理及基本特征，歸納梳理了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，概述了空腔及腔口流動和聲輻射控制的主要途徑和方法，并提出了流激空腔噪聲研究的主要問題。

空腔；流動激勵；剪切振蕩；聲輻射

0 引言

隨著航速增加以及機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲的有效控制，流動激勵產(chǎn)生的低頻噪聲線譜噪聲會成為水下航行體中高航速下不可忽視的噪聲分量。我們知道，水下航行體航行時，除推進(jìn)器外，產(chǎn)生與流動相關(guān)的噪聲主要有以下幾種機(jī)理：其一、流體流經(jīng)艇表面時，邊界層由層流向湍流轉(zhuǎn)捩，轉(zhuǎn)捩區(qū)層流和湍流交替出現(xiàn)，形成時空隨機(jī)分布的單極子聲源，直接輻射噪聲；其二、艇體絕大部分表面覆蓋湍流邊界層，湍流邊界層脈動壓力激勵殼體產(chǎn)生水彈性耦合振動及輻射噪聲；在低Ma數(shù)情況下，湍流邊界層脈動壓力的直接聲輻射可以忽略；其三、艇體表面湍流邊界層流經(jīng)空腔腔口等間斷界面時，腔口對湍流邊界層產(chǎn)生散射，在其后緣局部區(qū)域形成低頻脈動壓力增量，激勵艇體結(jié)構(gòu)輻射低頻噪聲；其四、艇體表面突出體的展向壓力梯度卷起來流湍流邊界層形成“馬蹄渦”，在突出體前緣及周邊局部區(qū)域也產(chǎn)生湍流脈動壓力增量，激勵艇體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低頻噪聲；其五、艇體表面湍流邊界層流經(jīng)腔口時，在腔口形成邊界層剪切振蕩。如果剪切振蕩與空腔聲模態(tài)發(fā)生耦合共振，則產(chǎn)生較強(qiáng)的線譜噪聲。低Ma數(shù)時，腔口邊界層剪切振蕩的直接聲輻射可以不考慮；其六、水下航行體操舵轉(zhuǎn)向時，艇體和突出體存在一個偏航角或俯仰角，表面流動出現(xiàn)分離，形成大尺度漩渦，誘導(dǎo)產(chǎn)生的低頻脈動壓力顯著增強(qiáng)，激勵艇體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生輻射噪聲；和其七、細(xì)長桿狀突出體在尾渦發(fā)放激勵下產(chǎn)生振動及聲輻射，若漩渦發(fā)放頻率與桿狀突出體模態(tài)頻率接近時，出現(xiàn)幅度增強(qiáng)的線譜噪聲。一般來說，這些流動激勵產(chǎn)生的水動力噪聲機(jī)理中，大部分情況都是產(chǎn)生寬頻帶水動力噪聲，即使湍流邊界層脈動壓力激勵艇體結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生低頻線譜噪聲，其強(qiáng)度都隨流速增加一倍而增加15 dB左右，只有腔口剪切振蕩與空腔聲模態(tài)耦合產(chǎn)生的低頻線譜聲、漩渦發(fā)放頻率與桿狀突出體模態(tài)頻率接近產(chǎn)生的低頻線譜聲會出現(xiàn)“鎖定”現(xiàn)象。

我們知道，剪切流動是一種常見的非穩(wěn)定流動現(xiàn)象，它以橫剖面上流速的非均勻分布為特征，發(fā)生在射流、尾跡、混合層、空腔繞流、邊界層和管道流動等物理過程中。剪切流動平均速度的空間梯度實(shí)際上代表了一定旋渦特性，Blake[1]認(rèn)為，不同類型的剪切流動與噪聲存在某種必然的關(guān)系，流動越不穩(wěn)定，越有可能產(chǎn)生旋渦噪聲。

流體流經(jīng)空腔開口上游邊緣（導(dǎo)邊），邊界層分離引起的不穩(wěn)定流動是一種重要的剪切流動，其不穩(wěn)定性產(chǎn)生的非穩(wěn)態(tài)壓力，伴隨流激振蕩和聲輻射現(xiàn)象發(fā)生，是航空和船舶領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的問題，諸如風(fēng)洞和水筒壁面開縫、水下航行體流水孔和指揮臺圍殼頂部開孔、飛機(jī)發(fā)動機(jī)排氣口、波紋管道等。

實(shí)際工程中遇到的空腔和開口有不同的種類，空腔可分為凸出腔和陷落腔，根據(jù)它們流向長度與深度的比值不同，又分為淺腔和深腔；根據(jù)流體介質(zhì)和腔壁厚度的不同，空腔壁面處理為剛性壁面和彈性壁面。開口分為矩形、圓形、橢圓形、三角形等不同形狀，根據(jù)開口基板厚度的不同又可分為簿壁開口和有限厚度壁開口。盡管對于不同的空腔和開口，剪切層流體振蕩及聲共振頻率與聲輻射特征不同，但是它們形成的機(jī)理仍然有共同的特點(diǎn)，Rockwell[2]共歸納為三類：（1）流體動力振蕩，振蕩由流體固有的不穩(wěn)定性引起；（2）流體共振振蕩，振蕩受到空腔駐波的作用而放大；（3）流體振蕩與空腔或開口的彈性壁面振動耦合。空腔和開口的聲學(xué)特性研究有兩個基本問題：其一、聲共振頻率預(yù)報；其二、聲輻射預(yù)報和控制。本文歸納梳理了腔口剪切振蕩及其與空腔聲場耦合共振和聲輻射機(jī)理、基本特征的研究現(xiàn)狀，概述了空腔及腔口流動和聲輻射控制的主要途徑和方法，并提出了流激空腔噪聲研究的主要問題。

1 開口剪切振蕩機(jī)理與特性研究

當(dāng)自由來流流經(jīng)空腔開口時，流動在導(dǎo)邊處分離產(chǎn)生剪切層。剪切層下方空腔流速低，其上方流速接近于自由流速。由于存在較大的速度梯度，剪切層的不穩(wěn)定對擾動產(chǎn)生放大作用，使剪切層上下擺動，不斷增加幅度，到達(dá)隨邊附近時，剪切層擊打隨邊，使隨邊產(chǎn)生壓力脈沖。壓力脈沖以聲速向上游傳播反饋到導(dǎo)邊。滿足一定相位條件時，剪切層擾動形成閉合反饋環(huán)，產(chǎn)生自持振蕩。振蕩的流體作為一種等效聲源，在一定條件下有可能產(chǎn)生單調(diào)音或者寬帶噪聲，也有可能激勵空腔四周結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動及噪聲，還有可能增加空腔開口載體的運(yùn)動阻力。

腔口剪切層振蕩最早由Rayleigh研究，他認(rèn)為剪切層振蕩可以理解為流體內(nèi)部角動量守恒的結(jié)果。航空和汽車界的空腔氣動噪聲研究始于上世紀(jì)五、六十年代。多年來國內(nèi)外發(fā)展了多種空腔開口共振和聲輻射的預(yù)報模型，或者針對不同的實(shí)際工程問題，回歸試驗(yàn)結(jié)果得到適合于不同空腔開口振蕩頻率的經(jīng)驗(yàn)估算公式。Rockwell[3-4]系統(tǒng)綜述了剪切層和空腔單調(diào)音的基本問題及研究進(jìn)展。Ross[5]較早歸納了空腔旋渦滿足的St數(shù)和聲耦合頻率的經(jīng)驗(yàn)公式。Kwon[6]獲得的邊調(diào)音頻率估算公式與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Howe在其專著[7]及文獻(xiàn)[8-10]中，全面介紹了各種空腔開口振蕩頻率的預(yù)報方法，提出了淺腔腔口流動的自持振蕩頻率計算公式。在很低Ma數(shù)情況下，對應(yīng)1階自持振蕩的最小St數(shù)預(yù)報結(jié)果很接近于試驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[11-12]考慮剪切層厚度的影響，提出了腔口剪切層振蕩頻率的估算公式，在Ma數(shù)為0.2-0.8時，試驗(yàn)研究了空腔深度對振蕩頻率的影響。

為了建立空腔開口聲學(xué)與流場特征的關(guān)系，Nelson[13]及文獻(xiàn)[14-16]采用激光多普勒測速和高速攝像儀等多種手段，測量了Helmholtz共振腔的速度和壓力場，并顯示旋渦發(fā)放的完整流動過程。文獻(xiàn)[17-18]則通過求解流體運(yùn)動方程，從理論上分析空腔開口的流場特性及其基本參數(shù)，為建立開口和空腔共振頻率的預(yù)報方法提供了較清晰的物理圖像。

空腔開口剪切層振蕩研究大部分都是以航空領(lǐng)域遇到的問題為背景，考慮的Ma數(shù)較大，接近或超過1。在船舶和水利領(lǐng)域，雖然剪切層振蕩機(jī)理與空氣中類似，但水介質(zhì)流動的Ma數(shù)遠(yuǎn)小于1，流體可以看作為不可壓縮的。Ronneberger[19]研究了水中空腔口剪切層振蕩的預(yù)報方法。在低Ma數(shù)情況下，腔口剪切振蕩頻率主要取決于腔口結(jié)構(gòu)和流場條件，并且通常有多階振蕩頻率出現(xiàn)，但階數(shù)越高，振蕩的幅度越低。在一定腔口條件下，剪切層振蕩頻率與流速成正比，對應(yīng)的Strouhal數(shù)為常數(shù)。

在低Ma數(shù)情況下，腔口剪切層自持振蕩的聲輻射比較弱，只有當(dāng)腔口剪切層自持振蕩與腔體內(nèi)聲模態(tài)耦合共振時，才會產(chǎn)生較強(qiáng)的聲輻射。Hardin[20]利用Curl方程和概念建立了空腔聲輻射的一般表達(dá)式；Howe[21-22]采用來流湍流散射概念，建立了開口和開口群寬帶聲輻射的理論模型。

2 腔口剪切振蕩與空腔聲場耦合共振機(jī)理與特性研究

實(shí)際上，大部分情況下開口與空腔是合為一體的，腔口流體振蕩與腔體內(nèi)部聲場必然會產(chǎn)生耦合。因此，需要進(jìn)一步考慮腔口剪切層自持振蕩與腔體內(nèi)聲場的相互作用。當(dāng)腔口流體剪切振蕩頻率接近腔內(nèi)流體聲模態(tài)頻率時，引發(fā)強(qiáng)烈的耦合共振及聲輻射。此時，一方面，腔口剪切層自持振蕩的脈動體積速度激勵產(chǎn)生空腔聲模態(tài)響應(yīng)；另外一方面，腔內(nèi)聲響應(yīng)會反饋到腔口，對剪切層形成擾動。雖然大多數(shù)情況下，聲反饋對剪切層的擾動作用可以忽略，但在耦合共振時，這種聲反饋的影響顯著增加。

Elder[23-24]通過確定開口和空腔的共振頻率，分析了空腔及來流狀態(tài)對開口剪切層的影響。Ross[5]論述了空腔共振聲輻射的基本規(guī)律；Tam[25]求解空腔內(nèi)外的波動方程，得到深腔和淺腔共振頻率及其受聲輻射的影響，并進(jìn)一步在文獻(xiàn)[26]中，試驗(yàn)研究了不同幾何特征空腔的離散共振頻率的變化規(guī)律，從理論上解釋了空腔內(nèi)外聲場和剪切層位移的機(jī)理。Bilanin[27]采用Fourier-Laplace變換及虛擬源方法，確定了淺腔的共振條件，East[28]和Heller[29]則通過試驗(yàn)測量方法，分別建立了深腔和淺腔共振頻率預(yù)報的經(jīng)驗(yàn)公式。文獻(xiàn)[30]則著重研究了剪切層振蕩和腔內(nèi)聲模態(tài)的耦合共振問題。Marsden[31]進(jìn)一步采用HWA、LDA和PIV等測量技術(shù)，試驗(yàn)研究了邊界層與圓形腔相互作用的流動特性及腔內(nèi)脈動壓力和遠(yuǎn)場輻射噪聲，揭示了空腔深度方向聲模態(tài)與剪切層振蕩相互作用，引起的空腔聲響應(yīng)強(qiáng)度與來流速度和腔深有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，Mast[32]提出了一個共振腔振蕩與非穩(wěn)態(tài)流動干擾的非線性相互作用模型。流動激勵共振腔存在兩種反饋機(jī)理，并以共振腔腔口的誘導(dǎo)體積速度為特征，一個對應(yīng)于非穩(wěn)態(tài)流動與下游腔口相互作用產(chǎn)生的脈動體積速度，另一個對應(yīng)于系統(tǒng)共振的體積速度。流動—邊緣相互作用引起的反饋，產(chǎn)生的聲波頻率與來流速度線性相關(guān)，而空腔反饋確定的腔體共振頻率與速度的依賴關(guān)系降低。Kook[33]進(jìn)一步提出了前饋增益函數(shù)，并結(jié)合后饋增益函數(shù)，構(gòu)成了反饋回路分析框架，其中前饋增益函數(shù)表示空腔聲反饋對腔口剪切層振幅增益的作用，后饋增益函數(shù)表示空腔將水動力體積速度轉(zhuǎn)換為聲體積速度的效率。

在實(shí)際工程中，開口和空腔共振頻率雖然有助于了解和分析噪聲形成機(jī)理及特征，并為噪聲控制提供思路。但人們更加關(guān)注開口和空腔作為一個聲學(xué)系統(tǒng)在共振頻率附近的輻射噪聲量級。開口和空腔的噪聲輻射反映了剪切層振蕩、空腔聲響應(yīng)及周圍結(jié)構(gòu)振動的一個綜合效果。當(dāng)剪切層振蕩和空腔駐波共振時會產(chǎn)生較強(qiáng)的聲輻射，這種聲輻射表現(xiàn)為若干個以耦合共振頻率為中心頻率的窄帶噪聲。開口和空腔聲輻射機(jī)理和預(yù)報方法的研究，其進(jìn)展遠(yuǎn)不如共振頻率的相關(guān)研究成熟，尤其是水中開口和空腔，其中的一個主要原因是聲輻射的研究比共振頻率要困難許多。文獻(xiàn)[29-30，34-36]雖然測量并采用回歸分析方法，研究了空腔聲輻射的特征，但它們的主要目的還是通過測量聲頻響曲線確定共振頻率。Elder[37]將空腔口等效為一個活塞聲輻射，建立了腔內(nèi)聲壓和輻射聲壓之間的關(guān)系；Meissner則采用文獻(xiàn)[1，37-38]的理論模型，建立了適用于空腔耦合共振的聲輻射預(yù)報模型。Ashcroft[39]采用數(shù)值方法，計算了低速湍流流經(jīng)二維空腔的單調(diào)音輻射噪聲，流動數(shù)值計算與Fflowcs Williams-Hawking方程聯(lián)合求解，計算了遠(yuǎn)場聲場分布及來流速度和邊界層厚度的影響。Gloerfelt[40]采用兩種不同的數(shù)值方法，計算空腔輻射噪聲，其一、利用求解二維不可壓縮N-S方程，直接計算輻射噪聲；其二、腔內(nèi)流場結(jié)合Fflowcs Willoams和Hawking積分方程計算遠(yuǎn)場噪聲。文獻(xiàn)[41]采用k-ε湍流模型，通過求解二維非定常雷諾平均N-S方程，計算空腔內(nèi)部流場及腔外聲輻射。一般來說，空腔開口的聲共振和聲輻射特性，除了取決于它們的幾何特征外，還取決于運(yùn)動流體的Re數(shù)和Ma數(shù)，以及來流的方向、邊界層厚度和湍流度等因素。

從聲學(xué)上講，深腔和淺腔的不同之處在于深腔腔口的剪切層運(yùn)動不易受到腔內(nèi)壁聲反射的影響，但深腔更易具有產(chǎn)生剪切振蕩和聲模態(tài)耦合共振的條件，引發(fā)較強(qiáng)的聲輻射。Howe[42]認(rèn)為，在很低的Ma數(shù)情況下，淺腔氣動噪聲主要是由旋渦與空腔隨邊相互作用引起的非穩(wěn)態(tài)阻力所產(chǎn)生的偶極子噪聲。空腔共振產(chǎn)生單極子聲輻射，在低Ma數(shù)情況下，這種聲輻射非常弱。對于水下情況來說，Ma數(shù)很少超過0.01，即使是最低的剛性腔頻率，仍遠(yuǎn)大于流動激勵頻率，單極子聲輻射可以忽略。當(dāng)空腔淺到非穩(wěn)定水動力尾渦“打濕”腔底，空腔旋渦準(zhǔn)周期性注入到主流動中，產(chǎn)生一個強(qiáng)烈的阻力脈動，并確定了單極子和偶極子聲源強(qiáng)度。Oshkai[43]針對來流充分湍流及聲源遠(yuǎn)小于空腔長度的情況，研究了軸對稱空腔的流動單調(diào)音及其與空腔長度的關(guān)系。當(dāng)空腔長度小到分離剪切層動量厚度尺度時，沒有明顯的振蕩發(fā)生，且空腔深度遠(yuǎn)小于來流邊界層動量厚度時，腔口剪切層振蕩得到抑制。Parthasrathy[44]試驗(yàn)研究Ma數(shù)為0.12-0.24情況下，深圓柱腔產(chǎn)生高強(qiáng)度單調(diào)音，其強(qiáng)度和頻率取決于流動速度及空腔直徑和深度。Zhang[45]和Handa[46]分別研究了淺腔與深腔超音速流動的脈動壓力的機(jī)理。

除了深淺因素以外，文獻(xiàn)[47]進(jìn)一步考慮了空腔導(dǎo)流板對腔口流體振蕩及腔體耦合共振的影響。文獻(xiàn)[48-49]則研究了Helmholtz共振腔開口形狀對共振特性的影響。文獻(xiàn)[50]考慮了腔口聲輻射對空腔共振的影響，使理論預(yù)報更加符合試驗(yàn)結(jié)果。Keller[51]進(jìn)一步針對加蓋空腔，通過壓力測量及流態(tài)顯示，進(jìn)一步確立空腔聲激勵的機(jī)理。水下航行體空腔開口上常常采用格柵破壞剪切層的空間相關(guān)性，抑制共腔共振。Arunajatesan[52]采用數(shù)值模擬方法，計算分析了格柵肋條對剪切層振蕩的影響，結(jié)果表明空腔開口加肋條后，開口仍然有剪切層振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)，清晰可見類似于共振腔的大尺度旋渦，但是，格柵肋條對腔頸部位的流場有明顯的調(diào)制作用，格柵引起的小尺度旋渦發(fā)放，在肋條下面與大尺度渦反向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致流態(tài)時序圖上有明顯的格柵周期性調(diào)制的流動特征，產(chǎn)生高頻振蕩分量。

實(shí)際工程中，不僅飛行器、水下航行體上會遇到空腔和開口問題，通風(fēng)管路系統(tǒng)中用于控制低頻線譜噪聲常常采用的Helmholtz共振腔，在一定的管內(nèi)剪切流動激勵條件下也產(chǎn)生噪聲，對低Ma數(shù)流動管路中的聲傳播產(chǎn)生影響。Dequand[53]針對主管上兩個長度相同、相向布置的閉端分支管，建立了旋渦發(fā)放與聲共振耦合引起的自持振蕩數(shù)值模型。Tang[54]研究了管路條件下，腔口剪切流動減小共振腔聲功率傳遞損失的特性，隨著流動速度增加，聲功率傳遞損失大幅度降低。Graf[55]試驗(yàn)研究了湍流流動管路分支管的聲共振激勵源，分支管口剪切層產(chǎn)生的非穩(wěn)態(tài)源與Stronhal數(shù)、靜壓等參數(shù)有關(guān)。1/4波長共振腔是管道系統(tǒng)中常用的窄帶吸聲裝置，在某些流動條件下，管道流動與聲共振的相互作用耦合會產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲，使1/4波長共振腔消聲器改變?yōu)樵肼暟l(fā)生器，Radavich[56]針對這一問題，采用CFD建立低Ma數(shù)情況下流動與聲共振的相互作用模型，經(jīng)計算與試驗(yàn)結(jié)果比較，預(yù)報了耦合產(chǎn)生的流動條件。

在流道中用于吸聲的穿孔板同樣存在空腔流激噪聲問題，Nelson[57]最早關(guān)注這個問題。文獻(xiàn)[58]試驗(yàn)證實(shí)穿孔板也存在剪切振蕩，在鞭擊處的壓力脈動譜有尖銳的峰值，類似一般腔口，穿孔板振蕩的主要頻率與鞭擊長度和來流速度有關(guān)，但其等效腔口尺寸約為0.7倍的無穿孔板腔口尺寸。試驗(yàn)表明，切向流動對共振型穿孔板性能有顯著影響，但小尺寸開孔的試驗(yàn)觀測和流動顯示有相當(dāng)?shù)睦щy，為此，Tam和Walker[59]采用數(shù)值模擬，計算切向來流情況下窄縫共振腔附近的流動，結(jié)果表明，共振腔開口角上的旋渦發(fā)放伴隨高聲壓，且強(qiáng)旋渦沿流向傳輸相當(dāng)長距離，并與下游旋渦相互作用。Jong[60]針對汽車車門細(xì)長門縫，在低Ma數(shù)及厚邊界層條件下，試驗(yàn)和計算了一定條件下高階模態(tài)產(chǎn)生單調(diào)音噪聲的機(jī)理，窄縫等效為幾個相互作用的離散Helmholtz共振腔，高階共振與空腔展向尺度相關(guān)。

在空氣介質(zhì)中，絕大部分情況下空腔壁可以近似處理為剛性壁。以往的研究認(rèn)為，對于水下空腔而言，由于聲波波長較長，水介質(zhì)空腔中的聲模態(tài)頻率一般遠(yuǎn)高于腔口流體動力振蕩頻率，腔口剪切振蕩與空腔聲模態(tài)產(chǎn)生耦合的可能性很小，一般不會出現(xiàn)較強(qiáng)的低頻線譜噪聲。但是，這里忽略了一個關(guān)鍵因素，就是在考慮空腔聲模態(tài)時，將空腔壁面假設(shè)是剛性的，而實(shí)際空腔壁面是彈性的。彈性壁面提供的附加柔度會降低空腔的聲模態(tài)頻率，使得腔口剪切振蕩頻率與空腔的模態(tài)頻率耦合的可能性增大。因此，應(yīng)該重視腔壁彈性振動與空腔聲共振和腔口剪切層振蕩之間的耦合作用。Burroughs[34]測量了水流經(jīng)空調(diào)產(chǎn)生的單調(diào)音，分析了單調(diào)音頻率與流速、開口尺寸之間的關(guān)系。針對水下航行體指揮臺圍殼等突出體頂部的空腔口，文獻(xiàn)[30，61-63]研究了不同形狀的突出腔體，在水流激勵下的聲共振頻率和聲輻射特性，重點(diǎn)考慮了腔體聲模態(tài)頻率的預(yù)報方法以及輻射聲阻抗對共振頻率的作用。文獻(xiàn)[64]試驗(yàn)研究了腔體殼壁振動與剪切層振蕩和腔內(nèi)聲模態(tài)之間的相互影響。但是，空腔及其周圍的彈性結(jié)構(gòu)在脈動壓力激勵下產(chǎn)生的聲輻射，目前還沒有比較完善的理論模型。相對空氣介質(zhì)中的空腔而言，水中空腔的聲學(xué)研究要薄弱得多。

3 空腔流動激勵及聲輻射控制研究

空腔開口剪切振蕩及聲輻射控制分為被動和主動控制兩種方式。被動控制主要在腔口導(dǎo)邊布放擾流器及流動擴(kuò)散器，或在隨邊布放流動偏轉(zhuǎn)器。Kuo[65]采用激光多普勒測速儀及激光切片技術(shù)，在水筒中測量了傾斜腔底或腔底流動路徑調(diào)制器（flow path modifier）對空腔剪切層脈動特征的影響。結(jié)果表明，低Re數(shù)情況下，在一定傾斜范圍內(nèi)，傾斜腔底對空腔剪切層振蕩產(chǎn)生調(diào)制作用，可明顯降低腔內(nèi)振蕩幅度，傾斜達(dá)到一定程度，自激振蕩完全抑制，且負(fù)梯度板優(yōu)于正梯度板的抑制效果。文獻(xiàn)[66]在空腔上游安裝了圓柱形、矩形、鋸齒和三角形等四種形式的擾流體，控制空腔的流激振蕩，對窄帶或?qū)拵г肼曈幸欢ǖ囊种菩Ч?/p>

早期的空腔流動激勵共振主動控制，采用在空腔內(nèi)布置一個或多個揚(yáng)聲器，控制剪切流動和噪聲。以后發(fā)展的典型主動控制主要有以下幾種[67]：其一、空腔導(dǎo)邊布置壓電單晶或雙晶片作為整流器；其二、導(dǎo)邊邊界層內(nèi)放置一個圓柱體高頻音調(diào)發(fā)生器，頻率10-30 kHz，作為導(dǎo)邊振蕩板；其三、導(dǎo)邊振蕩板加脈沖流體注入；其四、導(dǎo)邊微型流體振蕩器；和其五、非穩(wěn)態(tài)泄流激勵器等。一般來說，這些裝置可有效抑制空腔脈動壓力10-20 dB。Illingworth[68]進(jìn)一步采用平衡的降階模式反饋技術(shù)控制流動共振。在腔口上游角附近剪切層中測量橫向速度，下游壁面中間測量反饋壓力，提供一個控制激勵力，可降低空腔振蕩峰值幅度40 dB。Cheng和Zhou[69]發(fā)展了表面擾動技術(shù)用于控制流動-結(jié)構(gòu)相互作用，包括渦街、流動引起的振動和旋渦引起的噪聲。文獻(xiàn)[70]在空腔導(dǎo)邊齊平布置一個雙壓電晶體片懸臂架激勵器，在空腔一端可產(chǎn)生垂直流動方向的運(yùn)動，引起足夠大的流向撓動，光纖傳感器埋置在空腔前壁，實(shí)時測量激勵器頂端位移。在0.275-0.38Ma數(shù)范圍內(nèi)，空腔壁面壓力脈動降低8-10 dB。Rook[67]將振蕩擾流裝置鉸支在腔口導(dǎo)邊，并由揚(yáng)聲器通過垂直鋁管激勵鋼片擾流裝置，同時在腔內(nèi)布置傳聲器，提供反饋控制信號，試驗(yàn)在較寬的速度范圍內(nèi)降低空腔壓力脈動線譜20 dB左右。Zhang[71]將埋置壓電激勵器的鈍體布置在風(fēng)洞測量段，壓電激勵器異步調(diào)節(jié)流動—聲相互作用，控制鈍體渦發(fā)放激勵下游風(fēng)洞壁面空腔共振聲輻射8 dB左右，但物理機(jī)理尚不清楚。

4 結(jié)語

無論空氣或水中的空腔開口，腔口剪切振蕩頻率的預(yù)報已較成熟；空氣中的腔口剪切振蕩與空腔聲模態(tài)耦合共振及聲輻射研究也取得了較好的進(jìn)展，但水中腔口剪切振蕩與空腔聲模態(tài)耦合共振及聲輻射研究還比較薄弱，尤其是空腔周邊結(jié)構(gòu)彈性對耦合共振及聲輻射的影響及其規(guī)律。水中空腔流動激勵產(chǎn)生的線譜噪聲控制，基本上處于原理性研究層面，調(diào)整或優(yōu)化空腔結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)，對抑制流激線譜噪聲的效果及規(guī)律尚不明確。因此，空腔流激聲共振及聲輻射研究，應(yīng)著重關(guān)注以下問題：

（1）在開口剪切振蕩頻率預(yù)報的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用試驗(yàn)測量或數(shù)值分析，研究不同形狀開口在不同流速情況下的剪切振蕩幅度分布特性；

（2）研究彈性壁對水下空腔聲模態(tài)頻率的影響，確定剪切層振蕩與腔體聲模態(tài)的反饋機(jī)理及聲共振產(chǎn)生的條件，并結(jié)合腔口剪切振蕩幅度分布，建立腔口輻射噪聲預(yù)報模型；

（3）研究調(diào)整水下空腔彈性壁參數(shù)，對抑制腔口剪切振蕩與空腔聲模態(tài)水彈性耦合共振及聲輻射的效果。進(jìn)一步探索有效的流場和聲共振控制方法，多層面控制水下空腔流動激勵的線譜噪聲。

[1]Blake W K.Mechanics of flow-induced sound and vibration[M].Vol.1,Academic Press,Inc.,1986.

[2]Rockwell D,Nandascher E.Review-Self sustaining oscillation of flow past cavities[J].Asme Journal of Fluid Engineering,1978,100(6):152-165.

[3]Rockwell D.Oscillation of impinging shear layers[J].AIAA.Journal,1983,21(5):645-664.

[4]Rockwell D,Nandascher E.Self-Sustained oscillations of impinging free shear layer[J].Annual Review,Fluid Mechanics, 1979,11:67-94.

[5]Ross D.Mechanics of underwater noise[M].Pergramon Press,1976.

[6]Kwon Y P.Feedback mechanism of low-speed edge tones[J].J Acoust.Soc.Am.,1998,104(4):2084-2089.

[7]Howe M S.Acoustics of fluid-structure interaction[M].Cambridge University Press,1998.

[8]Howe M S.The influence of mean shear on unsteady aperture flow,with application to acoustical diffraction and self-sustained cavity oscillations[J].J Fluid Mech,1981,109:125-146.

[9]Howe M S.Edge,cavity and aperture tones at very low mach numbers[J].J Fluid Meh.,1997,330:61-84.

[10]Howe M S.Low Strouhal number instabilities of flow over apertures and wall cavities[J].J Acoust.Soc,Am,1997,102(2): 772-780.

[11]羅柏華等.空腔流激振蕩的簡化模型分析及振蕩頻率估算[J].空氣動力學(xué)學(xué)報,1999,17(1):39-43. Luo Baihua,Hu Zhangwei,Dai Changhui.Analysis and frequency estimation of flow induced cavity oscillation[J].ACTA Aerodynamic Sinica,1999,17(1):39-43.

[12]羅柏華等.空腔流激振動的實(shí)驗(yàn)研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,1998,32(7):32-35. Luo Baihua,Hu Zhangwei,Dai Changhui.Experimental study of flow induced cavity oscillation[j].J of Shanghai Jiaotong University,1998,32(7):32-35.

[13]Nelson P A,Halliwell N A,Dock P E.Fluid dynamics of a flow excited resonance Part I:Experiment[J].J of Sound and Vibration,1981,78(1):15-38.

[14]Maull D J,East L F.Three-dimensional flow in cavities[J].J of Fluid Mechanics,1975,16(4):620-632.

[15]Rockwell D,Knisely C.The oranized nature of flow impingement upon a corner[J].J of Fluid Mech,1979,93(3):413-432.

[16]Yi Yunfeng,Wang Yusheng,He Zuoyong.Flow visualization of rectangular cavities using high speed photography[C]// Proceedings of the second China-Japan.Syinposium on Visualization.Hangzhou,China,1992.

[17]Michalke A.On spatially growing disturbances in an inviscid shear layer[J].J Fluid Mech,1965,23:521-544.

[18]Nelson P A,Halliwell N A,Doak P E.Fluid dynamic of a flow excited resonance,Part II,Flow acoustic interaction[J].J of Sound and Vibration,1983,91(3):375-402.

[19]Ronneberger D.The dynamics of shearing flow over a cavity-a visual study related to the acoustic impedance of small orifices[J].J of Sound and Vibration,1980,71(4):565-581.

[20]Hardin J C,Mason J P.Broadband wise generation by a vortex moded of cavity flow[J].AIAA.Journal,1997,15(5):632-637.

[21]Howe M S.Sound produced by turbulent flow over a perforated inlet[J].J of Sound and Vibration,1990,139(2):227-240.

[22]Howe M S.Influence of mean shear on Sound produced by turbulent flow over surface slots[J].J Acoust.Soc.Am.,1995, 97(3):1522-1533.

[23]Elder S A.Self-excited depth-mode resonance for a wall-mounted cavity in turbulent flow[J].J Acoust.Soc.Am.,1978, 64(3):877-890.

[24]Elder S A.Forced oscillation of a separated shear layer with application to carity shear layer with application to cavity flowtone effects[J].J Acoust.Soc.Am.,1980,67(3):774-781.

[25]Tam C K W.The acoustic mode of a two-dimensional rectangular cavity[J].J of Sound and Vibration,1976,49(3):353-364.

[26]Tam C K W.On the tones,and pressure,oscillations induced by flow over rectangular cavities[J].J Fluid Mech,1978,89 (2):373～399.

[27]Bilanin A J,Covert E E.Estimation of possible excitation frequencies for shallow rectangular cavities[J].AIAA.Journal, 1973,11(3):347-351.

[28]East L F.Aerodyamically induced resonance in rectangular cavities[J].J of Sound and Vibration,1966,3(3):277-287.

[29]Heller H H,Holmes D G,Covert E E.Flow-induced pressure oscillation in shallow cavities[J].J of Sound and Vibration, 1971,18(4):545-553.

[30]衣云峰,何祚鏞.圓柱形腔流激振蕩及其耦合共振的研究[J].聲學(xué)學(xué)報(增刊),1996,21(4):439-456. Yi Yunfeng,He Zuoyong.A study on flow-induced oscillation and coupling resonance of cylindrical cavity[J].ACTA A-custica(Suppl),1996,21(4):439-456.

[31]Marsden O,Bailly C.Investigation of flow features and acoustic radiation of a round cavity[J].J of Sound and Vibration, 2012,331:3521-3543.

[32]Mast T D,Pierce A D.Describing-function theory for flow excitation of resonators[J].J Acoust.Soc.Am.,1995,91(1): 163-172.

[33]Kook H,Mongeau L.Analysis of the periodic pressure fluctuations induced flow over a cavity[J].J of Sound and Vibration,2002,251(5):823-846.

[34]Buroughs C B,Stinebring D R.Cavity flow tones in water[J].J Acoust.Soc.Am.,1994,95(3):1256-1263.

[35]何祚鏞.水流引起突出流線型柱腔共振的實(shí)驗(yàn)研究[J].哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報,1993,14(1):48-58. He Zuoyong.Experimental investigation of induced resonant oscillations of a protruding streamlined cavity by water flow [J].J of Harbin Shipbuilding Engineering Institute,1993,14(1):48～58.

[36]何祚鏞.結(jié)構(gòu)振動與聲輻射[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2001.

[37]Elder S A.Mechanism of flow-excited cavity tones at low mach number[J].J Acoust.Soc.Am.,1982,72(2):532-549.

[38]Meissner M.Self-sustained deep cavity oscillation induced by grazing flow[J].Acustica,1987,62:220-228.

[39]Ashcroft G B,Takeda K,Zhang X.A numerical investigation of the noise radiated by a turbulent flow over a cavity[J].J of Sound and Vibration,2003,265:43-60.

[40]Gloerfelt X,Bailly C,Juve D.Direct computation of the noise radiated by a subsonic cavity flow and application of integral method[J].J of Sound and Vibration,2003,266:119-146.

[41]李曉東等.空腔流激振蕩發(fā)聲的數(shù)值模擬研究[J].力學(xué)學(xué)報,2006,38(5):599-604. Li Xiaodong,Liu Jingdong,Gao Junhui,Numerical simulation of flow-induced oscillation and sound generation in a cavity[J].Chinese J Theoretical and Applied Mechanics,2006,38(5):599-604.

[42]Howe M S.Mechanism of sound generation by low Mach number flow over a wall cavity[J].J of Sound and Vibration,2004, 273:103-123.

[43]Oshkai P,Rockwell D,Pollack M.Shallow cavity flow tones:transformation from large-to-small-scale modes[J].J of Sound and Vibration,2005,280:777-813.

[44]Parthasarathy S P,Cho Y I.Sound generation by flow over relatively deep cylindrical cavities[J].J Acoust.Soc.Am., 1985,78(5):1785-1795.

[45]Zhang X,Rona A.An observation of pressure waves around a shallow cavity[J].J of Sound and Vibration,1998,214(4): 771-778.

[46]Handa T,Miyachi H.Generation and propagation of pressure wave in supersonic deep-cavity flow[J].Exp.Fluids,2012, 53:1855-1866.

[47]張明敏,何祚鏞.導(dǎo)流板對腔口流體自持振蕩影響的研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報,1995,12(2):9-16. Zhang Mingmin,He Zuoyong.Influence of flange plate on self-sustained oscillation of cavity[J].Chinese J of Applied Mech,1995,12(2):9-16.

[48]Panton R L.Effect of Orifcie geometry on Helmlwltz resonator excitation by grazing flow[J].AIAA.Journal,1990,28(1): 60-65.

[49]Chanaud R C.Effect of geometry on the resonance frequency of Helmlwltz resonators[J].J of Sound and Vibration,1994, 178(3):337～348.

[50]衣云峰,何祚鏞.風(fēng)洞壁面上圓柱腔流激振蕩和聲輻射的研究[J].哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報,1989,10(4):425～434. Yi Yunfeng,He Zuoyong.Study of induced oscillation and sound radiation of cylindrical cavity placed in wind tunnel[J]. J of Harbin Shipbuilding Engineering Institute,1989,10(4):425～434.

[51]Keller J J,Escudier M P.Flow-excited resonance in covered cavities[J].J of Sound and Vibration,1983,86(2):199-226.

[52]Arumajatesan S,Sinha N.Modeling approach for reducing Helmholtz resonance in submarine structures[J].AO-A458237, 2005.

[53]Dequand S,Hulslowff S J.Self-sustained oscillations in a closed side branch system[J].J of Sound and Vibration,2003, 265:359-386.

[54]Tang S K.On sound transmission loss across a Helmholtz resonator in a low mach number flow duct[J].J Acoust.Soc. Am.,2010,127(6):3519-3525.

[55]Graf H R,Ziada S.Excitation source of a side-branch shear layer[J].J of Sound and Vibration,2010,329:2825-2842.

[56]Radavich P M,Selamet A.A computational approach for flow-acoustic coupling in dosed side branches[J].J Acoust.Soc. Am.,2001,109(4):1343-1353.

[57]Nelson P A.Noise generation by flow over perforated surfaces[J].J of Sound and Vibration,1982,83(1):11-26.

[58]Celik E,Rockwell O.Shear layer oscillation along a perforated surface:a self-excited large-scale in stability[J].Physics of Fluids,2002,14(2):4444-4447.

[59]Tam C K W,Ju H,Walker B E.Numerical simulation of a slit resonator in a grazing flow under acoustic excitation[J].J of Sound and Vibration,2008,313:449-471.

[60]Jong A T de,Biji H.Investigation of higher spanwise Helmholtz resonance modes in slender covered cavities[J].J Acoust. Soc.Am.,2010,128(4):1668-1678.

[61]朱習(xí)劍,何祚鏞.水洞中突出矩形腔的流激駐波振蕩研究[J].哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報,1993,14(4):41-52. Zhu Xijian,He Zuoyong.Study of flow-induced standing wave resonance of rectangular cavity in water tunnel[J].J of Harbin Shipbuilding Engineering Institute,1993,14(4):41-52.

[62]朱習(xí)劍,衣云峰,何祚鏞.突出腔的激勵振蕩激勵源[J].哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報,1994,15(1):26～36. Zhu Xijian,Yi Yunfeng,He Zuoyong.On the source of flow-induced oscillation of protruding cavity[J].J of Harbin Shipbuilding Engineering Institute,1994,15(1):26～36.

[63]衣云峰,何祚鏞.水中圓柱腔流激振蕩特性研究[J].中國造船,1996,134(3):36～47. Yi Yunfeng,He Zuoyong.A study on flow-induced oscillation of cylindrical cavity in water tunnel[J].Shipbuilding of China,1996,134(3):36～47.

[64]張明敏,何祚鏞.氣流激勵下彈性圓柱殼振動的實(shí)驗(yàn)研究[J].振動工程學(xué)報,1995,8(2):111-117. Zhang Mingmin,He Zuoyong.Experiment on induced vibration of opening cavity with elastic cylindrical wall by air flow [J].J of Vibration Engineering,1995,8(2):111-117.

[65]Kuo C H,Huang S H.Influence of flow path modification on oscillation of cavity sheer layer[J].Experiments in Fluids, 2001,31:162-178.

[66]吳亞軍等.基于被動控制的空腔脈動實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報,2013,34(9):1640-1644. Wu Yajun,Ouyang Hua,Huang You.Experimental investigation on the fluctuating pressure of cavity based on passive controls[J].J of Engineering Thermo Physics,2013,34(9):1640-1644.

[67]Rook H,Mongeau L.Active control of pressure fluctuations due to flow over Helmholtz resonators[J].J of Sound and Vibration,2002,255(1):61-76.

[68]Illingworth S J,Morgans A S.Feedback control of flow resonances using balanced reduced-order models[J].J of Sound and Vibration,2011,330:1567-1581.

[69]Cheng L,Zhou Y.Surface perturbation technique for flow-induced vibration and noise control[J].J of Sound and Vibration,2008,310:527-540.

[70]Regevise M A,Cabell R H.Real-time feedback control of flow-induced cavity tones[J].J of Sound and Vibration,2007, 307:906-940.

[71]Zhang M M,Cheng L,Zhou Y.Asynchronous control of vortex-induced acoustic cavity resonance using imbedded piezoelectric actuators[J].J Acoust.Soc.Am.,2009,126(1):36-45.

A review of acoustic resonant and radiation of aperture and cavity by flow excitation

YU Meng-sa,ZHANG Zheng-zheng,GAO Yan
(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

As the turbulent boundary layer passing though the opening on the surface of underwater vehicle,it is considered as the dominant mechanism of the line spectrum noise of flow excitation,in which the flow induced coupling resonance of shear layer oscillation with acoustic mode of cavity occurs.In this paper, the latest study on the mechanism and basic characteristics of the coupling resonance between shear layer oscillation and acoustic mode of cavity,as well as acoustic radiation of cavity is summarized.On these ground,the control methods of flow and acoustic radiation for cavity and aperture are briefly reviewed,and the main unsolved question of cavity noise induced by flow is also put forward.

cavity;flow excitation;shear layer oscillation;acoustic radiation

O427

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.11.015

1007-7294（2015）11-1422-09

2015-08-05

俞孟薩（1960-），男，研究員，E-mail：yumengsa@sohu.com。