Galton型高強氣流聲源的發聲特性

曹志勇，羅志浩，金東春，馬振方，張光學，周曉耘

(1. 杭州意能電力技術有限公司，浙江 杭州 310018；2. 國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江 杭州 310018；3. 中國計量大學 能源工程研究所，浙江 杭州 310018)

0 引 言

高強聲源在科研及工業等領域都有著廣泛的應用，如用于噪聲控制研究、風洞試驗、聲波清灰、超聲霧化、采油解堵和防蠟等[1-6]。現階段較為成熟的高強聲波發生器按能量轉換方式可分為化學能強聲換能器、電能強聲換能器和流體強聲換能器[7-8]。化學能強聲換能器可將爆炸時產生的能量轉化為聲能，但其發聲特性難以控制。電能強聲換能器工作穩定可靠，但受到換能效率低及功率小等因素的局限，難以用于工業。

以高壓氣體為介質的流體強聲換能器又叫氣流聲源，其發聲原理為：高速氣流經過邊界或障礙物時會引起氣流壓力擾動，而由于氣體黏性的存在，氣流將會變得不穩定，氣體會沿氣流方向產生振動從而形成周期性變化的壓力場[9]。按發聲原理可進一步分為流體動力式聲源、流體諧振式聲源和調制氣流聲源[10-13]。其中流體動力式聲源是高速流體直接噴射進入共鳴腔內產生共振而發聲，Hartmann型氣流聲源、Pohlmann型氣流聲源、旋笛以及本文研究的 Galton型氣流聲源均屬于此類聲源[14]。

流體動力式聲源具有效率高、功率大及使用方便等特點，最近在某些特定應用領域呈現出很好的發展前景[15-16]。趙云等[17]用高頻旋笛所發聲波來團聚燃煤煙氣中的PM2.5，在700 Hz 和 1400 Hz的頻率下，減排效率最高達 99%。譚力克[18]提出使用Hartmann哨陣列的方式提高聲波吹灰器的吹灰能力，通過數值模擬方法，研究中心桿長度與直徑、共鳴腔深度和噴嘴直徑對聲源聲壓級的影響。高建民等[19]設計了一款帶階梯型諧振腔的 Hartmann超聲霧化噴嘴用于霧化栽培領域，在0.1～0.5 MPa進氣壓力下，發現霧滴粒徑比普通圓柱形腔體噴嘴的小2～6 μm。田章福等[20]利用Galton哨或Hartmann哨作為聲源設計了低頻強聲實驗艙，艙內平均聲壓級在150 dB以上，可用于低頻強聲的生物效應與材料的聲學研究。宋碩等[21]使用 Hartmann哨解除地層的堵塞并降低原油的黏度，對低產井與停產井都具有較好的處理效果。

Galton型氣流聲源是一款較為成熟的聲源，目前已有不少相關研究報道，文獻[22]發現發聲頻率和聲功率受環形噴嘴與共鳴腔間距以及共鳴腔深度的影響，并對該聲源結構進行改進，改進后的聲源可在 40 kHz的頻段內穩定發聲。文獻[23]中將Galton型氣流聲源成功應用于幻燈片切換。文獻[24]中對該聲源進行實驗研究，發現了一定溫度下聲源發聲頻率與聲速的關系。此聲源具有不穩定模式、回流模式和尖聲模式三種工作模式。以進氣壓力與大氣壓的比值作為臨界壓力比，當臨界壓力比小于 1.9時，此時聲源工作模式為不穩定模式。當臨界壓力比大于1.9時，工作模式為典型的回流模式。在此臨界壓力比下，當噴嘴與諧振腔間距過小時，聲源會產生較高頻率的聲波，此時的發聲模式由回流模式變為尖聲模式[25]。

前人通過實驗已對 Galton型氣流聲源的聲場特性進行了研究，而對該類型聲源發聲時的流場與壓力變化情況、聲場分布及流體介質對發聲特性的影響尚未深入探索，相關的數值模擬研究非常少。另外，現有研究均以空氣作為流體介質，而氣動聲源在工業應用中所用氣體并非全是空氣，鋼鐵行業的壓縮氮氣和火力發電廠的高壓蒸汽也是潛在的工作介質，因此流體介質可能會對聲源的發聲特性造成影響。

本文采用試驗與計算流體力學數值模擬相結合的方法，對一款帶中心桿的 Galton型氣流聲源進行研究，得到該聲源發聲時壓力與流場的變化情況，不同進氣壓力下的聲場分布及流體介質對發聲特性的影響，并首次揭示了不同流體介質下的發聲特性，研究結果可為Galton型氣流聲源工業應用奠定理論基礎。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

帶中心桿的Galton型氣流聲源如圖1所示，其具體尺寸如表1所示。

圖1 聲源結構示意圖Fig.1 Sketch map of the sound source structure

表1 聲源結構參數Table 1 Main parameters of sound source

表1中Dn代表噴嘴直徑，Dr代表共鳴腔直徑，S代表共鳴腔深度，Dc代表中心桿直徑，L代表噴嘴與共鳴腔間距。其發聲過程為：氣流從壓力入口流入，在環形噴嘴出口產生高速氣流，氣流撞擊到共鳴腔底部，并在共鳴腔出口附近產生周期性的渦流，從而使空氣振動發聲。另外，氣流撞擊到共鳴腔進口端面時，也會產生一些聲壓級較低且頻率復雜的聲波。中心桿的作用是改變流場狀態，增強反饋流場的振蕩，且可以抑制尖叫模式的出現[26]。

聲源設計需先假定發聲頻率，根據Bergmann[24]研究得到聲源發聲頻率f與共鳴腔深度S的關系：

式中：c為聲速；k為與噴氣壓強有關的常數。計算得到S的值，然后再根據經驗和文獻中的數據，確定其他結構參數。通過數值模擬，驗證該結構是否可以達到目標頻率值，若兩者差異較小，則該尺寸參數視為可行，否則進一步調整。根據模擬驗證結果加工實物，所得實物也需測量其頻率與目標值進行驗證。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗方法

在進氣壓力保持穩定的條件下，在共鳴腔出口中心位置正上方 100 mm 處放置聲級計(杭州愛華5661型)，測量該點處聲壓級，并采集詳細的聲壓數據，以便進行頻譜分析。同時，測試不同方位的聲壓級，得到聲指向性。

1.2.2 數值模擬方法

采用計算氣動聲學(Computational Aeroacoustics, CAA)模擬方法，通過獲取靜壓變化情況，得到聲波在此點位處的有效聲壓值，再利用下式計算聲壓級LSP[27]：

式中：Pe為有效聲壓值；為參考聲壓(2×10-5Pa)。

計算幾何模型如圖 2(a)所示，選取長為 2 m、寬為1 m的長方形區域作為計算域。噴嘴入口設置為壓力入口，對稱軸設為對稱軸邊界條件，其余邊界設置為壓力出口，壓力為標準大氣壓，聲源壁面為無滑移固壁邊界，溫度設置為 300 K。采用專業的前處理軟件ICEMCFD (The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics)19.0對其進行結構化網格劃分，為保證數值計算的準確性，對流速大的區域進行加密網格，網格總數量為 2.0×105，網格質量在0.9以上。具體網格劃分如圖2(b)所示。

圖2 聲源網格模型Fig.2 Mesh model of the sound source

本文利用ANSYS FLUENT軟件，采用有限體積法、雙精度求解器對該聲源的流場進行數值模擬計算。湍流模型選用對圓柱射流、射流撞擊、旋流、二次流和漩渦等復雜流動有較好模擬效果的Realizable k-epsilon模型，近壁面處理方法采用標準壁面函數，壓力修正采用壓力耦合方程組(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations,SIMPLEC) 的半隱式算法，時間步長取 10-5s。以共鳴腔出口中心位置為圓心，對半徑100 mm的球面進行 12等分，等分點設為壓力監測點，將共鳴腔正上方監測點命名為P1。獲取檢測點壓力隨時間變化數據后，進而獲得聲壓級等聲學特性。

2 研究結果與分析

2.1 計算模型的驗證

為驗證數值計算的可靠性，首先通過實驗測量聲源發聲特性，在0.3 MPa進氣壓力下，聲源能夠持續且穩定地發聲，以此得到了噴嘴與共鳴腔間距L=20、23、25、27、30、33、35、38、40 mm 時的聲壓級，并將實測結果與模擬結果進行對比，如圖3所示。實驗測得的聲壓級數據與模擬數據總體趨勢一致，聲壓級隨L的波動是由湍流的不穩定結構造成的，聲源發聲時會產生一定單位長度的激波，從而形成一定的湍流不穩定區域。進入湍流混合區，噴嘴處射流會對周圍空氣形成速度擾動，急劇增加周圍空氣的共振趨勢，從而增大聲壓級，而進入湍流穩定區則共振趨勢會明顯下降，聲壓級也隨之下降，因此聲壓級會隨 L的變化產生較大的波動[25]。各工況的偏差基本小于1 dB，模擬與實驗的平均相對誤差為0.77%，最大相對誤差為1.23%，誤差較小。同時，考慮到實驗過程中空氣流動情況較為復雜，可能會導致實驗結果出現誤差，因此模擬結果具有一定的可靠性。

圖3 實驗工況與模擬工況聲壓級對比圖Fig.3 Comparison of SPLs between experimental and simulated conditions

2.2 流場與聲壓

在0.3 MPa進氣壓力下，監測點P1的壓力隨時間變化規律如圖4所示。結果表明，該點壓力振幅為635 Pa，且按正弦曲線規律作周期性變化，周期T為1.4 ms，該聲源正處于穩定發聲狀態。為進一步掌握聲源工作時的流場，在同一個聲波周期內選取4個時刻，其速度分布與壓力分布如圖5和圖6所示。

圖4 監測點位壓力波動圖Fig.4 Pressure fluctuations at monitoring point P1

圖5 一個周期內氣流速度變化圖Fig.5 Airflow velocity change in one period

圖6 一個周期內聲源壓力變化圖Fig.6 Pressure change of sound source in one period

圖5(a)為發聲周期的初始時刻，氣流經過噴嘴壓縮后以較快速度射入共鳴腔內部，與共鳴腔底部發生碰撞，形成回流。回流氣體被噴射氣流阻擋，導致大量氣體滯留于共鳴腔內，從而使共鳴腔內壓力增大，此階段共鳴腔內壓力變化過程為圖6(a)～6(b)。

如圖 6(b)所示，此時共鳴腔內壓力處于最大值，被壓縮的回流氣體將對噴射氣流產生較強的作用力，導致噴射氣流偏離并流出共鳴腔，如圖5(b)所示。噴射氣流方向轉向腔體外側。此時，共鳴腔內的回流氣體會被噴射氣流裹挾排放至腔體外側，腔內壓力不斷減小，此階段共鳴腔內壓力變化過程為圖 6(b)～6(c)。

緊接著，如圖6(d)所示，當共鳴腔內部與外界壓力接近時，共鳴腔內回流氣體逐漸減少，對應氣流速度見圖5(c)和5(d)所示，此時噴嘴出口氣流方向逐漸回到初始狀態。

以上聲源中氣流的速度和壓力變化揭示了發聲的過程和基本原理，與經典的氣流聲源回流工作模式相吻合。

2.3 聲場空間分布

在噴嘴與共鳴腔間距為25 mm的條件下，改變進氣壓力，得到各個監測點處的壓力值與其對應的聲壓級，結果如圖7所示。結果表明，該聲源在不同進氣壓力下，聲場空間分布相同，具有一定的聲指向性。當進氣壓力為0.3 MPa時，共鳴腔后側軸線處聲壓級達到最大值，為153 dB，并隨著角度的增加，聲壓級逐漸減小，在180°方向上達到最小值，為144 dB。這是由于聲波在傳遞至共鳴腔后方時，在0°處發生重疊，從而增大了此處的聲壓級。其他方向也會存在聲波的重疊，但是因為聲波衰減的原因，其他方向聲壓級的增長幅度比0°處小，因此聲壓級在0°處最大。

由圖7可知，各監測點位處聲壓級隨進氣壓力的增加而變大，其主要原因是進氣壓力的增加使噴射氣流的速度增大，從而加劇了氣流之間的擾動，增大了壓力的振蕩幅度。進氣壓力增加時，各監測點處的聲壓級增長情況各不相同，0°處增幅最大，并隨著角度增加而減小，在180°處增幅最小，進一步證明了該聲源具有較強的聲指向性。

圖7 L=25 mm時不同進氣壓力下聲場的空間分布Fig.7 Spatial distribution of sound field under different inlet pressures and L=25 mm

2.4 流體介質對發聲特性的影響

為研究流體介質對聲源發聲特性的影響，選擇空氣、氮氣及水蒸氣這三種來源廣泛、價格便宜，適合作為工業氣源的流體介質進行數值模擬。在不同的進氣壓力下，三種流體介質產生的聲壓級數據如表2所示。結果表明，進氣壓力相同時，氮氣的聲壓級最大，空氣次之，水蒸氣最小。

表2 三種流體介質在不同進氣壓力下的聲壓級Table 2 Sound pressure levels for three fluid media at different inlet pressures

圖8為三種流體介質在0.3 MPa進氣壓力下的頻譜分析結果。由圖8可知，進氣壓力為0.3 MPa時，三種流體作為介質發聲時的主頻分別為 647、666和 838 Hz，而壓力波動的幅度為 819、799和613 Pa。其中氮氣的主頻最小，壓力波動的幅度最大；水蒸氣的主頻最大，壓力波動的幅度最小；空氣的頻率與振幅均介于兩者之間，這說明不同流體介質發聲時的頻率與振幅具有一定的關系，即發聲頻率越大，對應的壓力波動的幅度越小。產生這樣結果的原因可能是，三種介質在同一進氣壓力下發聲時產生的能量相差不大，而產生的能量會轉換成空氣振動的次數與大小，即聲音的頻率與聲壓振幅，因此在能量一定的情況下頻率越大，聲壓振幅越小。

圖8 三種流體介質在0.3 MPa進氣壓力下的頻譜分析Fig.8 Spectrums of sound pressure for three fluid media at 0.3 MPa inlet pressure

根據公式(2)中聲源發聲頻率與聲速的關系，發聲頻率與聲速呈正比，而聲速與介質密度呈負相關，因此密度較小的水蒸氣頻率較高。由于空氣中含有體積分數為78%的氮氣，兩者物性較為接近，因此發聲特性也十分接近。

綜合對比三種流體介質的發聲特性，氮氣作為流體介質可以提供更大的聲壓級；水蒸氣在提高發聲頻率上有明顯優勢；空氣介于兩種介質之間，但來源廣泛，經濟性高。

3 結 論

本文通過試驗和數值模擬方法，對一款帶中心桿的Galton型氣流聲源進行研究，分析了該聲源工作時流場與壓力場的變化規律，獲取進氣壓力對聲場分布的影響和流體介質對發聲特性的影響，得出以下結論：

(1) 該氣動聲源穩定發聲時，腔體內部流場與壓力場均呈周期性變化，并與腔體外部監測點處的壓力波動相對應。

(2) 在不同進氣壓力下，聲場的空間分布基本相同，具有較強的聲指向性。共鳴腔后側軸線處，聲壓級達到最大值，為153 dB，且聲壓級隨角度的增加逐漸減小，并在180°處達到最小值，為144 dB。進氣壓力增加時，不同方向的聲壓級增長情況各不相同，0°處增幅最大，并隨著角度的增加而減小，在180°處增幅最小。

(3) 進氣壓力一定時，氮氣的聲壓級最大，空氣次之，水蒸氣最小。進氣壓力為0.3 MPa時，三種流體介質的發聲特性不相同，密度較小的水蒸氣頻率較高，且頻率與聲壓振幅呈負相關，即頻率越大聲壓振幅越小。