一种强声气动声源的理论与实验研究

张世功，周红生，时海波，叶天明，杨长庚，刘逍逸



一种强声气动声源的理论与实验研究

张世功1，周红生1，时海波2，叶天明3，杨长庚1，刘逍逸1

(1. 中国科学院声学研究所东海研究站，上海 200032；2. 上海交通大学附属第六人民医院耳鼻咽喉科，上海200233；3. 同济大学声学研究所，上海200092)

为实现强声的气动发声，设计了一种基于喷注型和谐振型组合的复合式气动声源，仅对喷注型声源进行了详细研究。利用高压气体对声源的气室充气，形成高压气体腔室，接通牵引电磁铁电路，电磁铁带动连动轴和堵头使高压气体高速喷出，高速气流在谐振管内形成湍流，从而产生强声。仿真结果显示了湍流的产生，并可得到168 dB的强声。利用B&K 3560 Pulse多分析系统对自制的气动声源进行测试，结果显示：在距离出气口10 cm处，声压级可达146 dB，这样可推导出在距离出气口1 cm处，声压级可超过164 dB，测量结果与仿真结果较为接近。最后，对非线性声波形成的激波进行了分析。研制的强声气动声源可用作动物实验的声源。

气动声源；湍流；激波

0 引言

气动噪声在军事、工业、农业、医疗等行业上都有广泛的应用。一些是在噪声防护和处理方面，比如高速飞机和列车研制阶段必须考虑对噪声进行控制等；但也有一些强声是可以被利用的。比如强声驱散防暴车[1]可以定向发射高达160 dB以上的噪声，利用它可令暴恐分子出现非致命性伤害，失去行动力，达到防暴目的；另外，对强声辐射下的材料及生物医学性能进行研究也有一定科学价值和医学应用前景，比如高速飞行器发动机喷口处产生的噪音声压级超过150 dB甚至180 dB以上，长期工作在高声压级噪音下的材料会出现声疲劳现象，可造成蒙皮破裂，铆钉松动，给空间飞行器带来危害；强枪炮声除对人的听觉神经有较大的影响，易形成耳鸣、耳聋等听力损伤外，还对心脑血管方面有较大的影响，但这些症状并不在强噪声辐射后即时显现。伊拉克、阿富汗等战争结束后，一些士兵退役后随着年龄的增长，出现了大量的学习障碍、记忆力减退、抑郁症和创伤后应激障碍等症状[2]。美国政府每年要花费超过10亿美元在退伍军人听力损伤与强声辐射后遗症的其它相关病症的治疗与研究方面[3]。

除此之外，强声声参量阵用于人工降雨可减少由冷云催化剂带来的环境污染[4]，空气炮利用强声对管道进行疏堵等等。上述应用都不可避免地利用到强声源。利用枪炮或发动机产生强声源成本较大，其发音性能的重复性不能得到良好体现。火花强声源在海水中由于其良好的导电性比较容易得到实现，但在空气中产生的声效率相对不高。气动强声源以成本低、可控程度高、参数易调节、重复性好等优点成为众多研究人员的研究热点。

2003年，英国和巴西的研究人员制作的气动声源的声源级已高于160 dB[5]，2015年美国纽约州立大学Newman教授研制的用于听力防护的强声源声压级声称可达到196 dB[2]，他们都利用刺穿黄铜膜片释放高压气体的形式产生强声，但论文中说明测量发生在出气口处，传感器测得的数据是激波的瞬态静压。在形式上，激波与日常听到的声音在信号上略有不同。另外，他们研制的气动声源不能灵活调节发出强声的幅度等参数，膜片只能一次，重复实验需要更换。

中国科学院声学研究所与中国科学院物理研究所共同研制出的强声气动声源，利用外加声频电信号控制气流发声[6-7]，在管内利用近似行波声场条件，测量其声压级可达173 dB，混响室内总声压级最高可达163 dB。限于当时的实验条件限制，其研制的气动声源的声压级还不能达到国外研制的模拟枪炮的强声声压级。国防科技大学研制出流体动力式强声源、流体谐振式强声源和调制气流声源[8-11]，其中谐振型声源的声压级可达148 dB。

由于强声问题经常涉及空间飞行器和其它相关敏感领域，国外对中国实行技术封锁，也不对华销售极强声压级的传声器，所以强声的产生与测量都是相对困难的科学问题。除此之外，强声传播问题也属于复杂的非线性声学问题。

本文对自行设计的一种气动声源进行了讨论，分析强声产生和传播的过程，分析空气中激波的产生与衰减。可为防暴、强声生物效应、材料强声疲劳等相关研究提供技术手段。

1 气动声学基础

气动声源由于气体高速流动而发声，但气流本身并不产生声振动，气流流经边界和障碍物时引起气流压力扰动，气体的粘性会使气体在物体表面或障碍物尾部引起湍流及旋涡，湍流不断形成、衰减，沿气流方向产生摆动，这种不稳定的气流流场中的气体分子振动从而形成一个变化的压力场，特别是流速极快的(亚音速和超音速)气流中，形成的声压极大，从而发出强声。此声场带宽较宽，噪声强度与气流速度与边界结构有关。

流体动力学特别是湍流理论是气动声学的重要依据。Lighthill对这种气动声学进行了大量的研究，提出了声类比理论，利用湍流应力张量作为流体动力的声源[12-13]：

并对这种气动声的功率进行了分析，他依据气流速度将气动声源分为三种类型：单极子、偶极子和四极子，在气流速度较高(相对声速)时，四极子声源占主导地位，声功率与流速的八次方成正比：

(2)

高速气流也可借助障碍物的声学特征(几何边界和谐振等)发出不同发音类型的强声，高速气流直接注入机械腔内产生共振发声的声源被称为流体喷注型声源；高速气流在出口激发簧片振动发声的声源为谐振型声源；而流体调制型声源通过出口处的装置或转动装置对气流进行调制，使气体周期性喷出，产生可被调制的强声信号。Jones[14]和Meyer[15]对调制气流声源的理论和实验展开了研究，分别提出了简化和严格的理论解。

马大猷先生结合上述研究成果，提出了一种近似理论[6]，既不过分繁复，又具相当精度，与严格理论解之间的误差不超过1 dB。国防科技大学曾新吾教授所在团队[8-11]对流体动力型声源的性能进行了理论、实验和数值分析研究。

2 复合发音类型气动声源模型

喷注型声源将高速气流直接注入机械腔内产生共振发声，而如果在气流出口处设置发音簧片振动，根据发音类型，其将变化为谐振型声源，这样，单一发音类型的声源可变化为两种不同类型的复合型气动声源，如图1所示。

图1中，高压气体通过进气口进入气室，由于弹簧与气体压力的作用，堵头刚好可以封堵排气口。牵引电磁铁通电后可以产生较大的力，迅速拖动堵头移动，高压气体经谐振管排出形成高速气流，即可形成喷注式气动声源，而在堵头气体的下游设置可更换的发音簧片，高速气流还可激励其发音，形成谐振声源，成为复合发音类型气动声源。本文暂时只讨论没有簧片发声的喷注型气动声源。

图1 复合型气动声源

3 声场仿真与实验结果

利用数值计算软件可对气动声源内部的流场及声场进行模拟研究。为简化计算模型，仅研究气流在谐振管内的流场，即高压气体流过堵头后的流场。

建立气动声源模型，除进、出气口之外，其它边界均设置为无滑移固壁边界。进气口为压力入口，出口为压力出口。介质为可压缩的空气，其密度场随时间发生变化，考虑到实际模拟的气体压缩和湍流情况，选择RNG-湍流模型进行计算。高压气室内的静压为3 atm，而与谐振管相连的大气压强为1 atm。高压气室的尺寸为62 mm*120 mm，谐振管尺寸为20 mm*52 mm

计算的两个时刻的气体流场如图2所示。可以明显看出气动声源内的湍流现象，其主要发生在堵头后端谐振管内，高速气流喷口、谐振管壁面以及空气的粘滞作用等共同形成了湍流，湍流内压强变化剧烈，从而形成声压，发出声音。除流场外，从介质密度场和静压场中也可以看出明显的类似湍流，它们发生的位置基本一致。

许多声学软件都可以模拟气动噪声的产生，将不同时刻的气体流场导入相应软件，利用Lighthill气动声学理论，即可计算谐振管内的声场。经计算，谐振管内入口和出口处两点的声压级可达到168 dB。

利用B&K 3560 Pulse多分析系统对气动声源产生的声信号进行测量分析，测试系统如图3所示，其中传声器采用B&K 4939，在距离出气口10 cm处测量，传声器不直接面对出气口，防止高速气流冲击传声器。所采集的声信号及其频谱如图4和图5所示。利用传声器的灵敏度计算出声压级可达146 dB，若假设声波从出气口出来后呈球面波衰减，可知距离出气口1 cm处的声压级大于164 dB，略小于仿真结果。气动强声信号持续时间约为30 ms，频谱以低频(<5 kHz)为主。

利用铜膜片对出口进行封堵，然后膜片突然破裂形成的声信号会比气体直接喷的声信号在时间上短很多，频谱也明显不同，非本文重点，不再赘述。

4 非线性强声传播过程

强声离开湍流区后的传播属于非线性传播过程，这是因为强声的振幅较大，足以引起空气中非线性声学效应。比如强力喷气式发动机发出的噪声达到180 dB，其所形成的声压为20 kPa，空气质点振动速度可达到50 m/s，声辐射空间的气体密度和压强变化在状态方程和连续性方程中已经不能忽略，线性声学理论不能在强声研究中继续使用，必须考虑更为复杂的非线性声传播问题。空气在常温常压下的非线性参数为0.4[16]，非线性系数=1+/2=1.2，利用非线性声波方程

可得方程：

160 dB的强声其声压为2 kPa，其质点速度约为5 m/s。其应在

(5)

或(6)

形成锯齿波，其中为声马赫数，为波数，为波长。两者所不同的是前者在零点上已竖直，而后者是波形中的整条线竖直，如图6所示，从图6(b)中可看出质点速度的零点已竖直，它对应于图6(a)中波形最高处的三角波，该点处的正弦波形已变化为一个锐角。在图6(d)中，由于波形已经越过零点竖直的位置，波形进一步畸变。在锯齿波位置，波形已经有所发散，这是因为数值计算不能处理数据突变的缘故，而其它一些位置的波形也已经竖直。

(a)=/(2π)

(b)=/(2π)

(c)=/(4)

(d)=/(4)

图6 在=/(2π)位置(a, b)和=/(4) (c, d)接收的非线性声波的位移(a, c)与质点振动速度(b, d)信号

Fig.6 Displacement signals (a, c)and particle velocity signals (b, d) received at=/(2π) (a, b) and=/(4) (c, d)

计算时脉冲声波被假设为经高斯调制后的4.5周正弦波信号。图中位移信号为三角波，而质点速度信号为锯齿波，有些文献也称锯齿波为激波。

激波中含有丰富的谐波成分，由于高次谐波的衰减比基波大，在传播过程中，高次谐波逐步衰减，又退化成正弦波信号。但实际问题要更加复杂，大振幅的声波在传播过程会产生畸变并形成激波，而非线性声波在传播过程中谐波幅度即随传播距离积累，并又要随传播扩散衰减，还有其它类型的衰减，所以强声在传播过程中的波形变化非常复杂。

强声在传播过程中的某些位置，其幅度在零幅值两侧不再保持相当，正的幅值和负的幅值明显不相等(理论计算结果如图6(c)所示)，实验中也能观察到该现象，见图7。但在距离声源较近和较远时，声脉冲在零电压上下却基本是均匀的(理论计算参见图6(a)，实验信号参见图4)，这正是非线性声波传播的特性之一。

5 讨论

强声冲击下的动物损伤可能是由于激波造成的，对激波进行研究有利于分析动物损伤类型。按照发声原理，文中测得的信号本应为激波，但由于牵引电磁铁的牵引速度有限，发出的强声并未达到激波的强度。强声的传播过程是非线性的，同时它又存在扩散衰减，再加上气流的运动，对激波进行定量研究相对较为复杂。

同时，由于传声器的测量受到量程的限制，无法对更高声压级的强声进行定标测量，下一步工作计划准备针对水听器、压电传感器和略高于可听声频率范围的超声波传感器测量强声的可行性，或利用冲击波力传感器对强声信号进行定标测量。

此外，文中设计的气动声源还可在后端加设发音簧片形成谐振型气动声源，其发音强度有待实验验证，其发音原理、仿真和实验研究工作需要进一步开展。

6 结论

设计了一种气动声源，对其流场和声场进行了仿真并进行了实验测量，仿真结果与实验结果基本相当，气动声源可发出超过164 dB的强声，并对实验中观察到的非线性强声的传播特性进行了讨论。

[1] 孔凡清, 汤光宁, 郭长远. 强声驱散多功能防暴车[J]. 现代兵器, 2010(11): 15-16.

KONG Fanqing, TANG Guangning, GUO Changyuan. Multifunction high intensive sound anti--hijacking vehicle[J]. Modern weaponry, 2010(11): 15-16.

[2] NEWMAN A J, HAYWS S H, RAO A S, et al. Low-cost blast wave generator for studies of hearing loss and brain injury: blast wave effects in closed spaces[J]. J Neurosci Methods, 2015, 242(15): 82-92.

[3] FAUSTI S A, WILMINGTON D J, GALLUN F J, et al. Auditory and vestibular dysfunction associated with blast-related tramatic brain injury[J]. J. Rehabil Res. Dev. 2009, 46(6): 797-809.

[4] 卜凡亮, 王蓉, 金华, 等. 声波定向发射及其在人工降雨中的应用研究[J]. 仪器仪表学报, 2008, 29(8): 309-312. BU Fanliang, WANG Rong, JIN Hua, et al. The research of sound wave directional transmission and its application for artificial rainfall[J]. Chin. J. Sci. Instru. 2008, 29(8): 309-312.

[5] BIRCH R S, GERGES S N, VERGARA E F. Design of a pulse generator and shock tube for measuring hearing protector attenuation of high-amplitude impulsive noise[J]. Applied Acoustics, 2003, 64(3): 269-286.

[6] 马大猷. 调制气流声源的原理[J]. 物理学报, 1974, 23(1): 17-26.

MAA Dahyou. Theory of modulated air stream sound sources[J]. Acta Physica Sinica, 1974, 23(1): 17-26.

[7] 沈㠙. 气流扬声器振动系统的设计原理[J]. 物理学报, 1974. 23(1): 27-37.

SHEN Hao. Design principles of electropneumatic loudspeaker vibrating systems[J]. Acta Physica Sinica. 1974, 23(1): 27-37.

[8] 许伟, 龚昌超, 曾新吾. 调制气流声源振动系统参数分析[J]. 国防科技大学学报, 2009, 31(5): 97-100.

XU Wei, GONG Changchao, ZENG Xinwu. Analysis of the vibration system parameters in the air-modulated speaker[J]. J. of National Univ. Def. Tech., 2009, 31(5): 97-100.

[9] 赵云. 大功率调制气流声源的数值模拟与实验研究[D]. 长沙: 国防科技大学, 2010, 229.

ZHAO Yun. Numerical and experimental investigations on high power and high intensity air-modulated speaker[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2010, 229.

[10] 赵云, 曾新吾. 亚声/声速射流式调制气流声源气动模拟研究[J]. 声学技术, 2008, 27(3): 293-299.

ZHAO Yun, ZENG Xinwu. Numerical simulation of a subsonic/sonic jet air-modulated speaker[J]. Technical acoustics, 2008, 27(3): 293-299.

[11] 龚昌超, 曾新吾, 赵云, 等. 流体动力式强声源研究[J]. 国防科技大学学报, 2008, 30(3): 43-47.

GONG Changchao, ZENG Xinwu, ZHAO Yun, et al. A research on the fluid induced intense sound generator[J]. J. of National Univ. Def. Tech., 2008, 30(3): 43-47.

[12] LIGHTHILL M J. On sound generated aerodynamically. I. General theory[J]. Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical & Engineering Sciences, 1952, 211(1107): 564-587.

[13] LIGHTHILL M J. On sound generated aerodynamically. II. Turbulence as a source of sound[J]. Royal Society of London Proceedings, 1954, 222(1148): 1-32.

[14] JONES R C. A fifty horsepower siren[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1946, 18(2): 371-387.

[15] Meyer, W.A. Theoretical analysis of the performance of air modulated speaker[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1969, 45(4): 957-965.

[16] SCHROEDER M, ROSSING T D, DUNN F, et al. Springer handbook of acoustics[M]. New York: Springer, 2007, 260.

Theoretical and experimental investigation of a kind of pneumatic intensive sound source

ZHANG Shi-gong1, ZHOU Hong-sheng1, SHI Hai-bo2, YE Tian-ming3, YANG Chang-geng1, LIU Xiao-yi1

(1. Shanghai Laboratory, Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China; 2. Department of Otolaryngology, Sixth Hospital of Jiaotong University, Shanghai 200233, China; 3. Institute of Acoustics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

A kind of composite pneumatic sound source based on jet and resonant model is designed in order to obtain intensive sound. This paper just concentrates on the jet model source. Compressed gas is injected into high pressure chamber, when switching on the electric circuit, the electromagnet pulls the cap, the high pressure gas spouts from the exit. The high velocity airflow can form turbulence and the intensive sound can be generated. Numerical simulation shows that the turbulence exists and the sound of 168 dB (Sound Pressure Level, SPL) can be obtained. The experiment is conducted with the self-designed pneumatic sound source. The measurement with multi-function system (Denmark, B&K 3560 Pulse) result shows that the sound SPL can reach 146 dB at the position of 10 cm from the sound source. It can be deduced that the SPL measured at the position of 1 cm from the sound pressure level will be greater than 164 dB. The experimental result is close to the simulation result. Finally, the shock wave and the distortion wave are analyzed in the paper. The pneumatic sound source can be used to test some effects of animals.

pneumatic sound source; turbulence; shock wave.

O422.7

A

1000-3630(2016)-01-0001-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.001

2015-07-20;

2015-10-10

张世功(1979－), 男, 河南鄢陵人, 博士, 研究方向为非线性声学, 气动声学, 超声检测, 激光超声。

张世功, E-mail: zhangskong@mail.ioa.ac.cn