一種強聲氣動聲源的理論與實驗研究

張世功，周紅生，時海波，葉天明，楊長庚，劉逍逸

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一種強聲氣動聲源的理論與實驗研究

張世功1，周紅生1，時海波2，葉天明3，楊長庚1，劉逍逸1

(1. 中國科學院聲學研究所東海研究站，上海 200032；2. 上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院耳鼻咽喉科，上海200233；3. 同濟大學聲學研究所，上海200092)

為實現(xiàn)強聲的氣動發(fā)聲，設計了一種基于噴注型和諧振型組合的復合式氣動聲源，僅對噴注型聲源進行了詳細研究。利用高壓氣體對聲源的氣室充氣，形成高壓氣體腔室，接通牽引電磁鐵電路，電磁鐵帶動連動軸和堵頭使高壓氣體高速噴出，高速氣流在諧振管內(nèi)形成湍流，從而產(chǎn)生強聲。仿真結果顯示了湍流的產(chǎn)生，并可得到168 dB的強聲。利用B&K 3560 Pulse多分析系統(tǒng)對自制的氣動聲源進行測試，結果顯示：在距離出氣口10 cm處，聲壓級可達146 dB，這樣可推導出在距離出氣口1 cm處，聲壓級可超過164 dB，測量結果與仿真結果較為接近。最后，對非線性聲波形成的激波進行了分析。研制的強聲氣動聲源可用作動物實驗的聲源。

氣動聲源；湍流；激波

0 引言

氣動噪聲在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)上都有廣泛的應用。一些是在噪聲防護和處理方面，比如高速飛機和列車研制階段必須考慮對噪聲進行控制等；但也有一些強聲是可以被利用的。比如強聲驅散防暴車[1]可以定向發(fā)射高達160 dB以上的噪聲，利用它可令暴恐分子出現(xiàn)非致命性傷害，失去行動力，達到防暴目的；另外，對強聲輻射下的材料及生物醫(yī)學性能進行研究也有一定科學價值和醫(yī)學應用前景，比如高速飛行器發(fā)動機噴口處產(chǎn)生的噪音聲壓級超過150 dB甚至180 dB以上，長期工作在高聲壓級噪音下的材料會出現(xiàn)聲疲勞現(xiàn)象，可造成蒙皮破裂，鉚釘松動，給空間飛行器帶來危害；強槍炮聲除對人的聽覺神經(jīng)有較大的影響，易形成耳鳴、耳聾等聽力損傷外，還對心腦血管方面有較大的影響，但這些癥狀并不在強噪聲輻射后即時顯現(xiàn)。伊拉克、阿富汗等戰(zhàn)爭結束后，一些士兵退役后隨著年齡的增長，出現(xiàn)了大量的學習障礙、記憶力減退、抑郁癥和創(chuàng)傷后應激障礙等癥狀[2]。美國政府每年要花費超過10億美元在退伍軍人聽力損傷與強聲輻射后遺癥的其它相關病癥的治療與研究方面[3]。

除此之外，強聲聲參量陣用于人工降雨可減少由冷云催化劑帶來的環(huán)境污染[4]，空氣炮利用強聲對管道進行疏堵等等。上述應用都不可避免地利用到強聲源。利用槍炮或發(fā)動機產(chǎn)生強聲源成本較大，其發(fā)音性能的重復性不能得到良好體現(xiàn)。火花強聲源在海水中由于其良好的導電性比較容易得到實現(xiàn)，但在空氣中產(chǎn)生的聲效率相對不高。氣動強聲源以成本低、可控程度高、參數(shù)易調節(jié)、重復性好等優(yōu)點成為眾多研究人員的研究熱點。

2003年，英國和巴西的研究人員制作的氣動聲源的聲源級已高于160 dB[5]，2015年美國紐約州立大學Newman教授研制的用于聽力防護的強聲源聲壓級聲稱可達到196 dB[2]，他們都利用刺穿黃銅膜片釋放高壓氣體的形式產(chǎn)生強聲，但論文中說明測量發(fā)生在出氣口處，傳感器測得的數(shù)據(jù)是激波的瞬態(tài)靜壓。在形式上，激波與日常聽到的聲音在信號上略有不同。另外，他們研制的氣動聲源不能靈活調節(jié)發(fā)出強聲的幅度等參數(shù)，膜片只能一次，重復實驗需要更換。

中國科學院聲學研究所與中國科學院物理研究所共同研制出的強聲氣動聲源，利用外加聲頻電信號控制氣流發(fā)聲[6-7]，在管內(nèi)利用近似行波聲場條件，測量其聲壓級可達173 dB，混響室內(nèi)總聲壓級最高可達163 dB。限于當時的實驗條件限制，其研制的氣動聲源的聲壓級還不能達到國外研制的模擬槍炮的強聲聲壓級。國防科技大學研制出流體動力式強聲源、流體諧振式強聲源和調制氣流聲源[8-11]，其中諧振型聲源的聲壓級可達148 dB。

由于強聲問題經(jīng)常涉及空間飛行器和其它相關敏感領域，國外對中國實行技術封鎖，也不對華銷售極強聲壓級的傳聲器，所以強聲的產(chǎn)生與測量都是相對困難的科學問題。除此之外，強聲傳播問題也屬于復雜的非線性聲學問題。

本文對自行設計的一種氣動聲源進行了討論，分析強聲產(chǎn)生和傳播的過程，分析空氣中激波的產(chǎn)生與衰減。可為防暴、強聲生物效應、材料強聲疲勞等相關研究提供技術手段。

1 氣動聲學基礎

氣動聲源由于氣體高速流動而發(fā)聲，但氣流本身并不產(chǎn)生聲振動，氣流流經(jīng)邊界和障礙物時引起氣流壓力擾動，氣體的粘性會使氣體在物體表面或障礙物尾部引起湍流及旋渦，湍流不斷形成、衰減，沿氣流方向產(chǎn)生擺動，這種不穩(wěn)定的氣流流場中的氣體分子振動從而形成一個變化的壓力場，特別是流速極快的(亞音速和超音速)氣流中，形成的聲壓極大，從而發(fā)出強聲。此聲場帶寬較寬，噪聲強度與氣流速度與邊界結構有關。

流體動力學特別是湍流理論是氣動聲學的重要依據(jù)。Lighthill對這種氣動聲學進行了大量的研究，提出了聲類比理論，利用湍流應力張量作為流體動力的聲源[12-13]：

并對這種氣動聲的功率進行了分析，他依據(jù)氣流速度將氣動聲源分為三種類型：單極子、偶極子和四極子，在氣流速度較高(相對聲速)時，四極子聲源占主導地位，聲功率與流速的八次方成正比：

(2)

高速氣流也可借助障礙物的聲學特征(幾何邊界和諧振等)發(fā)出不同發(fā)音類型的強聲，高速氣流直接注入機械腔內(nèi)產(chǎn)生共振發(fā)聲的聲源被稱為流體噴注型聲源；高速氣流在出口激發(fā)簧片振動發(fā)聲的聲源為諧振型聲源；而流體調制型聲源通過出口處的裝置或轉動裝置對氣流進行調制，使氣體周期性噴出，產(chǎn)生可被調制的強聲信號。Jones[14]和Meyer[15]對調制氣流聲源的理論和實驗展開了研究，分別提出了簡化和嚴格的理論解。

馬大猷先生結合上述研究成果，提出了一種近似理論[6]，既不過分繁復，又具相當精度，與嚴格理論解之間的誤差不超過1 dB。國防科技大學曾新吾教授所在團隊[8-11]對流體動力型聲源的性能進行了理論、實驗和數(shù)值分析研究。

2 復合發(fā)音類型氣動聲源模型

噴注型聲源將高速氣流直接注入機械腔內(nèi)產(chǎn)生共振發(fā)聲，而如果在氣流出口處設置發(fā)音簧片振動，根據(jù)發(fā)音類型，其將變化為諧振型聲源，這樣，單一發(fā)音類型的聲源可變化為兩種不同類型的復合型氣動聲源，如圖1所示。

圖1中，高壓氣體通過進氣口進入氣室，由于彈簧與氣體壓力的作用，堵頭剛好可以封堵排氣口。牽引電磁鐵通電后可以產(chǎn)生較大的力，迅速拖動堵頭移動，高壓氣體經(jīng)諧振管排出形成高速氣流，即可形成噴注式氣動聲源，而在堵頭氣體的下游設置可更換的發(fā)音簧片，高速氣流還可激勵其發(fā)音，形成諧振聲源，成為復合發(fā)音類型氣動聲源。本文暫時只討論沒有簧片發(fā)聲的噴注型氣動聲源。

圖1 復合型氣動聲源

3 聲場仿真與實驗結果

利用數(shù)值計算軟件可對氣動聲源內(nèi)部的流場及聲場進行模擬研究。為簡化計算模型，僅研究氣流在諧振管內(nèi)的流場，即高壓氣體流過堵頭后的流場。

建立氣動聲源模型，除進、出氣口之外，其它邊界均設置為無滑移固壁邊界。進氣口為壓力入口，出口為壓力出口。介質為可壓縮的空氣，其密度場隨時間發(fā)生變化，考慮到實際模擬的氣體壓縮和湍流情況，選擇RNG-湍流模型進行計算。高壓氣室內(nèi)的靜壓為3 atm，而與諧振管相連的大氣壓強為1 atm。高壓氣室的尺寸為62 mm*120 mm，諧振管尺寸為20 mm*52 mm

計算的兩個時刻的氣體流場如圖2所示。可以明顯看出氣動聲源內(nèi)的湍流現(xiàn)象，其主要發(fā)生在堵頭后端諧振管內(nèi)，高速氣流噴口、諧振管壁面以及空氣的粘滯作用等共同形成了湍流，湍流內(nèi)壓強變化劇烈，從而形成聲壓，發(fā)出聲音。除流場外，從介質密度場和靜壓場中也可以看出明顯的類似湍流，它們發(fā)生的位置基本一致。

許多聲學軟件都可以模擬氣動噪聲的產(chǎn)生，將不同時刻的氣體流場導入相應軟件，利用Lighthill氣動聲學理論，即可計算諧振管內(nèi)的聲場。經(jīng)計算，諧振管內(nèi)入口和出口處兩點的聲壓級可達到168 dB。

利用B&K 3560 Pulse多分析系統(tǒng)對氣動聲源產(chǎn)生的聲信號進行測量分析，測試系統(tǒng)如圖3所示，其中傳聲器采用B&K 4939，在距離出氣口10 cm處測量，傳聲器不直接面對出氣口，防止高速氣流沖擊傳聲器。所采集的聲信號及其頻譜如圖4和圖5所示。利用傳聲器的靈敏度計算出聲壓級可達146 dB，若假設聲波從出氣口出來后呈球面波衰減，可知距離出氣口1 cm處的聲壓級大于164 dB，略小于仿真結果。氣動強聲信號持續(xù)時間約為30 ms，頻譜以低頻(<5 kHz)為主。

利用銅膜片對出口進行封堵，然后膜片突然破裂形成的聲信號會比氣體直接噴的聲信號在時間上短很多，頻譜也明顯不同，非本文重點，不再贅述。

4 非線性強聲傳播過程

強聲離開湍流區(qū)后的傳播屬于非線性傳播過程，這是因為強聲的振幅較大，足以引起空氣中非線性聲學效應。比如強力噴氣式發(fā)動機發(fā)出的噪聲達到180 dB，其所形成的聲壓為20 kPa，空氣質點振動速度可達到50 m/s，聲輻射空間的氣體密度和壓強變化在狀態(tài)方程和連續(xù)性方程中已經(jīng)不能忽略，線性聲學理論不能在強聲研究中繼續(xù)使用，必須考慮更為復雜的非線性聲傳播問題。空氣在常溫常壓下的非線性參數(shù)為0.4[16]，非線性系數(shù)=1+/2=1.2，利用非線性聲波方程

可得方程：

160 dB的強聲其聲壓為2 kPa，其質點速度約為5 m/s。其應在

(5)

或(6)

形成鋸齒波，其中為聲馬赫數(shù)，為波數(shù)，為波長。兩者所不同的是前者在零點上已豎直，而后者是波形中的整條線豎直，如圖6所示，從圖6(b)中可看出質點速度的零點已豎直，它對應于圖6(a)中波形最高處的三角波，該點處的正弦波形已變化為一個銳角。在圖6(d)中，由于波形已經(jīng)越過零點豎直的位置，波形進一步畸變。在鋸齒波位置，波形已經(jīng)有所發(fā)散，這是因為數(shù)值計算不能處理數(shù)據(jù)突變的緣故，而其它一些位置的波形也已經(jīng)豎直。

(a)=/(2π)

(b)=/(2π)

(c)=/(4)

(d)=/(4)

圖6 在=/(2π)位置(a, b)和=/(4) (c, d)接收的非線性聲波的位移(a, c)與質點振動速度(b, d)信號

Fig.6 Displacement signals (a, c)and particle velocity signals (b, d) received at=/(2π) (a, b) and=/(4) (c, d)

計算時脈沖聲波被假設為經(jīng)高斯調制后的4.5周正弦波信號。圖中位移信號為三角波，而質點速度信號為鋸齒波，有些文獻也稱鋸齒波為激波。

激波中含有豐富的諧波成分，由于高次諧波的衰減比基波大，在傳播過程中，高次諧波逐步衰減，又退化成正弦波信號。但實際問題要更加復雜，大振幅的聲波在傳播過程會產(chǎn)生畸變并形成激波，而非線性聲波在傳播過程中諧波幅度即隨傳播距離積累，并又要隨傳播擴散衰減，還有其它類型的衰減，所以強聲在傳播過程中的波形變化非常復雜。

強聲在傳播過程中的某些位置，其幅度在零幅值兩側不再保持相當，正的幅值和負的幅值明顯不相等(理論計算結果如圖6(c)所示)，實驗中也能觀察到該現(xiàn)象，見圖7。但在距離聲源較近和較遠時，聲脈沖在零電壓上下卻基本是均勻的(理論計算參見圖6(a)，實驗信號參見圖4)，這正是非線性聲波傳播的特性之一。

5 討論

強聲沖擊下的動物損傷可能是由于激波造成的，對激波進行研究有利于分析動物損傷類型。按照發(fā)聲原理，文中測得的信號本應為激波，但由于牽引電磁鐵的牽引速度有限，發(fā)出的強聲并未達到激波的強度。強聲的傳播過程是非線性的，同時它又存在擴散衰減，再加上氣流的運動，對激波進行定量研究相對較為復雜。

同時，由于傳聲器的測量受到量程的限制，無法對更高聲壓級的強聲進行定標測量，下一步工作計劃準備針對水聽器、壓電傳感器和略高于可聽聲頻率范圍的超聲波傳感器測量強聲的可行性，或利用沖擊波力傳感器對強聲信號進行定標測量。

此外，文中設計的氣動聲源還可在后端加設發(fā)音簧片形成諧振型氣動聲源，其發(fā)音強度有待實驗驗證，其發(fā)音原理、仿真和實驗研究工作需要進一步開展。

6 結論

設計了一種氣動聲源，對其流場和聲場進行了仿真并進行了實驗測量，仿真結果與實驗結果基本相當，氣動聲源可發(fā)出超過164 dB的強聲，并對實驗中觀察到的非線性強聲的傳播特性進行了討論。

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Theoretical and experimental investigation of a kind of pneumatic intensive sound source

ZHANG Shi-gong1, ZHOU Hong-sheng1, SHI Hai-bo2, YE Tian-ming3, YANG Chang-geng1, LIU Xiao-yi1

(1. Shanghai Laboratory, Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China; 2. Department of Otolaryngology, Sixth Hospital of Jiaotong University, Shanghai 200233, China; 3. Institute of Acoustics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

A kind of composite pneumatic sound source based on jet and resonant model is designed in order to obtain intensive sound. This paper just concentrates on the jet model source. Compressed gas is injected into high pressure chamber, when switching on the electric circuit, the electromagnet pulls the cap, the high pressure gas spouts from the exit. The high velocity airflow can form turbulence and the intensive sound can be generated. Numerical simulation shows that the turbulence exists and the sound of 168 dB (Sound Pressure Level, SPL) can be obtained. The experiment is conducted with the self-designed pneumatic sound source. The measurement with multi-function system (Denmark, B&K 3560 Pulse) result shows that the sound SPL can reach 146 dB at the position of 10 cm from the sound source. It can be deduced that the SPL measured at the position of 1 cm from the sound pressure level will be greater than 164 dB. The experimental result is close to the simulation result. Finally, the shock wave and the distortion wave are analyzed in the paper. The pneumatic sound source can be used to test some effects of animals.

pneumatic sound source; turbulence; shock wave.

O422.7

A

1000-3630(2016)-01-0001-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.001

2015-07-20;

2015-10-10

張世功(1979－), 男, 河南鄢陵人, 博士, 研究方向為非線性聲學, 氣動聲學, 超聲檢測, 激光超聲。

張世功, E-mail: zhangskong@mail.ioa.ac.cn