高频射流噪声测量及修正方法研究

2020-09-21张俊龙雷红胜

实验流体力学 2020年4期

张俊龙, 雷红胜, 赵昱, 李杰,*

(1. 西北工业大学航空学院, 西安 710072; 2. 中国空气动力研究与发展中心气动噪声控制重点实验室, 四川绵阳 621000)

0 引言

射流噪声是一类典型的气动噪声源。航空发动机尾喷流噪声、汽车排气管道噪声、飞机环控系统噪声、减压阀阀门噪声、空调系统噪声等都与射流噪声密切相关。自1962年Lighthill[1]提出气动噪声理论以来，射流噪声作为一类典型的气动噪声问题，引起了学者广泛的关注和大量的研究。射流噪声试验是射流噪声研究最重要的研究手段。同时，高精度的、可信赖的射流流场及噪声试验数据集可为计算气动声学[2-3]数值模拟软件的校核提供支撑。

国内外对射流噪声的试验研究大多在消声室内采用缩比模型进行[4-10]，其喷口直径大多在10 cm以内。若要用实验室的数据去预估航空发动机的射流噪声，其缩比比例通常在1∶5～1∶20附近。射流噪声的频谱谱形以St数为横坐标进行归一化时具有较高的相似性[11-13]。其中St数定义如下：

St=fD/uj

(1)

式中：f为射流噪声目标频率，Hz；D为射流喷口直径，m；uj为射流核心区速度，m/s。

由公式可知，St数恒定时，射流喷口尺度越小，其对应的频率越高。对于采用缩比模型的射流噪声模拟试验，其所关注的频谱范围需向高频扩展，通常可达50 kHz以上。因此，需要对高频射流噪声测量进行系统研究。

与中低频的噪声测量不同，高频噪声测量需要充分考虑传声器频率响应特性、传声器保护罩、传声器本底噪声和空气吸声效应等影响因素。其中，传声器频率响应特性一般在传声器的出厂证书及校准证书上有专门说明。空气吸声修正也可参阅相关声学书籍[14]，但其主要针对可听声频段进行，而空气吸声影响很大的部分，即超出可听声频段的高频部分，修正较为简单，且不同修正方法也可能存在较大误差。传声器保护罩影响、传声器本底噪声影响研究国内鲜有文献提及，国外文献[5,15]也只是粗略提及应考虑这方面的因素，但是并未给出其具体的影响特性和影响量值。

本文针对以上影响因素进行了系统研究和阐述，对影响高频噪声测量的各因素采用对比研究的方法给出定量的分析，同时，还针对射流噪声远场辐射特性测量，给出射流噪声远场测量时的远场边界。

1 射流模拟装置及测量方案

1.1 射流模拟装置

射流模拟装置建立在全消声室内。消声室净空间尺寸为10.8 m(长)×8.4 m(宽)×7.0 m(高)，消声室截止频率100 Hz。

射流模拟的动力来源于中国空气动力研究与发展中心2 MPa中压气源，由过滤器/减压调压阀组将压力降低为目标压力，通过缓冲器及消音器后将气流引入消声室内，经过流道结构从喷口喷出。压力控制方案为两级调压方式，第一级将压力设定为1 MPa，第二级调压器采用并联2台指挥器方式，分别满足低压和高压的输出要求。2台指挥器的选择由PLC通过对电磁阀的开闭控制实现。整个供气系统最高供气压力600 kPa，压力控制精度0.1%，最大供气质量流量2 kg/s，对于5 cm直径的射流喷口，核心区射流速度最大可达Ma1.8。

1.2 测量方案及数据采集

本试验测量传声器的布置方式如图1所示。射流喷口直径D=50 mm，在射流轴线同高平面，以射流喷口出口中心为原点，在半径1.25～4.00 m 范围内布置测点；以喷口直径进行无量纲化，测量半径为25～80D(D为喷口直径)。

图1 射流噪声远场测量照片

为了降低传声器支撑架的声反射对高频噪声测量的影响，本次测量远场传声器采取了如下措施：(1) 尽量减小传声器支撑架的反射截面积；(2) 传声器尽量远离支撑架主反射面；(3) 支撑架所有声反射面覆盖高频吸声海绵。

射流噪声信号采集采用G.R.A.S. 1/4英寸自由场传声器46BE，前置放大器为G.R.A.S. 26CB。传声器及放大器的频率测量范围4 Hz～100 kHz，动态范围35 dBA～160 dB，灵敏度4 mV/Pa。数据采集系统为BBM-PAK噪声振动测试分析系统，采样频率最高可达204.8 kHz。

试验时，采样时间设为20 s，采样频率204.8 kHz。数据频谱分析时，先将数据分为多块，每块加上窗函数以减小频谱泄露现象，然后进行快速傅里叶变换，最后将声功率结果进行算术平均。单个数据块长度为8192，窗函数选取Hanning窗，分析的窄带信号频率间隔为25 Hz。

2 高频射流噪声测量方法及修正技术研究

2.1 传声器自身性能影响研究

射流噪声高频测量通常采用1/4英寸或1/8英寸的高频自由场传声器进行。测量时，需要充分考虑传声器自身的高频特性，具体包括：传声器指向性、传声器频率响应特性、传声器保护罩影响以及传声器本底噪声影响等。

传声器频率响应曲线为传声器激励响应(Actuator response，通常由静电激励法测得)加上指向性的频率修正的结果，自由场传声器频率响应典型结果如图2所示。图中曲线为某G.R.A.S. 1/4英寸自由场传声器出厂证书所提供。

图2 典型1/4英寸自由场传声器频率响应曲线 (0°入射角)

通常传声器出厂或校准时只给出了0°入射角(垂直入射)的结果，入射角不同时，其频率响应结果差别很大。为研究传声器的指向性特性，设计了传声器的指向性研究试验，如图3所示。试验在10 m量级校准消声室内进行，消声室截止频率100 Hz。将传声器正对声源布置，与声源等高，且传声器距离声源4 m(该距离上声源可近似为点声源)。声波相对传声器的入射角的变化通过传声器支撑机构上的云台变角度机构实现。传声器采用G.R.A.S. 1/2英寸自由场传声器46AE，数据采集系统为BBM-PAK噪声振动测试分析系统。试验时，声源发出单频信号，频率范围100 Hz～20 kHz(1/3倍频程中心频率)，采样频率102.4 kHz，采样时间10 s。测得的1/2英寸自由场传声器指向性结果如图4所示。由图4可知，随着目标频率的增加，声波入射角对传声器测量结果的影响明显增加。对于2 kHz以下信号，传声器可近似认为是无指向性的；而对于20 kHz的声信号，传声器指向性导致的测量误差可达17 dB；对于20 kHz以内的信号，声波入射角小于15°时，指向性引起的误差小于1 dB。

图3 自由场传声器指向性测量试验

对于大于20 kHz的高频噪声信号，指向性引起的误差更大。图5为某G.R.A.S. 1/4英寸自由场传声器出厂证书提供的结果。由图可知，声源位置与传声器轴线夹角60°时，对于10 kHz声信号，测量结果与0°入射角结果的差异约为2 dB；而对于50 kHz声信号，测量结果差异可达6 dB。因此,高频测量时，需尽量将传声器指向目标声源区，以减小指向性引起的测量误差。

图4 1/2英寸自由场传声器指向性试验结果 (相对0°入射角结果的差量,dB)

图5 不同入射角下的自由场修正结果

通常传声器头部含有保护传声器膜片的保护罩。对于中低频测量，该保护罩的影响可以忽略，而对于高频测量，该保护罩的影响必须加以考虑。本试验针对固定条件下的射流噪声，在90°极角位置，选定自由场传声器，分别进行了带保护罩测量及去掉保护罩测量的对比试验。对比测量结果如图6所示。

图6 传声器保护罩影响对比

由图6可知，在目标频率10 kHz以下时，传声器保护罩影响几乎可以忽略。随着频率的增大，传声器保护罩引起的测量误差逐渐增大，在30 kHz附近，传声器保护罩的存在使得测量得到的噪声值增加达5 dB,这可能与声波在保护罩与传声器膜片之间形成的空腔内产生的谐振有关。当频率大于80 kHz时，传声器保护罩则表现出了较强的高频噪声遮蔽效应，使得测得的噪声值偏低。因此，对于射流噪声的高频测量，必须去掉传声器保护罩进行，以获得准确的结果。

2.2 空气吸声修正影响研究

空气吸声效应会随着目标噪声频率的增大而明显增大。要获得准确的高频噪声测量结果，必须对空气吸声效应进行修正，而目前文献给出的修正方法尺度不一。图7给出了分别依据《声学手册》[14]工程算法(方法1)和SAE ARP5534方法[16](方法2)计算得到的25 ℃条件下、相对湿度分别为30%和60%时，不同频率空气吸声量α。由图可知，随着目标频率的增大，空气吸声量迅速增大，但是不同的修正方法修正值存在较大差异。

图7 典型条件下的空气吸声量(1/3 倍频程)

为检验空气吸声修正方法的适用性，本文基于射流噪声的远场测量进行了初步研究。射流噪声模拟装置如图1所示，射流喷口直径5 cm，射流速度300 m/s。在射流噪声90°极角方向布置2个测点，距离射流喷口出口中心分别为2.25和3.50 m(以喷口直径D无量纲化分别为45D和70D)。该距离处，射流噪声可近似为点声源，其向远场的传播符合球面波特性。将传声器测得的结果按下式进行球面波传播修正和空气吸声修正后，会得到一致性很好的频谱结果。

Pc=Pm+20·logr+r·α

(1)

式中，Pm为传声器测量声压级结果，dB；Pc为考虑球面波衰减和空气吸声修正后的结果，dB；r为传声器到声源的距离，m；α为测量条件下每单位距离的空气吸声量，dB/m。

考虑不同的测量距离r1、r2和结果Pm1、Pm2，根据式(1)，将Pm2进行如下修正：

Pc2=Pm2+20·log(r2/r1)+(r2-r1)·α

(2)

理论上Pm2按式(2)修正后的结果Pc2将与Pm1一致，而如果空气吸声修正系数存在较大误差，则二者的频谱结果将存在较大差异。因此，采用这个方法可以对空气吸声修正结果进行一个综合评价。

试验结果如图8所示。由图可知，70D位置测点的测量结果用方法2修正后，其值与45D位置测点结果具有高度的一致性。因此，对于高频噪声的空气吸声修正，建议采用文献[16]所述的方法即方法2进行。

图8 射流噪声空气吸声修正结果对比

2.3 射流噪声远场测量时远场测量边界的确定

射流噪声数据应用时，通常需要将射流噪声缩比模型试验结果通过相似性准则外插到全尺寸真实射流条件和远场真实测点位置，以评估射流噪声的远场辐射特性。数据能向远场外推的前提是测量得到的噪声信号随距离的变化满足球面波衰减特性，即每当测点到声源的距离增加一倍时，声压级减小6 dB。要满足以上条件，必须保证试验时测点距离声源位置足够远，即满足测量的远场条件。只有当测点距离声源足够远时，才能使测点不受近场流场压力脉动的影响，测得的是“纯净的”向远场传播的声波信号。此外，只有测点距离声源足够远时才能忽略射流噪声源的非紧致性，可以将射流噪声源近似为点声源，以使得射流噪声满足球面波衰减特性。

然而，传声器距离声源过远时会存在信噪比不足的问题。一方面，射流噪声频谱的高频区域声压级与频率对数呈近似反比关系，射流噪声高频段噪声声压级较低；另一方面，高频噪声信号受空气吸声效应的影响很大。以上两因素导致射流噪声高频测量时传声器得到的目标噪声信号值很低；同时，传声器在40 kHz以上又普遍存在较高的电磁本底噪声。因此，射流噪声远场高频测量时极易出现信噪比过低、测量失真的现象。图9为射流速度200 m/s、极角90°时，距射流出口截面中心4 m的传声器测得的射流噪声与传声器自身本底噪声频谱对比。

图9 传声器测得的射流噪声与自身本底噪声的对比

由图9可明显看出，传声器测得的高频段噪声异常增大的现象其实是由传声器自身本底噪声的影响造成的。因此，要使得测量结果在高频段真实可信，则测量结果必须具有足够的信噪比，即远场传声器测点距离射流不能太远，从而使得高频段目标噪声远大于传声器本底噪声。

综上所述，射流噪声远场测量时测点布置原则为：在满足远场条件的情况下，尽量靠近喷口出口中心。为得到精细、可靠的射流噪声测量结果，必须对射流噪声测量的最小远场边界位置进行系统研究。

图10和11分别给出了射流核心区速度Ma=0.7和1.0、测量方向位于极角90°和30°时所测得的不同频率下射流噪声声压级随测点到喷口出口截面中心距离的变化结果。图中横坐标为测点到喷口出口截面中心的距离，以喷口直径D为基准进行了无量纲化；纵坐标为目标频率下测得的射流噪声信号的声压级。为将不同频率下的测量结果放在同一张图上以方便进行对比研究，对不同频率下的声压级绝对值进行了平移处理。图中离散点为实验测量结果,实线表示点声源声传播时的球面波衰减特性，即距离增加一倍，声压级减小6 dB。如所得结果与此曲线吻合，则表示该结果符合远场测量条件。

由图中结果可知，只有当传声器距离喷口出口截面中心足够远时，测得的噪声结果才与点声源传播规律相符合，即满足射流噪声测量的远场边界的要求。当测点位置与喷口出口截面中心距离小于45D时，所得结果会明显偏离理论曲线的结果，此时，相对于上游测点，下游方向测点所产生的误差更大。因此，要使不同测量距离得到的射流噪声频谱声压级误差在1.5 dB以内，测量距离至少应大于45D。不同射流速度所得结果基本一致。