Galton型高强气流声源的发声特性

曹志勇，罗志浩，金东春，马振方，张光学，周晓耘

(1. 杭州意能电力技术有限公司，浙江 杭州 310018；2. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310018；3. 中国计量大学 能源工程研究所，浙江 杭州 310018)

0 引 言

高强声源在科研及工业等领域都有着广泛的应用，如用于噪声控制研究、风洞试验、声波清灰、超声雾化、采油解堵和防蜡等[1-6]。现阶段较为成熟的高强声波发生器按能量转换方式可分为化学能强声换能器、电能强声换能器和流体强声换能器[7-8]。化学能强声换能器可将爆炸时产生的能量转化为声能，但其发声特性难以控制。电能强声换能器工作稳定可靠，但受到换能效率低及功率小等因素的局限，难以用于工业。

以高压气体为介质的流体强声换能器又叫气流声源，其发声原理为：高速气流经过边界或障碍物时会引起气流压力扰动，而由于气体黏性的存在，气流将会变得不稳定，气体会沿气流方向产生振动从而形成周期性变化的压力场[9]。按发声原理可进一步分为流体动力式声源、流体谐振式声源和调制气流声源[10-13]。其中流体动力式声源是高速流体直接喷射进入共鸣腔内产生共振而发声，Hartmann型气流声源、Pohlmann型气流声源、旋笛以及本文研究的 Galton型气流声源均属于此类声源[14]。

流体动力式声源具有效率高、功率大及使用方便等特点，最近在某些特定应用领域呈现出很好的发展前景[15-16]。赵云等[17]用高频旋笛所发声波来团聚燃煤烟气中的PM2.5，在700 Hz 和 1400 Hz的频率下，减排效率最高达 99%。谭力克[18]提出使用Hartmann哨阵列的方式提高声波吹灰器的吹灰能力，通过数值模拟方法，研究中心杆长度与直径、共鸣腔深度和喷嘴直径对声源声压级的影响。高建民等[19]设计了一款带阶梯型谐振腔的 Hartmann超声雾化喷嘴用于雾化栽培领域，在0.1～0.5 MPa进气压力下，发现雾滴粒径比普通圆柱形腔体喷嘴的小2～6 μm。田章福等[20]利用Galton哨或Hartmann哨作为声源设计了低频强声实验舱，舱内平均声压级在150 dB以上，可用于低频强声的生物效应与材料的声学研究。宋硕等[21]使用 Hartmann哨解除地层的堵塞并降低原油的黏度，对低产井与停产井都具有较好的处理效果。

Galton型气流声源是一款较为成熟的声源，目前已有不少相关研究报道，文献[22]发现发声频率和声功率受环形喷嘴与共鸣腔间距以及共鸣腔深度的影响，并对该声源结构进行改进，改进后的声源可在 40 kHz的频段内稳定发声。文献[23]中将Galton型气流声源成功应用于幻灯片切换。文献[24]中对该声源进行实验研究，发现了一定温度下声源发声频率与声速的关系。此声源具有不稳定模式、回流模式和尖声模式三种工作模式。以进气压力与大气压的比值作为临界压力比，当临界压力比小于 1.9时，此时声源工作模式为不稳定模式。当临界压力比大于1.9时，工作模式为典型的回流模式。在此临界压力比下，当喷嘴与谐振腔间距过小时，声源会产生较高频率的声波，此时的发声模式由回流模式变为尖声模式[25]。

前人通过实验已对 Galton型气流声源的声场特性进行了研究，而对该类型声源发声时的流场与压力变化情况、声场分布及流体介质对发声特性的影响尚未深入探索，相关的数值模拟研究非常少。另外，现有研究均以空气作为流体介质，而气动声源在工业应用中所用气体并非全是空气，钢铁行业的压缩氮气和火力发电厂的高压蒸汽也是潜在的工作介质，因此流体介质可能会对声源的发声特性造成影响。

本文采用试验与计算流体力学数值模拟相结合的方法，对一款带中心杆的 Galton型气流声源进行研究，得到该声源发声时压力与流场的变化情况，不同进气压力下的声场分布及流体介质对发声特性的影响，并首次揭示了不同流体介质下的发声特性，研究结果可为Galton型气流声源工业应用奠定理论基础。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

带中心杆的Galton型气流声源如图1所示，其具体尺寸如表1所示。

图1 声源结构示意图Fig.1 Sketch map of the sound source structure

表1 声源结构参数Table 1 Main parameters of sound source

表1中Dn代表喷嘴直径，Dr代表共鸣腔直径，S代表共鸣腔深度，Dc代表中心杆直径，L代表喷嘴与共鸣腔间距。其发声过程为：气流从压力入口流入，在环形喷嘴出口产生高速气流，气流撞击到共鸣腔底部，并在共鸣腔出口附近产生周期性的涡流，从而使空气振动发声。另外，气流撞击到共鸣腔进口端面时，也会产生一些声压级较低且频率复杂的声波。中心杆的作用是改变流场状态，增强反馈流场的振荡，且可以抑制尖叫模式的出现[26]。

声源设计需先假定发声频率，根据Bergmann[24]研究得到声源发声频率f与共鸣腔深度S的关系：

式中：c为声速；k为与喷气压强有关的常数。计算得到S的值，然后再根据经验和文献中的数据，确定其他结构参数。通过数值模拟，验证该结构是否可以达到目标频率值，若两者差异较小，则该尺寸参数视为可行，否则进一步调整。根据模拟验证结果加工实物，所得实物也需测量其频率与目标值进行验证。

1.2 研究方法

1.2.1 试验方法

在进气压力保持稳定的条件下，在共鸣腔出口中心位置正上方 100 mm 处放置声级计(杭州爱华5661型)，测量该点处声压级，并采集详细的声压数据，以便进行频谱分析。同时，测试不同方位的声压级，得到声指向性。

1.2.2 数值模拟方法

采用计算气动声学(Computational Aeroacoustics, CAA)模拟方法，通过获取静压变化情况，得到声波在此点位处的有效声压值，再利用下式计算声压级LSP[27]：

式中：Pe为有效声压值；为参考声压(2×10-5Pa)。

计算几何模型如图 2(a)所示，选取长为 2 m、宽为1 m的长方形区域作为计算域。喷嘴入口设置为压力入口，对称轴设为对称轴边界条件，其余边界设置为压力出口，压力为标准大气压，声源壁面为无滑移固壁边界，温度设置为 300 K。采用专业的前处理软件ICEMCFD (The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics)19.0对其进行结构化网格划分，为保证数值计算的准确性，对流速大的区域进行加密网格，网格总数量为 2.0×105，网格质量在0.9以上。具体网格划分如图2(b)所示。

图2 声源网格模型Fig.2 Mesh model of the sound source

本文利用ANSYS FLUENT软件，采用有限体积法、双精度求解器对该声源的流场进行数值模拟计算。湍流模型选用对圆柱射流、射流撞击、旋流、二次流和漩涡等复杂流动有较好模拟效果的Realizable k-epsilon模型，近壁面处理方法采用标准壁面函数，压力修正采用压力耦合方程组(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations,SIMPLEC) 的半隐式算法，时间步长取 10-5s。以共鸣腔出口中心位置为圆心，对半径100 mm的球面进行 12等分，等分点设为压力监测点，将共鸣腔正上方监测点命名为P1。获取检测点压力随时间变化数据后，进而获得声压级等声学特性。

2 研究结果与分析

2.1 计算模型的验证

为验证数值计算的可靠性，首先通过实验测量声源发声特性，在0.3 MPa进气压力下，声源能够持续且稳定地发声，以此得到了喷嘴与共鸣腔间距L=20、23、25、27、30、33、35、38、40 mm 时的声压级，并将实测结果与模拟结果进行对比，如图3所示。实验测得的声压级数据与模拟数据总体趋势一致，声压级随L的波动是由湍流的不稳定结构造成的，声源发声时会产生一定单位长度的激波，从而形成一定的湍流不稳定区域。进入湍流混合区，喷嘴处射流会对周围空气形成速度扰动，急剧增加周围空气的共振趋势，从而增大声压级，而进入湍流稳定区则共振趋势会明显下降，声压级也随之下降，因此声压级会随 L的变化产生较大的波动[25]。各工况的偏差基本小于1 dB，模拟与实验的平均相对误差为0.77%，最大相对误差为1.23%，误差较小。同时，考虑到实验过程中空气流动情况较为复杂，可能会导致实验结果出现误差，因此模拟结果具有一定的可靠性。

图3 实验工况与模拟工况声压级对比图Fig.3 Comparison of SPLs between experimental and simulated conditions

2.2 流场与声压

在0.3 MPa进气压力下，监测点P1的压力随时间变化规律如图4所示。结果表明，该点压力振幅为635 Pa，且按正弦曲线规律作周期性变化，周期T为1.4 ms，该声源正处于稳定发声状态。为进一步掌握声源工作时的流场，在同一个声波周期内选取4个时刻，其速度分布与压力分布如图5和图6所示。

图4 监测点位压力波动图Fig.4 Pressure fluctuations at monitoring point P1

图5 一个周期内气流速度变化图Fig.5 Airflow velocity change in one period

图6 一个周期内声源压力变化图Fig.6 Pressure change of sound source in one period

图5(a)为发声周期的初始时刻，气流经过喷嘴压缩后以较快速度射入共鸣腔内部，与共鸣腔底部发生碰撞，形成回流。回流气体被喷射气流阻挡，导致大量气体滞留于共鸣腔内，从而使共鸣腔内压力增大，此阶段共鸣腔内压力变化过程为图6(a)～6(b)。

如图 6(b)所示，此时共鸣腔内压力处于最大值，被压缩的回流气体将对喷射气流产生较强的作用力，导致喷射气流偏离并流出共鸣腔，如图5(b)所示。喷射气流方向转向腔体外侧。此时，共鸣腔内的回流气体会被喷射气流裹挟排放至腔体外侧，腔内压力不断减小，此阶段共鸣腔内压力变化过程为图 6(b)～6(c)。

紧接着，如图6(d)所示，当共鸣腔内部与外界压力接近时，共鸣腔内回流气体逐渐减少，对应气流速度见图5(c)和5(d)所示，此时喷嘴出口气流方向逐渐回到初始状态。

以上声源中气流的速度和压力变化揭示了发声的过程和基本原理，与经典的气流声源回流工作模式相吻合。

2.3 声场空间分布

在喷嘴与共鸣腔间距为25 mm的条件下，改变进气压力，得到各个监测点处的压力值与其对应的声压级，结果如图7所示。结果表明，该声源在不同进气压力下，声场空间分布相同，具有一定的声指向性。当进气压力为0.3 MPa时，共鸣腔后侧轴线处声压级达到最大值，为153 dB，并随着角度的增加，声压级逐渐减小，在180°方向上达到最小值，为144 dB。这是由于声波在传递至共鸣腔后方时，在0°处发生重叠，从而增大了此处的声压级。其他方向也会存在声波的重叠，但是因为声波衰减的原因，其他方向声压级的增长幅度比0°处小，因此声压级在0°处最大。

由图7可知，各监测点位处声压级随进气压力的增加而变大，其主要原因是进气压力的增加使喷射气流的速度增大，从而加剧了气流之间的扰动，增大了压力的振荡幅度。进气压力增加时，各监测点处的声压级增长情况各不相同，0°处增幅最大，并随着角度增加而减小，在180°处增幅最小，进一步证明了该声源具有较强的声指向性。

图7 L=25 mm时不同进气压力下声场的空间分布Fig.7 Spatial distribution of sound field under different inlet pressures and L=25 mm

2.4 流体介质对发声特性的影响

为研究流体介质对声源发声特性的影响，选择空气、氮气及水蒸气这三种来源广泛、价格便宜，适合作为工业气源的流体介质进行数值模拟。在不同的进气压力下，三种流体介质产生的声压级数据如表2所示。结果表明，进气压力相同时，氮气的声压级最大，空气次之，水蒸气最小。

表2 三种流体介质在不同进气压力下的声压级Table 2 Sound pressure levels for three fluid media at different inlet pressures

图8为三种流体介质在0.3 MPa进气压力下的频谱分析结果。由图8可知，进气压力为0.3 MPa时，三种流体作为介质发声时的主频分别为 647、666和 838 Hz，而压力波动的幅度为 819、799和613 Pa。其中氮气的主频最小，压力波动的幅度最大；水蒸气的主频最大，压力波动的幅度最小；空气的频率与振幅均介于两者之间，这说明不同流体介质发声时的频率与振幅具有一定的关系，即发声频率越大，对应的压力波动的幅度越小。产生这样结果的原因可能是，三种介质在同一进气压力下发声时产生的能量相差不大，而产生的能量会转换成空气振动的次数与大小，即声音的频率与声压振幅，因此在能量一定的情况下频率越大，声压振幅越小。

图8 三种流体介质在0.3 MPa进气压力下的频谱分析Fig.8 Spectrums of sound pressure for three fluid media at 0.3 MPa inlet pressure

根据公式(2)中声源发声频率与声速的关系，发声频率与声速呈正比，而声速与介质密度呈负相关，因此密度较小的水蒸气频率较高。由于空气中含有体积分数为78%的氮气，两者物性较为接近，因此发声特性也十分接近。

综合对比三种流体介质的发声特性，氮气作为流体介质可以提供更大的声压级；水蒸气在提高发声频率上有明显优势；空气介于两种介质之间，但来源广泛，经济性高。

3 结 论

本文通过试验和数值模拟方法，对一款带中心杆的Galton型气流声源进行研究，分析了该声源工作时流场与压力场的变化规律，获取进气压力对声场分布的影响和流体介质对发声特性的影响，得出以下结论：

(1) 该气动声源稳定发声时，腔体内部流场与压力场均呈周期性变化，并与腔体外部监测点处的压力波动相对应。

(2) 在不同进气压力下，声场的空间分布基本相同，具有较强的声指向性。共鸣腔后侧轴线处，声压级达到最大值，为153 dB，且声压级随角度的增加逐渐减小，并在180°处达到最小值，为144 dB。进气压力增加时，不同方向的声压级增长情况各不相同，0°处增幅最大，并随着角度的增加而减小，在180°处增幅最小。

(3) 进气压力一定时，氮气的声压级最大，空气次之，水蒸气最小。进气压力为0.3 MPa时，三种流体介质的发声特性不相同，密度较小的水蒸气频率较高，且频率与声压振幅呈负相关，即频率越大声压振幅越小。