高頻射流噪聲測量及修正方法研究

2020-09-21 02:55:24張俊龍雷紅勝

實驗流體力學(xué) 2020年4期

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. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心氣動噪聲控制重點實驗室, 四川綿陽 621000)

0 引言

射流噪聲是一類典型的氣動噪聲源。航空發(fā)動機尾噴流噪聲、汽車排氣管道噪聲、飛機環(huán)控系統(tǒng)噪聲、減壓閥閥門噪聲、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]提出氣動噪聲理論以來，射流噪聲作為一類典型的氣動噪聲問題，引起了學(xué)者廣泛的關(guān)注和大量的研究。射流噪聲試驗是射流噪聲研究最重要的研究手段。同時，高精度的、可信賴的射流流場及噪聲試驗數(shù)據(jù)集可為計算氣動聲學(xué)[2-3]數(shù)值模擬軟件的校核提供支撐。

國內(nèi)外對射流噪聲的試驗研究大多在消聲室內(nèi)采用縮比模型進行[4-10]，其噴口直徑大多在10 cm以內(nèi)。若要用實驗室的數(shù)據(jù)去預(yù)估航空發(fā)動機的射流噪聲，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)進行歸一化時具有較高的相似性[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，射流噴口尺度越小，其對應(yīng)的頻率越高。對于采用縮比模型的射流噪聲模擬試驗，其所關(guān)注的頻譜范圍需向高頻擴展，通?？蛇_50 kHz以上。因此，需要對高頻射流噪聲測量進行系統(tǒng)研究。

與中低頻的噪聲測量不同，高頻噪聲測量需要充分考慮傳聲器頻率響應(yīng)特性、傳聲器保護罩、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及校準(zhǔn)證書上有專門說明?？諝馕曅拚部蓞㈤喯嚓P(guān)聲學(xué)書籍[14]，但其主要針對可聽聲頻段進行，而空氣吸聲影響很大的部分，即超出可聽聲頻段的高頻部分，修正較為簡單，且不同修正方法也可能存在較大誤差。傳聲器保護罩影響、傳聲器本底噪聲影響研究國內(nèi)鮮有文獻提及，國外文獻[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。

本文針對以上影響因素進行了系統(tǒng)研究和闡述，對影響高頻噪聲測量的各因素采用對比研究的方法給出定量的分析，同時，還針對射流噪聲遠場輻射特性測量，給出射流噪聲遠場測量時的遠場邊界。

1 射流模擬裝置及測量方案

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)×8.4 m(寬)×7.0 m(高)，消聲室截止頻率100 Hz。

射流模擬的動力來源于中國空氣動力研究與發(fā)展中心2 MPa中壓氣源，由過濾器/減壓調(diào)壓閥組將壓力降低為目標(biāo)壓力，通過緩沖器及消音器后將氣流引入消聲室內(nèi)，經(jīng)過流道結(jié)構(gòu)從噴口噴出。壓力控制方案為兩級調(diào)壓方式，第一級將壓力設(shè)定為1 MPa，第二級調(diào)壓器采用并聯(lián)2臺指揮器方式，分別滿足低壓和高壓的輸出要求。2臺指揮器的選擇由PLC通過對電磁閥的開閉控制實現(xiàn)。整個供氣系統(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，對于5 cm直徑的射流噴口，核心區(qū)射流速度最大可達Ma1.8。

1.2 測量方案及數(shù)據(jù)采集

本試驗測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，在半徑1.25～4.00 m 范圍內(nèi)布置測點；以噴口直徑進行無量綱化，測量半徑為25～80D(D為噴口直徑)。

圖1 射流噪聲遠場測量照片

為了降低傳聲器支撐架的聲反射對高頻噪聲測量的影響，本次測量遠場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。

射流噪聲信號采集采用G.R.A.S. 1/4英寸自由場傳聲器46BE，前置放大器為G.R.A.S. 26CB。傳聲器及放大器的頻率測量范圍4 Hz～100 kHz，動態(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噪聲振動測試分析系統(tǒng)，采樣頻率最高可達204.8 kHz。

試驗時，采樣時間設(shè)為20 s，采樣頻率204.8 kHz。數(shù)據(jù)頻譜分析時，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，然后進行快速傅里葉變換，最后將聲功率結(jié)果進行算術(shù)平均。單個數(shù)據(jù)塊長度為8192，窗函數(shù)選取Hanning窗，分析的窄帶信號頻率間隔為25 Hz。

2 高頻射流噪聲測量方法及修正技術(shù)研究

2.1 傳聲器自身性能影響研究

射流噪聲高頻測量通常采用1/4英寸或1/8英寸的高頻自由場傳聲器進行。測量時，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)曲線為傳聲器激勵響應(yīng)(Actuator response，通常由靜電激勵法測得)加上指向性的頻率修正的結(jié)果，自由場傳聲器頻率響應(yīng)典型結(jié)果如圖2所示。圖中曲線為某G.R.A.S. 1/4英寸自由場傳聲器出廠證書所提供。

圖2 典型1/4英寸自由場傳聲器頻率響應(yīng)曲線 (0°入射角)

通常傳聲器出廠或校準(zhǔn)時只給出了0°入射角(垂直入射)的結(jié)果，入射角不同時，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)計了傳聲器的指向性研究試驗，如圖3所示。試驗在10 m量級校準(zhǔn)消聲室內(nèi)進行，消聲室截止頻率100 Hz。將傳聲器正對聲源布置，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聲源)。聲波相對傳聲器的入射角的變化通過傳聲器支撐機構(gòu)上的云臺變角度機構(gòu)實現(xiàn)。傳聲器采用G.R.A.S. 1/2英寸自由場傳聲器46AE，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為BBM-PAK噪聲振動測試分析系統(tǒng)。試驗時，聲源發(fā)出單頻信號，頻率范圍100 Hz～20 kHz(1/3倍頻程中心頻率)，采樣頻率102.4 kHz，采樣時間10 s。測得的1/2英寸自由場傳聲器指向性結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著目標(biāo)頻率的增加，聲波入射角對傳聲器測量結(jié)果的影響明顯增加。對于2 kHz以下信號，傳聲器可近似認為是無指向性的；而對于20 kHz的聲信號，傳聲器指向性導(dǎo)致的測量誤差可達17 dB；對于20 kHz以內(nèi)的信號，聲波入射角小于15°時，指向性引起的誤差小于1 dB。

圖3 自由場傳聲器指向性測量試驗

對于大于20 kHz的高頻噪聲信號，指向性引起的誤差更大。圖5為某G.R.A.S. 1/4英寸自由場傳聲器出廠證書提供的結(jié)果。由圖可知，聲源位置與傳聲器軸線夾角60°時，對于10 kHz聲信號，測量結(jié)果與0°入射角結(jié)果的差異約為2 dB；而對于50 kHz聲信號，測量結(jié)果差異可達6 dB。因此,高頻測量時，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量誤差。

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

圖5 不同入射角下的自由場修正結(jié)果

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

圖6 傳聲器保護罩影響對比

由圖6可知，在目標(biāo)頻率10 kHz以下時，傳聲器保護罩影響幾乎可以忽略。隨著頻率的增大，傳聲器保護罩引起的測量誤差逐漸增大，在30 kHz附近，傳聲器保護罩的存在使得測量得到的噪聲值增加達5 dB,這可能與聲波在保護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，傳聲器保護罩則表現(xiàn)出了較強的高頻噪聲遮蔽效應(yīng)，使得測得的噪聲值偏低。因此，對于射流噪聲的高頻測量，必須去掉傳聲器保護罩進行，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)確的高頻噪聲測量結(jié)果，必須對空氣吸聲效應(yīng)進行修正，而目前文獻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》[14]工程算法(方法1)和SAE ARP5534方法[16](方法2)計算得到的25 ℃條件下、相對濕度分別為30%和60%時，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)

為檢驗空氣吸聲修正方法的適用性，本文基于射流噪聲的遠場測量進行了初步研究。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個測點，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無量綱化分別為45D和70D)。該距離處，射流噪聲可近似為點聲源，其向遠場的傳播符合球面波特性。將傳聲器測得的結(jié)果按下式進行球面波傳播修正和空氣吸聲修正后，會得到一致性很好的頻譜結(jié)果。

Pc=Pm+20·logr+r·α

(1)

式中，Pm為傳聲器測量聲壓級結(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為測量條件下每單位距離的空氣吸聲量，dB/m。

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

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，采用這個方法可以對空氣吸聲修正結(jié)果進行一個綜合評價。

試驗結(jié)果如圖8所示。由圖可知，70D位置測點的測量結(jié)果用方法2修正后，其值與45D位置測點結(jié)果具有高度的一致性。因此，對于高頻噪聲的空氣吸聲修正，建議采用文獻[16]所述的方法即方法2進行。

圖8 射流噪聲空氣吸聲修正結(jié)果對比

2.3 射流噪聲遠場測量時遠場測量邊界的確定

射流噪聲數(shù)據(jù)應(yīng)用時，通常需要將射流噪聲縮比模型試驗結(jié)果通過相似性準(zhǔn)則外插到全尺寸真實射流條件和遠場真實測點位置，以評估射流噪聲的遠場輻射特性。數(shù)據(jù)能向遠場外推的前提是測量得到的噪聲信號隨距離的變化滿足球面波衰減特性，即每當(dāng)測點到聲源的距離增加一倍時，聲壓級減小6 dB。要滿足以上條件，必須保證試驗時測點距離聲源位置足夠遠，即滿足測量的遠場條件。只有當(dāng)測點距離聲源足夠遠時，才能使測點不受近場流場壓力脈動的影響，測得的是“純凈的”向遠場傳播的聲波信號。此外，只有測點距離聲源足夠遠時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，傳聲器距離聲源過遠時會存在信噪比不足的問題。一方面，射流噪聲頻譜的高頻區(qū)域聲壓級與頻率對數(shù)呈近似反比關(guān)系，射流噪聲高頻段噪聲聲壓級較低；另一方面，高頻噪聲信號受空氣吸聲效應(yīng)的影響很大。以上兩因素導(dǎo)致射流噪聲高頻測量時傳聲器得到的目標(biāo)噪聲信號值很低；同時，傳聲器在40 kHz以上又普遍存在較高的電磁本底噪聲。因此，射流噪聲遠場高頻測量時極易出現(xiàn)信噪比過低、測量失真的現(xiàn)象。圖9為射流速度200 m/s、極角90°時，距射流出口截面中心4 m的傳聲器測得的射流噪聲與傳聲器自身本底噪聲頻譜對比。

圖9 傳聲器測得的射流噪聲與自身本底噪聲的對比

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

綜上所述，射流噪聲遠場測量時測點布置原則為：在滿足遠場條件的情況下，盡量靠近噴口出口中心。為得到精細、可靠的射流噪聲測量結(jié)果，必須對射流噪聲測量的最小遠場邊界位置進行系統(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、測量方向位于極角90°和30°時所測得的不同頻率下射流噪聲聲壓級隨測點到噴口出口截面中心距離的變化結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)為測點到噴口出口截面中心的距離，以噴口直徑D為基準(zhǔn)進行了無量綱化；縱坐標(biāo)為目標(biāo)頻率下測得的射流噪聲信號的聲壓級。為將不同頻率下的測量結(jié)果放在同一張圖上以方便進行對比研究，對不同頻率下的聲壓級絕對值進行了平移處理。圖中離散點為實驗測量結(jié)果,實線表示點聲源聲傳播時的球面波衰減特性，即距離增加一倍，聲壓級減小6 dB。如所得結(jié)果與此曲線吻合，則表示該結(jié)果符合遠場測量條件。

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時，測得的噪聲結(jié)果才與點聲源傳播規(guī)律相符合，即滿足射流噪聲測量的遠場邊界的要求。當(dāng)測點位置與噴口出口截面中心距離小于45D時，所得結(jié)果會明顯偏離理論曲線的結(jié)果，此時，相對于上游測點，下游方向測點所產(chǎn)生的誤差更大。因此，要使不同測量距離得到的射流噪聲頻譜聲壓級誤差在1.5 dB以內(nèi)，測量距離至少應(yīng)大于45D。不同射流速度所得結(jié)果基本一致。