[科普中国]-声学试验风洞

简介

风洞试验是开展气动噪声产生机理研究的重要手段，也是验证气动降噪优化设计最直接、有效的方法。气动声学试验最主要的目的是精确地测定出气动噪声源产生的区域，并测得声频谱和声强度（如声压级等）的空间分布，为噪声控制和降噪处理提供技术支持1。

原理估计和寻找产生噪声的声源是声学测量的重要的工作，噪声源识别的本质在于正确地判断作为主要噪声源的具体发声部件，从而为实施噪声的控制提供指导依据。在风洞中进行气动声学试验，被测对象由于来流的影响，会在多个区域产生不同频率和强度的气动噪声。传统的测量方法利用单个传声器收集整个声场内的声压信号，通过计算得出单个传声器的频谱和声压级。由于测试结果包括风洞背景噪声和试验体产生的气动噪声，很难将两者精确地分别出来，同时无法获得整个声场的声源分布情况，因此需要发展特殊的测量装置和处理技术对气动噪声源进行识别与定位。

声学聚焦镜技术声学聚焦镜是一种早期在风洞中用于声源定位的测量装置，在 20 世纪 70 年代，Grosche 和 Kendall 就利用该技术在风洞中对飞行器表面噪声进行定位测量，并取得了一定的效果。声学聚焦镜的工作原理为：在椭圆形凹曲面镜的聚焦点 B 处安装一只无指向性传声器，而另一个聚焦点 A 则位于声源可能存在的扫描平面上。当位于 A 点的声波的波长 λ 同时小于曲面镜直径 D和 A、B 两焦点之间的距离 L 时，经曲面镜反射后聚焦于 B 点，这时传声器感受到的声压远大于自由声场的声压。而扫描平面其他位置的声源经曲面镜反射后不能聚焦 B 点，由此可以判定扫描点处是否存在声源。然而，声学聚焦镜的工作原理决定了其只能对某一区域的单一频率的噪声进行放大，对于频率范围较大的气动噪声进行测量时，需要不断地调整曲面镜的位置，因此试验效率较低，试验成本较高，并不适用于对气动噪声源的快速定位与识别。

近场声全息技术近场声全息（Nearfield acoustic holography，NAH）是上世纪 80 年代由Maynard 和 Williams 提出的一种用于噪声源识别和声场可视化测量技术，其基本原理是在紧靠被测声源物体表面的测量面上利用多个传声器记录全息数据，通过空间声场变换算法重构三维空间声场，从而实现定位声源的目的。

波束形成技术波束形成（Beamforming）是一种适合于中远距离声源成像的识别技术。该技术使用一组空间位置已知的传声器组成相控阵列，通过对每个传声器测得的声压信号进行“相位延时与求和”的信号处理方法，计算出声波到达每个传声器的传播途径和传播时间，将同一时刻各传声器信号调整到相同的相位，同时通过求和处理以增强聚焦点处的声源强度。通过改变各信号的延迟时间，就能设定阵列聚焦的位置，并且不用移动阵列就可以得到整个区域的声场映射图。

航空声学风洞特点近代新建的航空声学风洞具有如下特点:较大口径的试验段(试验段当量直径≥5m);试验段采用开口射流形式(全开或3/4开口);最大风速在80m/s左右;有一个宽阔的试验大厅,并且其壁面、地板和天花板要经过声学处理,使之成为无回声或半无回声大厅;风洞回路的各部件,包括风扇动力系统、动力段、拐角导流片、拐角段、等直段、收集器、第一扩散段、模型支撑都要经过不同方式的声学处理,使风洞的背景噪声达到设计指标2。

试验内容航空声学风洞的声学处理一般采取如下措施:

(1)低噪声风扇设计。

(2)开口试验大厅的所有壁面和天花板都要做声学处理。

(3)拐角导流片做声学处理。

(4)收集器边缘做声学处理,以确保试验大厅无回声的试验环境并减少剪切层与收集器边缘的碰撞产生的噪声。使用多层坚固的吸声材料覆盖收集器边缘及内表面能有效地吸收收集器产生的噪声,并达到气动光滑。

(5)最好对四个拐角段、第一扩散段、两个等直段、风扇段的壁面都做声学处理。