低速声学风洞的降噪措施设计

李征　陈志敏

摘 要：针对一座低速多用途声学风洞开展降噪设计。根据低速声学风洞的噪声机理和频率特性，风洞消声降噪措施分为主动降噪和被动降噪两类。主动降噪是从噪声源控制噪声大小，被动降噪是在噪声的传播路径上对噪声加以控制。通过对风扇动力段叶片的合理设计和优化，降低叶片噪声，实现主动降噪;在风洞中安装阻性消声器、在洞体壁面贴敷吸声层、采用微孔板后留空腔、在消声室中采用平头吸声尖劈以及控制振动噪声传播等降噪技术来降低风洞噪声。上述降噪措施可以实现风洞整体降噪，达到声学风洞的要求。

关键词：风洞;减振;降噪

中图分类号：V211.746 文献标识码：A 文章编号：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

聲学风洞具有声学试验能力，具有低的风洞背景噪声、足够大的尺寸（可进行远场声测量）和自由场条件（无声反射）。在风洞设计中，既要保证风洞各部件的气动外形进行最佳设计，又要确保风洞的流场品质达到国军标先进指标。一般而言，风洞声学试验要求试验段背景噪声声压级比目标声源声压级至少低10 dB。因此，国际先进航空声学风洞要求开口试验段背景噪声在75～80 dB（A）。

1 风洞设计指标及结构

1.1 风洞设计指标

试验段尺寸0.60 m（高）×0.45 m（宽）;试验段最大风速为100 m/s，开（闭）口试验段;模型区中心湍流度ε≤0.05%（闭口试验段）;试验段背景噪声≤75 dB（A）（气流外2 m处测量，开口试验段）。

1.2 风洞模型

本文根据给出的技术参数对风洞整体进行优化设计，合理确定风洞的收缩段、稳定段、试验段、扩散段、动力段及消声器[1]。风洞结构如图1所示。

2 低速声学风洞噪声产生机理

噪声控制分为两个方面：一是针对噪声源的主动控制;二是通过设置消声器或吸声材料等消除噪声，对噪声传播过程进行控制，属于被动控制[2]。低速风洞的试验段背景噪声主要是宽频带噪声，主要来源于风扇;高速气流在试验段壁面也会产生边界层噪声等;通过风扇叶片和风扇电机会产生音调背景噪声;风洞气流流过孔的金属板也会产生噪声;气流与开口试验段、稳定段和风洞管道回路相互作用也会产生低频共振噪声等[3]。以上列举的噪声源对于某一个风洞而言并非都同时存在，但是一旦有噪声，它们是必须关注的地方。

3 噪声的控制

3.1 设计和优化风扇气动结构

由风洞的沿程损失可以估算出风洞的能量比，由能量比、已知的试验段最大试验风速和试验段截面积就可估算出风洞电机所需的功率，然后根据电机功率设计风扇。

针对轴流式风扇的噪声问题，可以采取增加转子叶片、提高旋转噪声频率来增加其衰减系数，亦可通过降低风扇转速达到降低风扇噪声强度的目的。另外，设计动静叶片时需要考虑二者的数量、间距，减小气流间的脉动耦合，削弱涡流噪声强度。

3.2 在风扇和稳定段前安装消声器

为了降低风扇和电机产生的噪声对试验段的影响，需要在风扇前安装消声器，降低传播到试验段的噪声。从风扇噪声产生机理进行分析，该噪声主要包括旋转噪声和涡流噪声[4]。

3.2.1 旋转噪声。旋转噪声频率的计算公式如下：

假设叶片数量为10，风扇旋转速度为1 480 r/min，数据代入式（1），则旋转噪声频率约为246.67 Hz。因此，旋转噪声的下限频率为246.67 Hz。

3.2.2 涡流噪声。涡流噪声的主要特征是四极子声辐射，而旋转噪声的主要特征是偶极子声辐射。在低速风洞中，偶极子声辐射效率比四极子声辐射高得多。因此，风扇噪声主要是旋转噪声[5]。在设计风扇前消声器降低噪声时，主要考虑降低旋转噪声。

取定消声器的上、下限频率分别为8 000 Hz和246.6 Hz，消声器高和宽均为2 m，长为1 m。单通道宽度b和消声材料厚度δ分别为：

可见，气流通道宽度应该大于78.6 mm。消声材料单块厚度应该小于78.6 mm，此消声器的设计厚度为75 mm，消声器的气流通道宽度为100 mm。穿孔板厚度为1 mm，开孔直径为5 mm，开孔率为35%。

比较几种材料的吸声系数，消声材料表面用金属穿孔板覆盖，选取发现超细玻璃棉在全频带的吸声系数均较高。选取的玻璃棉板厚度为75 mm，采用不同重度的玻璃棉叠合，综合在一起形成重度逐渐增大的构型，厚度如图2所示。

由已知的电机功率大小、转速及最大试验速度，可以求出风机流量q、风机全压p。利用经验公式计算电机噪声的声功率级：

经过消声器后噪声的变化由《风机手册》[5]查表可知，声功率级L为79.6 dB，达到风洞背景噪声要求。稳定段前安装消声器，防止外界噪声传入风洞对试验造成影响，设计步骤与风扇段前消声器设计步骤相同。

3.3 在壁面贴敷吸声层

风扇的噪声在低速风洞中主要以平面波形式传播。实际的声源并不唯一：一是若干个点、面、线声源和体声源同时辐射声能;二是墙壁、屋顶以及地板反射的声能。因此，实际传播规律非常复杂。风洞洞体整体消声方案是微穿孔板和孔板空腔间隔布置填充消声材料的结构[6-8]，如图3所示。普通穿孔板声阻过小，导致背后不填吸声材料时的吸声频率带较窄。若添加吸声材料，会因孔径和深度对气流产生很大扰动，导致新噪声的产生。因此，应该采用孔径小于1 mm，穿孔率为2%左右的薄金属板，且与空腔中的空气层形成共振吸声结构。这种吸声结构简单有效，其中低频消声效果良好，对气流几乎不会产生扰动，在低速风洞噪声控制中应用广泛。另外，空腔结构上填充消声棉，可消除宽频带噪声的高频部分。

取板厚t=1 mm，孔径d=0.8 mm，开孔率P=2%，空腔深度D=61 mm，假设声音频率f=0.5 kHz，根据微穿孔板理论推导，正入射时吸声系数为：

选取密度为110 kg/m的超细玻璃棉，以尽可能吸收低频范围的噪声，并对高频噪声的吸收不会产生很大影响。空腔主要是吸收高频噪声[9]。

3.4 减振和防振设计

振动物体向空间直接辐射噪声，即振动噪声的产生。振动在传播过程中必然会引起洞体及支撑的振动，从而导致辐射噪声，即固体噪声。因此，固体传声会加大噪声的危害。

电机作为风洞动力源，工作会引起风洞振动。因此，必须对电机水泥底座、风洞室内地面等进行隔振处理，对电机水泥底座进行减振处理。风扇动力段和试验段之间则应该考虑设置柔性连接环，实现减振。电机支撑板建议采用50 mm厚度以上的钢板，且强度和刚度的安全系数要足够高，以防止发生共振。

3.5 消声室设计

消声室是指在封闭空间内建立自由声场，若将传播声波的介质向各个方向均匀无限延伸，则能够使声源辐射的声能进行无障碍物反射，也不存在环境噪声的干扰。

消声室有两个主要功能：一是为声学测试提供自由场空间;二是提供低背景噪声环境，以满足测试环境的要求。

目前，国内外高质量消声室均采用尖劈结构作为吸声体。把多孔性材料做成尖劈状实现吸声，称之为吸声尖劈。当声波从尖端入射，声波通过吸声层吸入吸声体，从而实现高效吸收。吸声尖劈的吸声特性取决于尖劈长度、填充材料及空腔深度等参数。同一种材料的尖劈长度越长，则尖劈低频吸声性能越好。此外，改变空腔深度也有可能提高尖劈结构的低频吸声特性[10-11]。

此风洞试验段规格为0.60 m×0.45 m，设计消声室尺寸为6 m×6 m×6 m。本消声室消声结构取为平头吸声尖劈，拟设消声室截止频率为100 Hz，计算吸声尖劈的高度。通常，尖劈长度应参考截止频率所对应的1/4波长长度，即L=c/4×f=340/4×100=0.85 m，分别取尖劈前端长度为650 mm，尖劈基部长度为100 mm，空腔深度为100 mm。尖劈背部截面积为400 mm×400 mm，劈数为2个，尖劈吸声系数≥0.99，如图4所示。

消声室尖劈拟采用直径3.2～3.5 mm的钢丝，制成满足设计要求的框架，在框架上缝上玻璃布罩面材料，并且将基于多孔材料的毡状裁成尖劈安装到框架内。此次设计采用的吸声材料为美国Owens Corning 702.0系列超细环保玻璃棉板，属于A级不燃性材料，符合相关标准。它作为吸声材料在工程上得到了广泛应用[12-13]。

4 结语

本文对一座低速声学风洞开展降噪设计研究，通过对风扇动力段叶片的合理设计和优化，在风洞中安装阻性消声器、在洞体壁面贴敷吸声层、采用微孔板后留空腔、在消声室中采用平头吸声尖劈以及控制振动噪声传播等降噪技术来降低风洞噪声。上述降噪措施可以实现风洞整体降噪，达到声学风洞的要求。

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