赛为斯声学大讲堂丨涡流噪声的产生机理及其特性

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文章出处：技术资讯网责任编辑admin 阅读量：发表时间：2020-12-24 15:07

气流流经障碍物时，由于空气分子粘滞摩擦力的影响，具有一定速度的气流与障碍物背后相对静止的气体相互作用，就在障碍物下游区形成带有涡流的气流。这些涡旋不断形成又不断脱落，每一个涡旋中心的压强低于周围介质压强，每当一个涡旋脱落时，湍动气流就会出现一次压强跳变，这些跳变的压强通过四周介质向外传播，并作用于障碍物，当湍动气流中压强脉动含有可听声频成分，且强度足够大时，则辐射出噪声，称为涡流噪声或湍流噪声。
电线被大风吹而产生的噪声，狂风吹过树林的呼啸声，均是生活中常见的涡流发声现象。当物体以较高的速度在气体中通过时也能产生涡流噪声，如在空气中挥动藤条或竹杆就能发出与风吹电线一样的噪声。总之，气体与物体以较高的速度相对运动就能产生涡流噪声。
下面对涡流噪声的产生机理和涡流噪声的特性进行简单的分析：
可选择一个形状简单、表面规则光滑的圆柱体，研究气体流过这个圆柱体时的流动状态。将圆柱体置于速度恒定的气流中，其轴线与气流方向垂直。气流流经圆柱体时沿圆柱体的表面分流，并在圆柱体背后两侧交替出现旋转方向相反的涡流。涡流以比气流速度为低的速度离开圆柱体，形成两条涡旋列，如图1所示的涡流轨迹，这种涡旋轨迹称为“卡门涡列”。只有雷诺数较低 (30~70) 时，才能形成规则的涡列。若两列涡旋相距为h，每侧的两个相邻涡旋相距为l，则卡门涡列满足以下关系：

实际上，可听到涡流噪声，一般多是高速气流通过形状不规则的物体时形成的，所以，涡旋的形成、脱落以及排列全是无规则的和不稳定的，频率成分往往呈无规宽带特性。但是，对于几何形状简单的物体来说，涡旋的形成、发展到脱落，大体有一定的周期性。因此，尽管涡流噪声是一系列脉冲压强的作用结果，应具有宽带噪声特性，但同时也具有较为突出的频率成分，其峰值频率可用下式计算：

d 由喷口直径改为物体特性尺寸。

图1 卡门涡列

每当一个涡旋脱落时，就产生一个作用于障碍物的脉动力，作用方向与气流流动方向一致，所以在连续脉动动力作用下的障碍物产生类似振动球那样的运动，因此，这种涡流噪声源属于偶极声源。涡流噪声的声功率与气流速度的六次方成正比。
气流管道中的障碍物及管道中的支撑物、导流片、扩散器等，由于涡流也会产生噪声。阀门会导致涡流的产生，从而激发涡流噪声，这种涡流噪声常常因为与障碍物的固有频率相吻合而产生放大噪声的现象。
设气流管道中的障碍物垂直于气流运动方向的截面尺寸远小于管道的截面尺寸，可以认为流经障碍物的气流速度比管道中气流的平均流速不会高很多，噪声主要是气流与物体相互作用的结果。涡流的产生和脱落，产生作用于障碍物的脉动力；障碍物振动激发的噪声沿管道传播出去。
涡流噪声的声功率 (W) 可用下式近似估算：

式中，k 为经验常数，由实验得出圆形管道的常数k=2.5×10⁻⁴；ρ 为气体密度 (kg/m³)；c 为声速 (m/s)；D 为管道直径 (m)；ΔP 为障碍物前后的气体压力差 (N/m²)。
为降低噪声，应减少气流管道中障碍物的阻力，如把管道中的导流器、支撑物改进成流线型，表面尽可能光滑，就可减小噪声；也可调节气阀或节流板等，并采用多级串联降压方法，以减弱噪声功能。

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