三個基本氣動噪聲源、實際噪聲及其主要特征

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文章出處：技術資訊網責任編輯admin 閱讀量：發表時間：2021-01-19 09:51

在氣動噪聲中，主要有三個階次的噪聲源：即單極子、偶極子、四極子。
1、單極子聲源
單極子可以認為是一個脈動質量的點源。例如，如果一個小氣球的中心被安置在這個點源上，我們便會觀測到，該氣球隨著流體質豪的加入或排出而膨脹或收縮。這個運動總是純徑向的，而周圍的流體則應該壓縮以適應其運動，這樣一來，就形成了一個球對稱的聲場。
人們觀測到通過該邊界有流體的累計靜流量的流出與流人。這就是單極子聲源。對于單極子聲源，聲場的振幅和相位在球表面上的每一個點都是相同的，在靜止流體中的單極子聲源的指向性是在各個左向均勻的。

根據單極子聲源的特點，立刻可以斷定爆炸就是單極子聲源。事實上，氫彈就是世界上最大的破滅等。如果圍繞一個活塞式發動機排氣管劃出一個邊界，將看到排氣管端有一個脈動著的質量源；如果聲波的波長大于該排氣管直徑，則該聲場就十分接近于一個單極子點聲源。
2、偶極子聲源
偶極子可以看做是相互十分接近而相位相差180°的兩個單極子。如圖1所示，如果沿整個球形邊界進行積分，則流體的靜流率總是顯示為零，因為流人的流量等于流出的流量。但是，因為流入流動與流出流動的方向一致，它們的動量是相加的，所以該系統就存在一個靜動量。根據牛頓定律一定可望找到一個與偶極子有關的力。偶極子的另外一種描述是把它認為是一個由振蕩作用力馭動的球。

以上兩種描述中，在測量邊界上的流體運動時是等價的。注意到沿著動量變化或作用力的軸向存在著徑向流動，因此，可以推斷那里的可壓縮運動或聲學運動是最大的；而在與該軸向相差90°的方向上，沒有徑向運動存在。
因此偶極子聲場的特征是，該聲場有一個最大值方向，而與該方向垂直的方向上，聲壓應該為零值。正像在聲源處流體的流出流動與流入流動的相位差那樣，偶極子聲場的每一個聲瓣相差180°。如果質量中心產生運動，則一個偶極子聲源就將產生。
為了更好地了解偶極子，首先討論由振動著的固體所產生的偶極子源。由作用力所造成的球的往復運動。或者是樂器上振動著的弦產生的聲源，都是力偶極子的典型實例。當彈撥弦或者打擊一個銅鈸時，就將振蕩的動量傳遞給了它們，而這些振蕩的動量部分地由于聲輻射而衰減。銅鈸的演奏者，在打擊了銅鈸以后，就轉動它們，于是偶極子軸就可被指向聽眾。
上述實例中物體的力或動量是隨時間而變化的。在非定常運動中的力也能產生一個聲場，螺旋槳轉子和直升機旋冀就是典型的實例，盡管從加速度坐標系來看，作用力是定常力，但它們是典型的偶極子聲源。
上述這些概念可以轉換到只存在流休運動的情況下。脈動力可以通過表面力而作用于流體上，例如上述提到的轉子和旋翼等運動著的固體表面就是顯而易見的實例。此外，還存在一種消極的方法使得固體表面成為產生力的根源，例如。風吹到任何一個尖邊緣的固體上，固休表面的某些結構形狀會改變流場，使得能量從定常流動中汲出，并以凈脈動力的形式作用在固定的固體材料上，將能量加人到脈動流動中去。它的反作用力導致發生偶極聲場。
這類偶極子源最典型的例子，也是最常見的氣動力聲源，就是風吹過電線所形成的哨聲。圍繞圓柱的流動在其尾跡區域中變為不穩定，從而形成被稱之為卡門渦街的脈動尾跡動量。該動量脈動直接導致升力和阻力的脈動，而后兩者會產生軸方向相互垂直的兩個偶極子聲場。所有氣動力表面(機翼和風扇葉片)的流出邊都會導致脈動尾跡、脈動力和偶極子聲場的發生，即使這些固體本身并不產生聲。也有在進氣邊形成偶極子聲場的情形，例如當脈動與任一表面相干涉。其作用必定如同動量脈動一樣。
3、四極子聲源
四極子可以看做是由兩個具有相反相位的偶極子形成的，因而也就是由四個單極子所組成。因為偶極子有一個軸，所以偶極子的組合可以是橫向的，也可以是縱向的，如圖所示。

橫向四極子表示剪切應力，而縱向四極子則表示縱向應力。橫向四極子具有兩個主軸，一個是沿著諸力的方向，而另一個則在諸力當中。橫向四極子有四個聲瓣。縱向四極子可以看做是橫向四極子的退化形式，它只有一個軸，并在聲場中只產生兩個聲瓣。沿著圍繞四極子源的球形邊界積分，既沒有凈質量流量，也沒有凈作用力存在。
機械應力和電磁應力都能作用到流體上去。在諸如射流和邊界層那些具有大的平均速度梯度的區域，最常見到流體機械應力的存在。電磁應力則可以作用于任何帶有電流的介質上。因此，可望在實際上每個流體流動中找到四極子聲源。以后的研究會發現，在多數情況下，這些聲源的聲功率都是較小的。
4、實際聲源
任何實際聲源可以看做是由適當的相位(或時間滯后)和幅值的諸單極的一個分布系統所組成的。正常情況下，不可能把這樣的問題公式化。采用稱為偶極子和四極子的這種單極的特殊組合，就允許把直覺知識用于特殊問題。考慮一個機器噪聲問題，通常可以判定哪一種形式的聲源占主導地位，并根據這種判定預測聲源的某些特征。如果能作出這種近似，就可以應用上述的簡單物理模型來掌握許多有關物理過程的聲的產生。于是，困難就集中在用一個點源來近似一個多源的分布上。
令人驚奇的是，對于許多實際機器來說，都可以采用點源模型。這種近似所用的一般準則是，所要研究的最高頻率的波長應該遠大于聲源的物理尺寸。即使機翼尺寸大于聲波波長。發射著高頻噪聲的機翼仍然可以采用點源模型。這是因為準則是針對實際聲源(流體流動)的物相關的面積和相關體積，都可以認為是一個小尺寸的孤立聲源。于是一個很大的機翼或轉子葉片，可以用沿著葉片展長分布的孤立點源的總和來模擬。在分析流體力學噪聲問題中，應用相關長度的概念是十分重要的。

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