射流噪声是一类典型的、最基础的气动噪声源,具有十分广泛的工程应用背景[1,2]。例如,航空发动机的射流噪声就是航空发动机最主要的噪声源之一[3],尤其是在飞机起飞阶段,发动机射流噪声是低频段噪声最主要的来源。射流噪声实验是射流噪声研究的最主要手段之一。为避免射流噪声测量受到气候、环境参数以及地面反射声干扰等因素的影响,射流噪声实验研究设备大多建设在室内的消声环境中,采用缩比模型进行试验研究[4,5,6,7,8,9,10,11]。射流噪声模拟实验台建成后,需对声学测量技术进行大量精细的研究,在此基础上对射流噪声模拟实验台的声学性能进行考核,并与国际上已发表的权威文献结果进行比对,以确保测得的射流噪声实验数据真实且可信,从而为射流噪声的性能评估、机理研究、降噪措施研究等提供支撑。

射流噪声研究中,通常将射流及其噪声的影响区域分为流场区域,远场声传播区域以及位于二者之间的近场声区域,如文献[12]所述。射流噪声的测量可以分为近场声测量和远场声测量。通常前者用于分析由流场结构产生的向远场传播噪声的机理以及研究声源强度的分布特性[13],后者用于评估射流噪声的远场辐射特性,如将实验室测得的缩比模型射流噪声结果向远场外插到真实场景的测点位置。远场声和近场声的区分就在于获得的噪声信号是否满足球面波衰减特性,即每当测点到声源的距离增加一倍时,声压级减小6dB。当满足该特性时,就认为该噪声测量的是远场噪声,即满足了所谓的远场测量条件。一方面,只有当测点距离声源足够远时,才能够忽略射流噪声源的非紧致性,将射流噪声源近似为点源,以使得射流噪声满足球面波衰减特性。另一方面,只有测点距离射流足够远时,才能使得测点不受近场流场压力脉动的影响,测得的是“纯净的”向远场传播的声波信号。

受测量空间和成本的制约,消声室内的射流噪声模拟实验所用的喷口,其直径大多在10cm以内。若要用实验室的数据去预估航空发动机的射流噪声,其缩比通常在1∶5～1∶20附近。射流噪声的频谱谱形以St数为横坐标进行归一化时具有较高的相似性[14,15]。其中St数定义如下

St=fD/uj         (1)St=fD/uj         (1)

式中:f为射流噪声目标频率,Hz;D为射流喷口直径,m;uj为射流核心区速度,m/s。

由此可知,St数恒定时,射流噪声喷口尺度越小,其所关注的频率范围越高。对于采用缩比模型的射流噪声模拟实验,其所关注的频谱范围需向高频扩展,通常可达50kHz以上。高频噪声信号受空气吸声效应的影响很大,如在环境温度15℃,相对湿度50%条件下,4m测量距离,80kHz声波因空气吸声而衰减达12dB。同时射流噪声频谱的高频区域声压级与频率对数呈近似反比关系,射流噪声高频段噪声声压级较低。以上两因素导致射流噪声高频远场测量时,传声器得到的目标噪声信号值很低。此外,传声器在40kHz以上普遍存在较高的电磁本底噪声。图1为位于极角90°,距射流出口截面中心4m远的传声器,在射流速度200m/s时测得的射流噪声与传声器自身电磁本底噪声频谱的对比。由结果可明显看出,传声器测得的高频段噪声异常增加的现象其实是由传声器自身本底噪声的影响造成的。因此要使得测量结果在高频段真实可信且具有足够的信噪比,远场传声器测点距离射流喷口出口中心不能太远,以使得高频段目标噪声远大于传声器本底噪声。

图1传声器测得的射流噪声与自身本底噪声的对比

综合以上因素,要准确测量射流噪声的远场传播特性,要么就是在严格遵守射流噪声远场条件的情况下,尽量靠近喷口出口中心,同时对射流高频特性及传声器本底噪声进行综合评估;要么就全面掌握射流噪声远场传播特性,通过适当的方法对远场边界以内的传声器结果进行修正,使得其测量的结果满足使用需求。后者对于在较小型的消声室内进行射流噪声测量相当重要。

射流噪声是否满足远场条件与射流噪声的声源尺度,目标分析频率,射流速度,测量点的极角位置等均有关系。目前专门针对射流噪声最小远场边界确定问题,国内外系统化的研究相对较少,且所得的结论也不完全一致。通常声源尺度越大,远场边界越远,故通常将该距离以喷口尺度进行无量纲化。Viswanathan[16]通过对比不同距离测量得到的噪声的频谱谱形,认为远场测量距离应至少35D(本文中D均表示喷口直径),才能满足射流频谱谱形的相似性。Cliff等[17]对比了极角90°、30°位置,不同测点距离的频谱,认为当远场测量距离大于50D时,才能保证高频测量结果的误差小于0.5dB。Ahuja等通过改变传声器到喷口出口截面中心距离,测量不同频段声压级是否满足点源球面波衰减条件来确定最小远场边界,认为远场测量距离应至少大于54D。就目前研究进展来开,不同文献给出的结果并不一致,且对最小远场边界进行的系统研究仍显不足,如未能综合考虑射流风速、极角位置、目标频率等因素对远场测量的影响。而对于针对射流噪声远场测量的修正方法的研究,目前还没有文献涉及。

本文利用中国空气动力研究与发展中心(CARDC)的射流噪声模拟实验台,系统地研究了不同风速、不同极角、不同频段下测得的射流噪声随测量距离的变化规律,以此为基础获得了射流噪声测量的最小远场边界,同时给出了不满足远场条件的情况下的射流远场测量结果的修正方法。本研究为获得高质量的射流噪声数据提供实验理论指导与数据支撑。

1、装置及测量方法

1.1 射流模拟装置

本项目所采用的消声室内的射流模拟装置照片如图2所示。

该射流模拟装置建立在全消声室内。消声室净空间尺寸为10.8m(长)×8.4m(宽)×7.0m(高),消声室截止频率100Hz。消声室满足ISO-3745标准,本底噪声仅7dBA。射流模拟的动力来源于CARDC的2MPa、20000立方中压气源,通过两级调压控制系统对目标压力进行控制。控制精度0.1%,最大供气质量流量为2kg/s,核心区射流速度最大可达1.7Ma。

1.2 数据采集与处理方法

本实验测量传声器的布置方式如图3所示。射流喷口直径D=50mm,在射流轴线同高平面,以射流喷口出口中心为原点,半径r处等布置测点,可覆盖极角范围30°～120°。试验时,测量半径在1.25m～3.5m范围内进行调节,以喷口直径进行无量纲化,测量半径为25D～70D(D为喷口直径)。

图2CARDC射流模拟装置照片

图3射流噪声装置及测量布置图

噪声信号采集采用G.R.A.S.1/4英寸自由场传声器46BE,前置放大器为G.R.A.S.26CB。传声器及放大器的分析频率范围为:4Hz～100kHz;动态范围:35dBA～160dB;灵敏度:4mV/Pa。数据采集系统采用BBM-PAK噪声振动测试分析系统,采样频率最高可达204.8kHz。

试验时,采样时间设为20s,采样频率204.8kHz。数据频谱分析采用Welch求功率谱的方法进行,每个数据块长度为8192个数据/块,分析的窄带信号频率间隔为25Hz,最终数据转换成1/3倍频程声压级频谱。

本项目所关注的射流噪声频率上限高达80kHz,此频段范围内,传声器保护罩、传声器频响特性、空气吸声效应等因素对测量结果的影响不可忽略。为此本项目传声器采用去保护罩的形式进行声学测量[18],并进行了传声器频响特性修正、空气吸声效应修正[19]。

本装置测得的噪声数据与相关文献[5,16,17]对比结果如图4所示。图中纵坐标为1/3倍频程声压级,针对不同射流工况进行了归一化处理。横坐标为St数(St=fD/uj)。

图4射流噪声测量结果对比

不同的射流模拟装置由于射流尺度、上游流场条件等不尽相同,射流噪声频谱也略有差异。由图4可知,CARDC射流模拟装置与国际主流的射流模拟装置测得的噪声结果一致性很好,具有极低的干扰噪声水平。

2、射流噪声远场边界研究实验结果

2.1 远场传声器归一化频谱谱形随距离的变化

图5和图6分别给出了不同射流速度条件下,极角90°方向和极角30°方向不同测点距离的1/3倍频程频谱结果。

图中纵坐标的声压级已扣除了不同测量距离的影响,方法如下式所示

SPL=SPLi+20lgri         (2)SΡL=SΡLi+20lgri         (2)

式中,SPLi为距离ri位置处的传声器测量声压级结果(该结果已进行了空气吸声修正)。图中测量距离以喷口直径D进行了无量纲化。如无特别说明,下文所涉及的频谱均已按式(2)扣除了测量距离的影响。

不同测量距离得到的射流噪声远场频谱的谱形略有不同,随测量距离的增加,射流噪声归一化频谱逐渐趋于一致,测量距离大于45D以后,进一步增加测点距离得到的射流噪声声压级频谱波动在1dB以内。

由图5可知,在射流上游方向90°极角位置,随距离的增加,低频段(5000Hz以下)的声压级有较为明显的增加;在中高频段(5000Hz以上)一致性较好。由图6可知,下游方向极角30°位置,测量距离对射流噪声频谱特性的影响更为突出,且主要影响区域在中高频段。随着测量距离的增加,射流噪声归一化频谱峰值向低频移动,高频段声压级减小。

由图5和图6可知,亚音速条件下射流速度对射流噪声频谱谱形随距离的变化规律所产生的影响较小,随射流速度的增加,不同测量距离引起的射流噪声声压级归一化频谱的波动的量值略有增加。值得注意的是当射流Ma>1时,射流上游极角90°方向测量得到的归一化频谱谱形随距离的变化更为明显,这与激波噪声主要影响区域在上游方向[20]有关。该结果说明激波噪声产生以后,最小远场边界应更远。

图590°极角方向不同测点距离频谱结果对比

图630°极角方向不同测点距离频谱结果对比

对比图5、图6可知,测量距离对射流噪声频谱特性的影响在下游方向极角30°位置要明显大于上游方向90°极角位置。

2.2 远场传声器频域声压级随距离的变化

图7给出了在射流核心区速度0.6Ma时,极角90°和极角30°位置时所测得的不同频率下射流噪声声压级随测量距离的变化结果。图中横坐标是指测点到喷口出口截面中心的距离,以喷口直径D为基准进行了无量纲化;纵坐标为目标频率下测得的射流噪声信号的声压级。为将不同频率的结果放在同一张图上以方便进行对比研究,对不同频率下的声压级绝对值进行了平移处理。图中虚线表示点声源远场传播时的球面波衰减特性,即距离增加一倍,声压级减小6dB。如所得结果与此曲线吻合,则表明该结果符合远场测量条件。

由图7可知,测点位置离喷口出口截面中心距离较小时,所得结果会偏离理论曲线的结果,且当测量距离不满足远场测量边界时,相比上游测点,下游方向测点所产生的误差更大。该影响规律与前文通过对比不同测量距离频谱所得的结论一致。由图7结果可知,远场测点的最小远场边界应至少大于45D才能够使得测量结果不出现较大误差,该结论也与前文结果一致。

综上,在确定射流噪声远场测量边界时,需综合考虑射流噪声测量极角和射流速度等因素的影响。亚音速射流的上游方向,即使测量距离较近,所得到的归一化的频谱也具有很好的一致性,测量距离只要大于25D,由不满足远场测量边界所引起的测量误差小于2dB。随着射流速度的增加,以及测点位置向下游方向移动,射流噪声远场边界条件对射流噪声频谱谱形的影响逐渐增加。文献[16]通过仅对比上游90°极角方向射流噪声频谱谱形随距离变化得到的结论(远场测量距离应至少35D)过于宽松。由图5～图7可知,综合考虑不同极角和不同射流速度的影响,要使得不同测量距离得到的射流噪声频谱声压级误差在1dB以内,测量距离应至少大于45D。

图7Ma=0.7，不同频率射流噪声声压级随测点到喷口出口中心距离的变化结果

3、实验结果的机理分析

前文所述实验结果与射流噪声自身的特性密切相关。距离较近时的测量结果偏离远场测量结果主要由两部分原因引起,其一是测量距离较近时测量结果会受到近场压力脉动的影响,通常这个脉动的量值会随距离的增加而指数衰减,在距离测量较远时,其影响就可忽略。另一原因是和射流噪声声源的非紧致性有关,当测点布置距离喷口较近时,射流噪声源已不满足点源近似了。Tam等[21,22]认为射流噪声具有双声源机制,上游方向的射流噪声主要由射流唇口附近剪切层内的湍流脉动引起,而下游方向的射流噪声与射流剪切层内的大尺度波包结构密切相关,其主要声源位置位于射流核心区末端,尺度更大,其声能主要集中于中低频段。多种射流噪声声源定位的结果[23,24]表明,高频段声源主要集中在射流喷口附近,而低频段声源集中于射流核心区末端。通常,射流噪声远场测量时,传声器布置位置是以射流喷口出口截面中心为原点,而射流噪声低频段主要声源位置的实际上位于射流核心区末端。实际声源位置与传声器布点中心位置(名义声源位置)的差异也导致了射流噪声频谱谱形随测量距离改变而发生变化。由于声源实际位置的下移,传声器以射流喷口出口截面中心为原点布置时,上游方向测点距离声源的实际距离比名义距离大,下游方向测点距离声源的实际距离要比名义距离小。因此,90°极角附近的测点,随着测量距离的减小,所测得的归一化后的噪声频谱在低频段,由于实际距离的偏大而声压级减小,因此产生了图5所示的结果。

假设低频段主要声源位于核心区末端位置,即喷口下游10倍喷口直径处,如图8所示。此时,声源到传声器的实际距离应为

rreal=r2+(10D)2−−−−−−−−−−√         (3)rreal=r2+(10D)2         (3)

式中:r为传声器到喷口出口截面中心的距离;D为喷口直径。

图8实际声源相对传声器位置示意图

根据声源到传声器的实际传播距离,进行空气吸声修正后,代入距离的归一化公式(2),即可得到距离修正后的结果。图9给出了Ma=0.8时,距离修正前、后的频谱对比。由图可知,进行距离修正后,低频段的声压级误差明显降低。该结果也说明了,90°极角方向,不同位置处测得的声压级差异在低频段主要是由声源实际位置并不位于喷口出口截面中心而是位于射流核心区末端引起的。采用距离修正后,不同测量距离得到的声压级误差在1dB以内。

图9不同声源位置计算得到的频谱对比

同时,由于声源实际位置的下移,各测点所在的真实极角位置与名义极角位置也存在一定差异。随测量距离的减小,真实极角相对名义极角的差量逐渐增加。而随射流噪声测量极角的增加,射流噪声频谱高频段声压级增加,低频段声压级减小,射流噪声归一化频谱有向高频方向偏移的特性[25]。以上因素使得远场测点距离较小时,射流噪声归一化频谱峰值向高频移动,低频段声压级减小,高频段声压级增加,出现了如图6所示的规律。

此外,射流噪声下游方向测得的噪声中与射流剪切层内的大尺度波包结构相关部分噪声占比更大,其声源影响尺度更大,也导致了该方向上声压级的频谱随测量距离的变化更加敏感。

4、不满足远场条件时声学数据修正方法研究

由前述结果可知,不同测量距离引起的射流噪声远场测量的频谱谱形差异与射流速度、目标频率以及测量极角密切相关。本修正拟针对亚音速射流,在固定极角位置(30°和90°),对不满足远场测量条件的结果,考虑不同射流速度和目标频率的影响,进行适当的修正。

本修正方法以70倍射流喷口直径D的测量距离处的噪声声压级频谱为基准,其它距离测得的噪声频谱结果减去这一基准得到了不同频率下声压级差量随测量距离的变化结果如图10所示。

图10不同测量距离测得的声压级差异结果

由图10可知,不同频率的声压级差量随测量距离的变化规律可采用简单的线性关系进行拟合,如下式所示

ΔdB=(Rtest−70)*Slope         (4)ΔdB=(Rtest-70)*Slope         (4)

式中:ΔdB为某测点在1/3倍频程某频率下的声压级结果与70D远场测点相同频段结果的差量;Rtest为测点到喷口出口截面中心的距离,以喷口直径D进行无量纲化处理;Slope为图10线性拟合得到的曲线的斜率。

由此求得不同射流速度、不同目标频率下的拟合曲线斜率结果如图11所示。

图11拟合曲线斜率随频率的变化结果

图11中的曲线可采用如下公式拟合

Slope=Alg(5−lgf)+B         (5)Slope=Alg(5-lgf)+B         (5)

其中:

A=0.0001751V+0.0263B=0.0001067V−0.0206A=0.0001751V+0.0263B=0.0001067V-0.0206

式中:V为射流速度,m/s;f为1/3倍频程分析频率,Hz。

由式(4)、(5)即可得到射流上游90°极角方向,当测量距离不满足远场条件时的,不同频率下声压级的修正量。修正后,90°极角方向不同测量距离得到的频谱结果对比如图12所示。由图可知,修正后不同测量距离得到的频谱声压级差量在1dB以内。

根据同样的方法可得到30°极角位置处的修正方法及结果。图13为30°极角位置,不同风速下,声压级差量随距离变化的拟合曲线的斜率随频率的变化结果。图中曲线拟采用多段拟合的方式进行拟合,在频率5000Hz以下,采用二次曲线拟合,在5000Hz～12000Hz、12500Hz以上分别采用线性拟合。拟合公式如下

Slope= ⎧⎩⎨⎪⎪Algf2+Blgf+C,D,Elgf+F,f≤50005000<f≤12500f>12500         (6)Slope= {Algf2+Blgf+C,f≤5000D,5000<f≤12500Elgf+F,f>12500         (6)

其中:

A=-0.001007V+0.0882

B=0.005793V-0.5297

C=-0.0079644V+0.7433

D=-0.0001427V-0.0248

E=-0.0001373V-0.0581

F=0.0004473+0.2211

式中:V为射流速度,m/s;f为1/3倍频程分析频率,Hz。

图12修正后不同测量距离的频谱谱形结果(极角90°)

图13拟合曲线斜率随频率的变化结果(极角30°)

采用式(6)修正后,30°极角方向,不同测量距离得到的频谱结果对比如图14所示。

由结果可知,对于30°极角方向,修正后的效果不如90°极角方向,修正后不同测量距离得到的频谱声压级差异在2dB以内。

需要指出的是,以上修正公式的使用范围仅限于射流速度在170m/s以上的亚音速射流,传声器测量位置应距离射流喷口出口中心至少20倍喷口直径以上。如传声器距离射流过近,其测量结果会受到射流近场压力脉动的影响,导致测量结果与远场测量结果存在较大的差异。

图14修正后不同测量距离的频谱谱形结果(极角30°)

5、结论

本文针对射流噪声测量中的远场测量边界问题进行了系统研究。主要结论如下:

(1)射流噪声远场测量距离必须大于最小远场边界,以使得测得的远场噪声数据具有较高可信度。

(2)测量距离不满足远场测量边界条件时产生的测量误差在射流的下游方向要比上游方向更为明显。

(3)亚音速条件下射流速度对射流噪声频谱谱形随距离的变化规律影响较小;当射流速度达超音速,出现激波噪声时,上游方向射流噪声测量距离对射流噪声频谱特性的影响明显增加。

(4)综合考虑各因素,射流噪声远场测量时最小远场边界的应满足不小于45D。

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