低速聲學風洞的降噪措施設(shè)計

李征　陳志敏

摘 要：針對一座低速多用途聲學風洞開展降噪設(shè)計。根據(jù)低速聲學風洞的噪聲機理和頻率特性，風洞消聲降噪措施分為主動降噪和被動降噪兩類。主動降噪是從噪聲源控制噪聲大小，被動降噪是在噪聲的傳播路徑上對噪聲加以控制。通過對風扇動力段葉片的合理設(shè)計和優(yōu)化，降低葉片噪聲，實現(xiàn)主動降噪;在風洞中安裝阻性消聲器、在洞體壁面貼敷吸聲層、采用微孔板后留空腔、在消聲室中采用平頭吸聲尖劈以及控制振動噪聲傳播等降噪技術(shù)來降低風洞噪聲。上述降噪措施可以實現(xiàn)風洞整體降噪，達到聲學風洞的要求。

關(guān)鍵詞：風洞;減振;降噪

中圖分類號：V211.746 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）31-0021-04

Noise Reduction Design for Low Speed Multi-Purpose

Acoustic Wind Tunnel

LI Zheng CHEN Zhimin

（School of Aeronautics， Northwestern Polytechnical University， Xi’an Shaanxi 710072）

Abstract： A low speed multi-purpose acoustic wind tunnel is designed for noise reduction. According to the frequency characteristics and noise mechanism of low speed acoustic wind tunnel， the noise reduction measures can be divided into two categories： active and passive. The active noise control technology is control noise source radiation. The passive noise control technology is control noise propagation path. In this article， through reasonable design and optimization of fan power section blades， reduce blade noise and achieve active noise reduction. By installing the resistance muffler， sticking absorption device on the wind tunnel inner wall， using flat-head sound-absorbing wedge in anechoic room， controlling vibration noise propagation， wind tunnel noise is reduced. Through the above noise reduction measures， the overall noise reduction of the wind tunnel can be achieved to meet the requirements of acoustic wind tunnels.

Keywords： wind tunnel;vibration attenuation;noise reduction

聲學風洞具有聲學試驗能力，具有低的風洞背景噪聲、足夠大的尺寸（可進行遠場聲測量）和自由場條件（無聲反射）。在風洞設(shè)計中，既要保證風洞各部件的氣動外形進行最佳設(shè)計，又要確保風洞的流場品質(zhì)達到國軍標先進指標。一般而言，風洞聲學試驗要求試驗段背景噪聲聲壓級比目標聲源聲壓級至少低10 dB。因此，國際先進航空聲學風洞要求開口試驗段背景噪聲在75～80 dB（A）。

1 風洞設(shè)計指標及結(jié)構(gòu)

1.1 風洞設(shè)計指標

試驗段尺寸0.60 m（高）×0.45 m（寬）;試驗段最大風速為100 m/s，開（閉）口試驗段;模型區(qū)中心湍流度ε≤0.05%（閉口試驗段）;試驗段背景噪聲≤75 dB（A）（氣流外2 m處測量，開口試驗段）。

1.2 風洞模型

本文根據(jù)給出的技術(shù)參數(shù)對風洞整體進行優(yōu)化設(shè)計，合理確定風洞的收縮段、穩(wěn)定段、試驗段、擴散段、動力段及消聲器[1]。風洞結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 低速聲學風洞噪聲產(chǎn)生機理

噪聲控制分為兩個方面：一是針對噪聲源的主動控制;二是通過設(shè)置消聲器或吸聲材料等消除噪聲，對噪聲傳播過程進行控制，屬于被動控制[2]。低速風洞的試驗段背景噪聲主要是寬頻帶噪聲，主要來源于風扇;高速氣流在試驗段壁面也會產(chǎn)生邊界層噪聲等;通過風扇葉片和風扇電機會產(chǎn)生音調(diào)背景噪聲;風洞氣流流過孔的金屬板也會產(chǎn)生噪聲;氣流與開口試驗段、穩(wěn)定段和風洞管道回路相互作用也會產(chǎn)生低頻共振噪聲等[3]。以上列舉的噪聲源對于某一個風洞而言并非都同時存在，但是一旦有噪聲，它們是必須關(guān)注的地方。

3 噪聲的控制

3.1 設(shè)計和優(yōu)化風扇氣動結(jié)構(gòu)

由風洞的沿程損失可以估算出風洞的能量比，由能量比、已知的試驗段最大試驗風速和試驗段截面積就可估算出風洞電機所需的功率，然后根據(jù)電機功率設(shè)計風扇。

針對軸流式風扇的噪聲問題，可以采取增加轉(zhuǎn)子葉片、提高旋轉(zhuǎn)噪聲頻率來增加其衰減系數(shù)，亦可通過降低風扇轉(zhuǎn)速達到降低風扇噪聲強度的目的。另外，設(shè)計動靜葉片時需要考慮二者的數(shù)量、間距，減小氣流間的脈動耦合，削弱渦流噪聲強度。

3.2 在風扇和穩(wěn)定段前安裝消聲器

為了降低風扇和電機產(chǎn)生的噪聲對試驗段的影響，需要在風扇前安裝消聲器，降低傳播到試驗段的噪聲。從風扇噪聲產(chǎn)生機理進行分析，該噪聲主要包括旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲[4]。

3.2.1 旋轉(zhuǎn)噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲頻率的計算公式如下：

假設(shè)葉片數(shù)量為10，風扇旋轉(zhuǎn)速度為1 480 r/min，數(shù)據(jù)代入式（1），則旋轉(zhuǎn)噪聲頻率約為246.67 Hz。因此，旋轉(zhuǎn)噪聲的下限頻率為246.67 Hz。

3.2.2 渦流噪聲。渦流噪聲的主要特征是四極子聲輻射，而旋轉(zhuǎn)噪聲的主要特征是偶極子聲輻射。在低速風洞中，偶極子聲輻射效率比四極子聲輻射高得多。因此，風扇噪聲主要是旋轉(zhuǎn)噪聲[5]。在設(shè)計風扇前消聲器降低噪聲時，主要考慮降低旋轉(zhuǎn)噪聲。

取定消聲器的上、下限頻率分別為8 000 Hz和246.6 Hz，消聲器高和寬均為2 m，長為1 m。單通道寬度b和消聲材料厚度δ分別為：

可見，氣流通道寬度應該大于78.6 mm。消聲材料單塊厚度應該小于78.6 mm，此消聲器的設(shè)計厚度為75 mm，消聲器的氣流通道寬度為100 mm。穿孔板厚度為1 mm，開孔直徑為5 mm，開孔率為35%。

比較幾種材料的吸聲系數(shù)，消聲材料表面用金屬穿孔板覆蓋，選取發(fā)現(xiàn)超細玻璃棉在全頻帶的吸聲系數(shù)均較高。選取的玻璃棉板厚度為75 mm，采用不同重度的玻璃棉疊合，綜合在一起形成重度逐漸增大的構(gòu)型，厚度如圖2所示。

由已知的電機功率大小、轉(zhuǎn)速及最大試驗速度，可以求出風機流量q、風機全壓p。利用經(jīng)驗公式計算電機噪聲的聲功率級：

經(jīng)過消聲器后噪聲的變化由《風機手冊》[5]查表可知，聲功率級L為79.6 dB，達到風洞背景噪聲要求。穩(wěn)定段前安裝消聲器，防止外界噪聲傳入風洞對試驗造成影響，設(shè)計步驟與風扇段前消聲器設(shè)計步驟相同。

3.3 在壁面貼敷吸聲層

風扇的噪聲在低速風洞中主要以平面波形式傳播。實際的聲源并不唯一：一是若干個點、面、線聲源和體聲源同時輻射聲能;二是墻壁、屋頂以及地板反射的聲能。因此，實際傳播規(guī)律非常復雜。風洞洞體整體消聲方案是微穿孔板和孔板空腔間隔布置填充消聲材料的結(jié)構(gòu)[6-8]，如圖3所示。普通穿孔板聲阻過小，導致背后不填吸聲材料時的吸聲頻率帶較窄。若添加吸聲材料，會因孔徑和深度對氣流產(chǎn)生很大擾動，導致新噪聲的產(chǎn)生。因此，應該采用孔徑小于1 mm，穿孔率為2%左右的薄金屬板，且與空腔中的空氣層形成共振吸聲結(jié)構(gòu)。這種吸聲結(jié)構(gòu)簡單有效，其中低頻消聲效果良好，對氣流幾乎不會產(chǎn)生擾動，在低速風洞噪聲控制中應用廣泛。另外，空腔結(jié)構(gòu)上填充消聲棉，可消除寬頻帶噪聲的高頻部分。

取板厚t=1 mm，孔徑d=0.8 mm，開孔率P=2%，空腔深度D=61 mm，假設(shè)聲音頻率f=0.5?kHz，根據(jù)微穿孔板理論推導，正入射時吸聲系數(shù)為：

選取密度為110 kg/m的超細玻璃棉，以盡可能吸收低頻范圍的噪聲，并對高頻噪聲的吸收不會產(chǎn)生很大影響?？涨恢饕俏崭哳l噪聲[9]。

3.4 減振和防振設(shè)計

振動物體向空間直接輻射噪聲，即振動噪聲的產(chǎn)生。振動在傳播過程中必然會引起洞體及支撐的振動，從而導致輻射噪聲，即固體噪聲。因此，固體傳聲會加大噪聲的危害。

電機作為風洞動力源，工作會引起風洞振動。因此，必須對電機水泥底座、風洞室內(nèi)地面等進行隔振處理，對電機水泥底座進行減振處理。風扇動力段和試驗段之間則應該考慮設(shè)置柔性連接環(huán)，實現(xiàn)減振。電機支撐板建議采用50 mm厚度以上的鋼板，且強度和剛度的安全系數(shù)要足夠高，以防止發(fā)生共振。

3.5 消聲室設(shè)計

消聲室是指在封閉空間內(nèi)建立自由聲場，若將傳播聲波的介質(zhì)向各個方向均勻無限延伸，則能夠使聲源輻射的聲能進行無障礙物反射，也不存在環(huán)境噪聲的干擾。

消聲室有兩個主要功能：一是為聲學測試提供自由場空間;二是提供低背景噪聲環(huán)境，以滿足測試環(huán)境的要求。

目前，國內(nèi)外高質(zhì)量消聲室均采用尖劈結(jié)構(gòu)作為吸聲體。把多孔性材料做成尖劈狀實現(xiàn)吸聲，稱之為吸聲尖劈。當聲波從尖端入射，聲波通過吸聲層吸入吸聲體，從而實現(xiàn)高效吸收。吸聲尖劈的吸聲特性取決于尖劈長度、填充材料及空腔深度等參數(shù)。同一種材料的尖劈長度越長，則尖劈低頻吸聲性能越好。此外，改變空腔深度也有可能提高尖劈結(jié)構(gòu)的低頻吸聲特性[10-11]。

此風洞試驗段規(guī)格為0.60 m×0.45 m，設(shè)計消聲室尺寸為6 m×6 m×6 m。本消聲室消聲結(jié)構(gòu)取為平頭吸聲尖劈，擬設(shè)消聲室截止頻率為100 Hz，計算吸聲尖劈的高度。通常，尖劈長度應參考截止頻率所對應的1/4波長長度，即L=c/4×f=340/4×100=0.85?m，分別取尖劈前端長度為650 mm，尖劈基部長度為100 mm，空腔深度為100 mm。尖劈背部截面積為400 mm×400 mm，劈數(shù)為2個，尖劈吸聲系數(shù)≥0.99，如圖4所示。

消聲室尖劈擬采用直徑3.2～3.5 mm的鋼絲，制成滿足設(shè)計要求的框架，在框架上縫上玻璃布罩面材料，并且將基于多孔材料的氈狀裁成尖劈安裝到框架內(nèi)。此次設(shè)計采用的吸聲材料為美國Owens Corning 702.0系列超細環(huán)保玻璃棉板，屬于A級不燃性材料，符合相關(guān)標準。它作為吸聲材料在工程上得到了廣泛應用[12-13]。

4 結(jié)語

本文對一座低速聲學風洞開展降噪設(shè)計研究，通過對風扇動力段葉片的合理設(shè)計和優(yōu)化，在風洞中安裝阻性消聲器、在洞體壁面貼敷吸聲層、采用微孔板后留空腔、在消聲室中采用平頭吸聲尖劈以及控制振動噪聲傳播等降噪技術(shù)來降低風洞噪聲。上述降噪措施可以實現(xiàn)風洞整體降噪，達到聲學風洞的要求。

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