流體強聲換能器發(fā)展現(xiàn)狀

許偉，曾新吾，吳昌莉，陳玉波

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流體強聲換能器發(fā)展現(xiàn)狀

許偉1，曾新吾2，吳昌莉1，陳玉波1

(1. 第二炮兵裝備研究院，北京100094；2. 國防科技大學光電學院，湖南長沙410073)

流體強聲換能器能夠產(chǎn)生不同頻段、不同用途的強聲波，在軍事和民用領域都具有重要應用價值。對流體調(diào)制式、流體噴注式和流體諧振式三種流體強聲換能器的結構特點進行了介紹，對其發(fā)展現(xiàn)狀進行了簡要綜述。

流體；調(diào)制氣流聲源；強聲；換能器

0 引言

強聲換能器主要是指聲源出口聲壓級(空氣中)達140 dB以上的強聲發(fā)生系統(tǒng)。強聲換能器按能量轉(zhuǎn)換方式可分為化學能、電能和流體強聲換能器[1-5]。化學能強聲換能器，一般是利用爆炸產(chǎn)生的巨大能量來發(fā)聲，它可產(chǎn)生超大功率的強聲波，但結構復雜，聲波特性難以控制；電能強聲發(fā)生器結構簡單，性能穩(wěn)定，聲波頻率可以準確控制，但換能效率低，要達到數(shù)千瓦的聲功率，耗電量相當大，且結構與材料要求均很高；流體強聲換能器是將壓縮空氣、高壓蒸汽或燃氣等流體有控制地排出并激發(fā)周圍媒質(zhì)的振動，形成所需頻段和強度的連續(xù)聲波。流體強聲換能器結構簡單，能量轉(zhuǎn)換效率相對較高，在軍事和民用領域都具有重要應用價值，可用于強噪聲環(huán)境模擬、海上預警、遠距離廣播、聲學清洗等用途。

本文對國內(nèi)外現(xiàn)有的流體強聲換能器進行了廣泛調(diào)研。按發(fā)聲原理將流體強聲換能器分為流體調(diào)制式、流體噴注式和流體諧振式三種[6,7]。下面就其發(fā)展及其現(xiàn)狀作簡要介紹。

1 流體諧振式換能器

流體諧振式換能器的典型結構如圖1所示[8]，是一種可在氣體和液體中使用的諧振式發(fā)聲裝置，也稱帕爾曼哨。由噴嘴D和簧片C組成，在液體中利用液體射流來激發(fā)簧片的振動而產(chǎn)生聲波。簧片前端和后端做成尖劈形，射流噴出后正對簧片尖端，簧片的振動節(jié)點K為固定點。

當高速射流從噴嘴噴出時會激發(fā)簧片振動并發(fā)聲，產(chǎn)生的聲音屬于經(jīng)典的“邊棱音”。

1.1 國外相關研究

國外對此類換能器的發(fā)聲機理研究較多。Brown等曾對“邊棱音”的發(fā)聲機理進行過研究[9,10]，認為與作用在尖劈上的力相關的局部流體振蕩，使噴注從噴口一出現(xiàn)就受到橫向的不穩(wěn)定擾動。隨著層流噴注擾動的增加，渦旋與尖劈產(chǎn)生相互作用，構成一反饋環(huán)。當噴注速度發(fā)生變化時，這一反饋就會產(chǎn)生具有特定頻率特性的聲波。Powell對該類換能器實驗研究的結果表明，測到的作用于尖劈上的橫向力與所輻射的聲場有較為準確的對應關系，其聲強相應地接近理論上速度的六次方[11,12]。Krothapalli曾對180°的尖劈，即一平面板情況下的發(fā)聲進行過研究，認為此時噴注具有很高的阻抗并阻礙局部流動的橫向振蕩，在每一半空間的聲場更類似于單極子聲場[13]。

1.2 國內(nèi)相關研究

相比國外，國內(nèi)更偏重于實驗與應用研究。龔昌超等曾對該型聲源進行了實驗研究[8]，指出諧振式聲源適合產(chǎn)生高頻噪聲，受結構限制，很難用于產(chǎn)生低頻強聲。簧片材料因疲勞而斷裂是這種聲源應用到低頻強聲學方面所遇到的最大技術障礙。路斌等對該類換能器在石油化工領域的應用進行了探索，認為其結構簡單，堅固耐用，適合工業(yè)上的大規(guī)模應用[14]。目前已有應用于乳化、粉碎、均化、物化以及用于促進化學反應、除塵和阻燃等[14,15]領域的報道。

2 流體調(diào)制式換能器

流體調(diào)制式換能器的典型結構之一為旋笛，也稱汽笛，見圖2[16]。其發(fā)聲原理是利用受控的機械裝置切斷氣流而形成斷續(xù)噴注的方法產(chǎn)生聲波，其結構簡單，曾在火車、輪船上得到廣泛應用，可用于遠距離預警，具有主頻單一、傳播距離遠等特點，其發(fā)聲頻率取決于動定子構件的開孔數(shù)目。旋笛的發(fā)聲效率較高，有文獻報道，理論上效率最大值在產(chǎn)生正弦聲波時可達50%，產(chǎn)生方波時可達100%[16]。旋笛可產(chǎn)生很大的聲功率，如1942年，Jones設計的旋笛聲功率可達37.3 kW，Leonard和Wilson于1952年設計的旋笛聲功率則達到了100 kW[17]。

另一種流體調(diào)制式換能器發(fā)聲原理與旋笛類似，稱之為調(diào)制氣流聲源。自20世紀50年代以來，由于近代火箭技術的發(fā)展，導彈、飛機及外太空飛行器高強度環(huán)境試驗的需求，大功率調(diào)制氣流聲源開始受到關注，用于試驗火箭、導彈、航天器和飛機等在強噪聲條件下的工作特性，或用于消除火箭、導彈和飛機產(chǎn)生的噪聲，其優(yōu)點是其輸出波形由小功率的電信號控制，可隨控制電信號變化，輸出聲信號的頻譜也可調(diào)節(jié)的，氣聲轉(zhuǎn)換效率可達11~15%。下面對這一類型的換能器進行詳細介紹。

2.1 國外相關研究

國外對調(diào)制氣流聲源的研究主要集中在航空航天領域，以提供高聲強試驗環(huán)境為主要應用目的。Meyer[18]最早于1969年提出了調(diào)制氣流聲源的理論分析模型，基本思想為依據(jù)內(nèi)流場特性將聲源結構簡圖劃分為噴口定常等熵加速流動區(qū)、非等熵和非線性定常湍流混合區(qū)、平均流動條件下強聲波擾動區(qū)。三個區(qū)域均可由一維可壓縮無粘流動的連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程等所組成的方程組描述。這是調(diào)制氣流聲源最基本和最重要的理論成果。幾乎所有的理論模型均是Meyer 提出的一維準穩(wěn)態(tài)簡化思想的延續(xù)。當前該類型聲源的研制和生產(chǎn)以美國的Ling公司和Wyle 公司的產(chǎn)品最為典型，應用也最為廣泛。以Ling EPT 200、Ling EPT 2005和WAS 3000等為代表的產(chǎn)品得到了美國國家航空航天局(NASA)等航空航天機構的青睞，可經(jīng)常在相關文獻上看到這些設備的使用[19-21]，聲功率可達數(shù)十千瓦，主要用于提供噪聲環(huán)境以模擬現(xiàn)代飛行器的噴氣噪聲，聲波頻率取決于調(diào)制信號源，理論上可以產(chǎn)生從次聲到語音，甚至超聲頻率范圍的聲波，其主要結構如圖3所示。

美國宇航局(NASA)以及麻省理工學院(MIT)、賓夕法尼亞大學等都曾進行過激勵音圈調(diào)制射流模擬航空發(fā)動機高聲強工作環(huán)境，或模擬受到擾動的高速射流對發(fā)動機性能影響等方面的研究[22]。其實驗裝置側(cè)重于設計小巧和使用方便，發(fā)出的聲功率相對較小。圖4為NASA的Lewis研究中心所做的模擬高壓射流擾動引起航空發(fā)動機喘振效應的研究中所用的氣流調(diào)制機構[22]，直徑只有7 cm。該裝置主要由置于磁場中的音圈機構，在外加電激勵信號驅(qū)動下對射流進行調(diào)制，獲得類似發(fā)動機實際工作的聲學環(huán)境。其工作頻帶為0~450 Hz，工作壓力為689 kPa，調(diào)制機構質(zhì)量為0.01 kg，氣流最大調(diào)制面積為41 mm2。以上研究由于應用目的單一，調(diào)制頻帶一般都很窄，只能工作于特定的工作頻率，而且側(cè)重點在于氣流特性和聲場特性的實驗研究，對調(diào)制機構工作原理與設計研究很少。

2.2 國內(nèi)相關研究

國內(nèi)對調(diào)制氣流聲源的研究始于20世紀60年代，中國科學院聲學研究所對調(diào)制氣流聲源進行了理論探索和實驗研究[23-25]，所研制的聲源結構如圖5所示[25]，其聲功率可達10 kW。該類聲源由動環(huán)、定環(huán)、殼體、音圈、喇叭喉等組成，動環(huán)和定環(huán)上開有用于調(diào)制氣流的、高度相等的排縫結構，且縫之間的間距相等，與Ling公司的產(chǎn)品結構很相似。調(diào)制氣流聲源工作時，高壓氣體進入氣室，通過調(diào)制氣流的排縫結構，排縫在電信號的控制下發(fā)生面積變化，就把斷續(xù)氣流壓入了喇叭喉，最后由出口排出。一般而言，調(diào)制面積越大，流量越大，其聲功率也就越大。該型聲源最大的缺點是要求工作氣流非常干凈，稍有灰塵或雜質(zhì)動環(huán)就會卡住，極易損壞，因此無法使用普通的空氣壓縮機作為氣源(空氣壓縮機排出的氣流一般含有灰塵、油、水等雜質(zhì))，只能使用液氮氣化后的純凈的高壓氮氣來工作[25]。另外，動環(huán)很重，使得系統(tǒng)的頻響很低，需要的驅(qū)動電功率較大。該類聲源主要用來產(chǎn)生高聲強噪聲，曾經(jīng)用于國內(nèi)航天航空工業(yè)中的噪聲環(huán)境和聲疲勞試驗研究。但由于工作可靠性及使用成本等方面的問題，未得到廣泛使用。

在理論研究和實驗方面，聲學所相關研究人員對調(diào)制氣流聲源做了大量深入而具體的工作。馬大猷[23]從氣體動力學的基本原理出發(fā)，求得了調(diào)制氣流聲源的氣流-壓力特性，并用圖解法給出了求解給定氣室壓力和氣流噴口面積比的條件下聲輻射特性的方法。沈濠[25]對調(diào)制氣流聲源的振動系統(tǒng)進行了研究，重點對振動系統(tǒng)所需的電功率進行了分析。在理論分析時，做了很多的簡化和假設，在系統(tǒng)特性分析時忽略了諧振與阻尼，具有一定的局限性。但值得一提的是，這是目前可查的唯一直接針對調(diào)制氣流聲源振動系統(tǒng)的分析。張擴基[26]、孫洪生[27]等人對調(diào)制氣流聲源用于遠距離語音廣播進行了實驗研究，得到了很多第一手的實驗數(shù)據(jù)。但由于種種原因，聲學所的相關研究中斷了很多年。近年來，中國科學院聲學研究所又重新啟動了相關研究，楊亦春等[28]對提高調(diào)制氣流聲源的空氣利用效率進行了探討。

受航空航天技術發(fā)展的推動，北京強度環(huán)境研究所(702所)也進行了類似的相關研究，研制了以DQY-6000S為代表的強聲發(fā)生裝置[29]，聲功率可達6 kW，能夠用于航天器的聲環(huán)境模擬實驗。但由于受到裝置聲學性能與可靠性等方面的制約，未能在我國航天領域得到廣泛應用。清華大學席葆樹曾于20世紀90年代發(fā)明了一種調(diào)制式氣流揚聲器，聲功率可達到10 kW，其結構克服了聲學所的發(fā)聲裝置的部分缺點，但仍存在調(diào)制部件在高氣壓、大電流工作條件下易損壞等問題，主要用于語音的遠距離廣播[30]。但其工作側(cè)重于實驗裝置本身，并未進行任何相關的理論研究。

調(diào)制氣流聲源可實現(xiàn)的輸出聲功率范圍很廣，最小的只有幾聲瓦，最大可達到十萬聲瓦以上，其發(fā)聲的核心在于振動系統(tǒng)對氣流的調(diào)制。振動系統(tǒng)屬于調(diào)制氣流中的核心關鍵技術，其結構性能對聲學特性有著重要而直接的影響。但現(xiàn)有文獻對振動系統(tǒng)由于多種原因介紹過于簡單，尚未有關于振動系統(tǒng)各結構參數(shù)影響的詳細分析。另外，振動系統(tǒng)調(diào)制氣流的同時，也受到氣流的反作用，目前尚無氣流作用的相關報道。

3 流體噴注式換能器

噴注式換能器是通過將噴出氣流注入某腔體內(nèi)發(fā)聲的。一種典型結構為哈特曼哨，主要由噴口和共振腔組成，如圖6所示[31]。該結構的特點是噴口與共振腔共軸線且直徑相同。當流體從噴口中高速噴出時，在噴口與共振腔之間的局部壓力產(chǎn)生周期性起伏，當共振腔置于不穩(wěn)定壓力變化區(qū)后，流體就會周期性地進入共振腔，使得腔內(nèi)的壓力逐漸升高并最終反饋出來，形成一個周期性的充填、反饋過程：首先是流體不斷充入共振腔，在腔內(nèi)達到過量壓力，使得其中的流體向外流出，當此過量壓力高于噴口的流壓時，共振腔反饋的噴注可以壓制入射噴注，同時腔中累積的流體開始向外流出，導致反饋的過量壓力逐漸降低，此時共振腔中將被再次注入流體介質(zhì)開始另一個充填過程。如此周而復始，對周圍環(huán)境產(chǎn)生壓力擾動，向外輻射聲波。

3.1 國外相關研究

對流體噴注式聲源的研究最早起源于Hartmann[31]。1918，Hartmann在測定該類結構出口射流的總壓分布的時候，發(fā)現(xiàn)了在射流的很多區(qū)域壓力始終是波動的，通過反復試驗，他發(fā)明了哈特曼哨，即圖6所示結構。但之后多年，受應用限制，該類聲源的研究沉寂了很長時間。現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，使這類聲源又重新受到人們的關注。噴注式結構在不同應用領域中叫法也不同，有“噴注式聲源”，“氣動諧振管”，“1/4波長管”等多種。

Holbeche等認為Hartmann哨是一種緊湊、可控的大功率強聲發(fā)生器，并將其應用于飛機噪聲的隔聲研究。聲源由航空發(fā)動機提供能量。其所用聲源裝置的聲功率為1 kW，基頻為2.8 kHz[32]。G. Raman等[33,34]對主動流動控制進行了研究，利用壓電換能器產(chǎn)生高頻激勵來抑制諧振管的流體共振特性。B. Brocher[35,36]對諧振管進行了實驗研究，認為對于超聲速射流，最佳噴注間隙約等于兩倍管徑；并指出該結構發(fā)聲頻率公式中管長還應包含額外的附加長度。E. J. Kerschen[37]等針對1/4波長管在產(chǎn)生低頻聲波時管長過長的問題，提出了采用赫姆霍茲共振器代替等直徑管以縮短管長的方法，并對赫姆霍茲共振腔進行了理論分析。A. Hamed[38]等對4 kHz左右頻率的哈特曼管的起振條件進行了研究，并認為，發(fā)聲機理研究受限于湍流問題的復雜性，仍是一個非常困難的問題。A. B. Cain[39]等對發(fā)聲頻率為7.6 kHz的諧振管的流動過程進行了數(shù)值模擬，重點研究了發(fā)聲頻率的影響因素，認為管長是發(fā)聲頻率的決定性因素；指出氣體壓力對頻率有重要影響，當諧振管很短時對頻率的改變比較明顯，另外流體慣性會明顯降低短管的發(fā)聲頻率。

3.2 國內(nèi)相關研究

國內(nèi)有關噴注式聲源發(fā)聲特性的研究非常少。楊松等[40]實驗研究了噴注式發(fā)聲器的基本性能以及主要參數(shù)的相互關系，但研究側(cè)重于高頻段。實驗研究表明，該發(fā)聲器作為一種混響室聲源，可以有效彌補一般聲源高頻部分的不足，并認為高頻發(fā)聲器的共振腔深度是決定其發(fā)聲頻率的重要參數(shù)。吳嘉等[41]用流動顯示的方法對類似結構高強聲下駐波管中的聲流問題進行了實驗研究探討，認為當聲壓級增大到一定值以后，駐波管內(nèi)將產(chǎn)生復雜的湍流結構。宋碩等[42]將噴注式聲波發(fā)生器在油田中的應用進行了研究，實驗研究了結構參數(shù)對產(chǎn)生高頻聲波時發(fā)聲頻率的影響，但在研究發(fā)聲機理時將聲輻射等效為球面波，是有待商榷的。張利杰等[43]對噴注式聲源單元組陣技術進行了數(shù)值模擬和實驗研究，實驗發(fā)現(xiàn)單元相位不一致等問題制約了陣列軸線聲壓級的提高。目前該型結構的一個最新應用方面是航空航天領域，將其用作火箭發(fā)動機點火裝置[44]，但并非利用其聲學特性，而是側(cè)重于熱效應的應用。

總的來說，噴注式聲源仍處于初步研究階段，其氣動過程和流動過程的細節(jié)并不十分清楚，目前也尚未查到相關聲場研究的相關文獻。另外，上述研究中，幾乎所有的工作頻率都位于千赫頻段，未見低頻研究的報道。噴注式聲源尚有待于進一步深入研究。

4 結束語

流體強聲源應用廣泛，具有廣闊的應用前景。但由于流體強聲技術并不是當前聲學研究的主流，關于流體強聲技術的工作和文獻非常少，該類聲源的技術尚不成熟，國內(nèi)只有極少數(shù)單位和個人曾經(jīng)進行過相關問題的研究。流體強聲換能器都是使用流體射流作為動力源來激發(fā)聲波的，在流體發(fā)聲的過程中，流場與聲場耦合在一起。其中射流的流體動力學是一個較為復雜的研究領域。另外，射流與腔體的耦合發(fā)聲所涉及到的物理模型和物理機制也是各不相同的，研究理論更是缺乏，其中涉及的數(shù)學處理也是非常復雜和困難的。因而該類發(fā)生器的發(fā)聲機理至今沒有得到令人滿意的解釋，絕大部分僅限于實驗現(xiàn)象分析。研制大功率的強聲源，開展相關關鍵技術研究以滿足各種特殊要求，是目前流體強聲源發(fā)展中亟待解決的重要問題。

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The development status of fluid-induced powerful acoustic transducer

XU Wei1, ZENG Xin-wu2, WU Chang-li1, CHEN Yu-bo1

(1. The Equipment Academy of the Second Artillery, Beijing 100094, China; 2. College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073,Hu’nan, China)

Fluid-induced powerful acoustic transducers can produce intensive sounds with a variety of frequencies, which have wide military and civil applications. In this paper, the structure characteristics of this kind of acoustic transducers based on three commonly used modes, namely air-modulated, jet, and fluid-resonance, are introduced. Besides, the status and trend of the fluid-induced powerful acoustic transducers are briefly summarized.

fluid; air-modulated speaker; intensive sound; transducer

TB534.2

A

1000-3630(2015)-01-0090-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.01.017

2013-11-20;

2014-03-02

許偉(1981－), 男, 河北新樂人, 博士, 研究方向為聲學技術。

許偉, E-mail: xuwei217@gmail.com