流体强声换能器发展现状

许伟，曾新吾，吴昌莉，陈玉波



流体强声换能器发展现状

许伟1，曾新吾2，吴昌莉1，陈玉波1

(1. 第二炮兵装备研究院，北京100094；2. 国防科技大学光电学院，湖南长沙410073)

流体强声换能器能够产生不同频段、不同用途的强声波，在军事和民用领域都具有重要应用价值。对流体调制式、流体喷注式和流体谐振式三种流体强声换能器的结构特点进行了介绍，对其发展现状进行了简要综述。

流体；调制气流声源；强声；换能器

0 引言

强声换能器主要是指声源出口声压级(空气中)达140 dB以上的强声发生系统。强声换能器按能量转换方式可分为化学能、电能和流体强声换能器[1-5]。化学能强声换能器，一般是利用爆炸产生的巨大能量来发声，它可产生超大功率的强声波，但结构复杂，声波特性难以控制；电能强声发生器结构简单，性能稳定，声波频率可以准确控制，但换能效率低，要达到数千瓦的声功率，耗电量相当大，且结构与材料要求均很高；流体强声换能器是将压缩空气、高压蒸汽或燃气等流体有控制地排出并激发周围媒质的振动，形成所需频段和强度的连续声波。流体强声换能器结构简单，能量转换效率相对较高，在军事和民用领域都具有重要应用价值，可用于强噪声环境模拟、海上预警、远距离广播、声学清洗等用途。

本文对国内外现有的流体强声换能器进行了广泛调研。按发声原理将流体强声换能器分为流体调制式、流体喷注式和流体谐振式三种[6,7]。下面就其发展及其现状作简要介绍。

1 流体谐振式换能器

流体谐振式换能器的典型结构如图1所示[8]，是一种可在气体和液体中使用的谐振式发声装置，也称帕尔曼哨。由喷嘴D和簧片C组成，在液体中利用液体射流来激发簧片的振动而产生声波。簧片前端和后端做成尖劈形，射流喷出后正对簧片尖端，簧片的振动节点K为固定点。

当高速射流从喷嘴喷出时会激发簧片振动并发声，产生的声音属于经典的“边棱音”。

1.1 国外相关研究

国外对此类换能器的发声机理研究较多。Brown等曾对“边棱音”的发声机理进行过研究[9,10]，认为与作用在尖劈上的力相关的局部流体振荡，使喷注从喷口一出现就受到横向的不稳定扰动。随着层流喷注扰动的增加，涡旋与尖劈产生相互作用，构成一反馈环。当喷注速度发生变化时，这一反馈就会产生具有特定频率特性的声波。Powell对该类换能器实验研究的结果表明，测到的作用于尖劈上的横向力与所辐射的声场有较为准确的对应关系，其声强相应地接近理论上速度的六次方[11,12]。Krothapalli曾对180°的尖劈，即一平面板情况下的发声进行过研究，认为此时喷注具有很高的阻抗并阻碍局部流动的横向振荡，在每一半空间的声场更类似于单极子声场[13]。

1.2 国内相关研究

相比国外，国内更偏重于实验与应用研究。龚昌超等曾对该型声源进行了实验研究[8]，指出谐振式声源适合产生高频噪声，受结构限制，很难用于产生低频强声。簧片材料因疲劳而断裂是这种声源应用到低频强声学方面所遇到的最大技术障碍。路斌等对该类换能器在石油化工领域的应用进行了探索，认为其结构简单，坚固耐用，适合工业上的大规模应用[14]。目前已有应用于乳化、粉碎、均化、物化以及用于促进化学反应、除尘和阻燃等[14,15]领域的报道。

2 流体调制式换能器

流体调制式换能器的典型结构之一为旋笛，也称汽笛，见图2[16]。其发声原理是利用受控的机械装置切断气流而形成断续喷注的方法产生声波，其结构简单，曾在火车、轮船上得到广泛应用，可用于远距离预警，具有主频单一、传播距离远等特点，其发声频率取决于动定子构件的开孔数目。旋笛的发声效率较高，有文献报道，理论上效率最大值在产生正弦声波时可达50%，产生方波时可达100%[16]。旋笛可产生很大的声功率，如1942年，Jones设计的旋笛声功率可达37.3 kW，Leonard和Wilson于1952年设计的旋笛声功率则达到了100 kW[17]。

另一种流体调制式换能器发声原理与旋笛类似，称之为调制气流声源。自20世纪50年代以来，由于近代火箭技术的发展，导弹、飞机及外太空飞行器高强度环境试验的需求，大功率调制气流声源开始受到关注，用于试验火箭、导弹、航天器和飞机等在强噪声条件下的工作特性，或用于消除火箭、导弹和飞机产生的噪声，其优点是其输出波形由小功率的电信号控制，可随控制电信号变化，输出声信号的频谱也可调节的，气声转换效率可达11~15%。下面对这一类型的换能器进行详细介绍。

2.1 国外相关研究

国外对调制气流声源的研究主要集中在航空航天领域，以提供高声强试验环境为主要应用目的。Meyer[18]最早于1969年提出了调制气流声源的理论分析模型，基本思想为依据内流场特性将声源结构简图划分为喷口定常等熵加速流动区、非等熵和非线性定常湍流混合区、平均流动条件下强声波扰动区。三个区域均可由一维可压缩无粘流动的连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程等所组成的方程组描述。这是调制气流声源最基本和最重要的理论成果。几乎所有的理论模型均是Meyer 提出的一维准稳态简化思想的延续。当前该类型声源的研制和生产以美国的Ling公司和Wyle 公司的产品最为典型，应用也最为广泛。以Ling EPT 200、Ling EPT 2005和WAS 3000等为代表的产品得到了美国国家航空航天局(NASA)等航空航天机构的青睐，可经常在相关文献上看到这些设备的使用[19-21]，声功率可达数十千瓦，主要用于提供噪声环境以模拟现代飞行器的喷气噪声，声波频率取决于调制信号源，理论上可以产生从次声到语音，甚至超声频率范围的声波，其主要结构如图3所示。

美国宇航局(NASA)以及麻省理工学院(MIT)、宾夕法尼亚大学等都曾进行过激励音圈调制射流模拟航空发动机高声强工作环境，或模拟受到扰动的高速射流对发动机性能影响等方面的研究[22]。其实验装置侧重于设计小巧和使用方便，发出的声功率相对较小。图4为NASA的Lewis研究中心所做的模拟高压射流扰动引起航空发动机喘振效应的研究中所用的气流调制机构[22]，直径只有7 cm。该装置主要由置于磁场中的音圈机构，在外加电激励信号驱动下对射流进行调制，获得类似发动机实际工作的声学环境。其工作频带为0~450 Hz，工作压力为689 kPa，调制机构质量为0.01 kg，气流最大调制面积为41 mm2。以上研究由于应用目的单一，调制频带一般都很窄，只能工作于特定的工作频率，而且侧重点在于气流特性和声场特性的实验研究，对调制机构工作原理与设计研究很少。

2.2 国内相关研究

国内对调制气流声源的研究始于20世纪60年代，中国科学院声学研究所对调制气流声源进行了理论探索和实验研究[23-25]，所研制的声源结构如图5所示[25]，其声功率可达10 kW。该类声源由动环、定环、壳体、音圈、喇叭喉等组成，动环和定环上开有用于调制气流的、高度相等的排缝结构，且缝之间的间距相等，与Ling公司的产品结构很相似。调制气流声源工作时，高压气体进入气室，通过调制气流的排缝结构，排缝在电信号的控制下发生面积变化，就把断续气流压入了喇叭喉，最后由出口排出。一般而言，调制面积越大，流量越大，其声功率也就越大。该型声源最大的缺点是要求工作气流非常干净，稍有灰尘或杂质动环就会卡住，极易损坏，因此无法使用普通的空气压缩机作为气源(空气压缩机排出的气流一般含有灰尘、油、水等杂质)，只能使用液氮气化后的纯净的高压氮气来工作[25]。另外，动环很重，使得系统的频响很低，需要的驱动电功率较大。该类声源主要用来产生高声强噪声，曾经用于国内航天航空工业中的噪声环境和声疲劳试验研究。但由于工作可靠性及使用成本等方面的问题，未得到广泛使用。

在理论研究和实验方面，声学所相关研究人员对调制气流声源做了大量深入而具体的工作。马大猷[23]从气体动力学的基本原理出发，求得了调制气流声源的气流-压力特性，并用图解法给出了求解给定气室压力和气流喷口面积比的条件下声辐射特性的方法。沈濠[25]对调制气流声源的振动系统进行了研究，重点对振动系统所需的电功率进行了分析。在理论分析时，做了很多的简化和假设，在系统特性分析时忽略了谐振与阻尼，具有一定的局限性。但值得一提的是，这是目前可查的唯一直接针对调制气流声源振动系统的分析。张扩基[26]、孙洪生[27]等人对调制气流声源用于远距离语音广播进行了实验研究，得到了很多第一手的实验数据。但由于种种原因，声学所的相关研究中断了很多年。近年来，中国科学院声学研究所又重新启动了相关研究，杨亦春等[28]对提高调制气流声源的空气利用效率进行了探讨。

受航空航天技术发展的推动，北京强度环境研究所(702所)也进行了类似的相关研究，研制了以DQY-6000S为代表的强声发生装置[29]，声功率可达6 kW，能够用于航天器的声环境模拟实验。但由于受到装置声学性能与可靠性等方面的制约，未能在我国航天领域得到广泛应用。清华大学席葆树曾于20世纪90年代发明了一种调制式气流扬声器，声功率可达到10 kW，其结构克服了声学所的发声装置的部分缺点，但仍存在调制部件在高气压、大电流工作条件下易损坏等问题，主要用于语音的远距离广播[30]。但其工作侧重于实验装置本身，并未进行任何相关的理论研究。

调制气流声源可实现的输出声功率范围很广，最小的只有几声瓦，最大可达到十万声瓦以上，其发声的核心在于振动系统对气流的调制。振动系统属于调制气流中的核心关键技术，其结构性能对声学特性有着重要而直接的影响。但现有文献对振动系统由于多种原因介绍过于简单，尚未有关于振动系统各结构参数影响的详细分析。另外，振动系统调制气流的同时，也受到气流的反作用，目前尚无气流作用的相关报道。

3 流体喷注式换能器

喷注式换能器是通过将喷出气流注入某腔体内发声的。一种典型结构为哈特曼哨，主要由喷口和共振腔组成，如图6所示[31]。该结构的特点是喷口与共振腔共轴线且直径相同。当流体从喷口中高速喷出时，在喷口与共振腔之间的局部压力产生周期性起伏，当共振腔置于不稳定压力变化区后，流体就会周期性地进入共振腔，使得腔内的压力逐渐升高并最终反馈出来，形成一个周期性的充填、反馈过程：首先是流体不断充入共振腔，在腔内达到过量压力，使得其中的流体向外流出，当此过量压力高于喷口的流压时，共振腔反馈的喷注可以压制入射喷注，同时腔中累积的流体开始向外流出，导致反馈的过量压力逐渐降低，此时共振腔中将被再次注入流体介质开始另一个充填过程。如此周而复始，对周围环境产生压力扰动，向外辐射声波。

3.1 国外相关研究

对流体喷注式声源的研究最早起源于Hartmann[31]。1918，Hartmann在测定该类结构出口射流的总压分布的时候，发现了在射流的很多区域压力始终是波动的，通过反复试验，他发明了哈特曼哨，即图6所示结构。但之后多年，受应用限制，该类声源的研究沉寂了很长时间。现代科技的迅速发展，使这类声源又重新受到人们的关注。喷注式结构在不同应用领域中叫法也不同，有“喷注式声源”，“气动谐振管”，“1/4波长管”等多种。

Holbeche等认为Hartmann哨是一种紧凑、可控的大功率强声发生器，并将其应用于飞机噪声的隔声研究。声源由航空发动机提供能量。其所用声源装置的声功率为1 kW，基频为2.8 kHz[32]。G. Raman等[33,34]对主动流动控制进行了研究，利用压电换能器产生高频激励来抑制谐振管的流体共振特性。B. Brocher[35,36]对谐振管进行了实验研究，认为对于超声速射流，最佳喷注间隙约等于两倍管径；并指出该结构发声频率公式中管长还应包含额外的附加长度。E. J. Kerschen[37]等针对1/4波长管在产生低频声波时管长过长的问题，提出了采用赫姆霍兹共振器代替等直径管以缩短管长的方法，并对赫姆霍兹共振腔进行了理论分析。A. Hamed[38]等对4 kHz左右频率的哈特曼管的起振条件进行了研究，并认为，发声机理研究受限于湍流问题的复杂性，仍是一个非常困难的问题。A. B. Cain[39]等对发声频率为7.6 kHz的谐振管的流动过程进行了数值模拟，重点研究了发声频率的影响因素，认为管长是发声频率的决定性因素；指出气体压力对频率有重要影响，当谐振管很短时对频率的改变比较明显，另外流体惯性会明显降低短管的发声频率。

3.2 国内相关研究

国内有关喷注式声源发声特性的研究非常少。杨松等[40]实验研究了喷注式发声器的基本性能以及主要参数的相互关系，但研究侧重于高频段。实验研究表明，该发声器作为一种混响室声源，可以有效弥补一般声源高频部分的不足，并认为高频发声器的共振腔深度是决定其发声频率的重要参数。吴嘉等[41]用流动显示的方法对类似结构高强声下驻波管中的声流问题进行了实验研究探讨，认为当声压级增大到一定值以后，驻波管内将产生复杂的湍流结构。宋硕等[42]将喷注式声波发生器在油田中的应用进行了研究，实验研究了结构参数对产生高频声波时发声频率的影响，但在研究发声机理时将声辐射等效为球面波，是有待商榷的。张利杰等[43]对喷注式声源单元组阵技术进行了数值模拟和实验研究，实验发现单元相位不一致等问题制约了阵列轴线声压级的提高。目前该型结构的一个最新应用方面是航空航天领域，将其用作火箭发动机点火装置[44]，但并非利用其声学特性，而是侧重于热效应的应用。

总的来说，喷注式声源仍处于初步研究阶段，其气动过程和流动过程的细节并不十分清楚，目前也尚未查到相关声场研究的相关文献。另外，上述研究中，几乎所有的工作频率都位于千赫频段，未见低频研究的报道。喷注式声源尚有待于进一步深入研究。

4 结束语

流体强声源应用广泛，具有广阔的应用前景。但由于流体强声技术并不是当前声学研究的主流，关于流体强声技术的工作和文献非常少，该类声源的技术尚不成熟，国内只有极少数单位和个人曾经进行过相关问题的研究。流体强声换能器都是使用流体射流作为动力源来激发声波的，在流体发声的过程中，流场与声场耦合在一起。其中射流的流体动力学是一个较为复杂的研究领域。另外，射流与腔体的耦合发声所涉及到的物理模型和物理机制也是各不相同的，研究理论更是缺乏，其中涉及的数学处理也是非常复杂和困难的。因而该类发生器的发声机理至今没有得到令人满意的解释，绝大部分仅限于实验现象分析。研制大功率的强声源，开展相关关键技术研究以满足各种特殊要求，是目前流体强声源发展中亟待解决的重要问题。

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The development status of fluid-induced powerful acoustic transducer

XU Wei1, ZENG Xin-wu2, WU Chang-li1, CHEN Yu-bo1

(1. The Equipment Academy of the Second Artillery, Beijing 100094, China; 2. College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073,Hu’nan, China)

Fluid-induced powerful acoustic transducers can produce intensive sounds with a variety of frequencies, which have wide military and civil applications. In this paper, the structure characteristics of this kind of acoustic transducers based on three commonly used modes, namely air-modulated, jet, and fluid-resonance, are introduced. Besides, the status and trend of the fluid-induced powerful acoustic transducers are briefly summarized.

fluid; air-modulated speaker; intensive sound; transducer

TB534.2

A

1000-3630(2015)-01-0090-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.01.017

2013-11-20;

2014-03-02

许伟(1981－), 男, 河北新乐人, 博士, 研究方向为声学技术。

许伟, E-mail: xuwei217@gmail.com