賽為斯聲學大講堂丨渦流噪聲的產生機理及其特性

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文章出處：技術資訊網責任編輯admin 閱讀量：發表時間：2020-12-24 15:07

氣流流經障礙物時，由于空氣分子粘滯摩擦力的影響，具有一定速度的氣流與障礙物背后相對靜止的氣體相互作用，就在障礙物下游區形成帶有渦流的氣流。這些渦旋不斷形成又不斷脫落，每一個渦旋中心的壓強低于周圍介質壓強，每當一個渦旋脫落時，湍動氣流就會出現一次壓強跳變，這些跳變的壓強通過四周介質向外傳播，并作用于障礙物，當湍動氣流中壓強脈動含有可聽聲頻成分，且強度足夠大時，則輻射出噪聲，稱為渦流噪聲或湍流噪聲。
電線被大風吹而產生的噪聲，狂風吹過樹林的呼嘯聲，均是生活中常見的渦流發聲現象。當物體以較高的速度在氣體中通過時也能產生渦流噪聲，如在空氣中揮動藤條或竹桿就能發出與風吹電線一樣的噪聲。總之，氣體與物體以較高的速度相對運動就能產生渦流噪聲。
下面對渦流噪聲的產生機理和渦流噪聲的特性進行簡單的分析：
可選擇一個形狀簡單、表面規則光滑的圓柱體，研究氣體流過這個圓柱體時的流動狀態。將圓柱體置于速度恒定的氣流中，其軸線與氣流方向垂直。氣流流經圓柱體時沿圓柱體的表面分流，并在圓柱體背后兩側交替出現旋轉方向相反的渦流。渦流以比氣流速度為低的速度離開圓柱體，形成兩條渦旋列，如圖1所示的渦流軌跡，這種渦旋軌跡稱為“卡門渦列”。只有雷諾數較低 (30~70) 時，才能形成規則的渦列。若兩列渦旋相距為h，每側的兩個相鄰渦旋相距為l，則卡門渦列滿足以下關系：

實際上，可聽到渦流噪聲，一般多是高速氣流通過形狀不規則的物體時形成的，所以，渦旋的形成、脫落以及排列全是無規則的和不穩定的，頻率成分往往呈無規寬帶特性。但是，對于幾何形狀簡單的物體來說，渦旋的形成、發展到脫落，大體有一定的周期性。因此，盡管渦流噪聲是一系列脈沖壓強的作用結果，應具有寬帶噪聲特性，但同時也具有較為突出的頻率成分，其峰值頻率可用下式計算：

d 由噴口直徑改為物體特性尺寸。

圖1 卡門渦列

每當一個渦旋脫落時，就產生一個作用于障礙物的脈動力，作用方向與氣流流動方向一致，所以在連續脈動動力作用下的障礙物產生類似振動球那樣的運動，因此，這種渦流噪聲源屬于偶極聲源。渦流噪聲的聲功率與氣流速度的六次方成正比。
氣流管道中的障礙物及管道中的支撐物、導流片、擴散器等，由于渦流也會產生噪聲。閥門會導致渦流的產生，從而激發渦流噪聲，這種渦流噪聲常常因為與障礙物的固有頻率相吻合而產生放大噪聲的現象。
設氣流管道中的障礙物垂直于氣流運動方向的截面尺寸遠小于管道的截面尺寸，可以認為流經障礙物的氣流速度比管道中氣流的平均流速不會高很多，噪聲主要是氣流與物體相互作用的結果。渦流的產生和脫落，產生作用于障礙物的脈動力；障礙物振動激發的噪聲沿管道傳播出去。
渦流噪聲的聲功率 (W) 可用下式近似估算：

式中，k 為經驗常數，由實驗得出圓形管道的常數k=2.5×10??；ρ 為氣體密度 (kg/m³)；c 為聲速 (m/s)；D 為管道直徑 (m)；ΔP 為障礙物前后的氣體壓力差 (N/m²)。
為降低噪聲，應減少氣流管道中障礙物的阻力，如把管道中的導流器、支撐物改進成流線型，表面盡可能光滑，就可減小噪聲；也可調節氣閥或節流板等，并采用多級串聯降壓方法，以減弱噪聲功能。

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