声学原理_第四讲-2013

§1.5 声源基本发声机理与理论
§1.5.1 引言 §1.5.2 基本声源发声机理与理论 § 1.5.2.1 1 5 2 1 单极子源发声机理 § 1.5.3.2 偶极子源发声机理 § 1.5.4.3 四极子源发声机理 § 1.5.4.5 运动点源机理 § 1.5.4.4 声源基本理论 § 1.5.3 分布声源 § 1.5.4 辐射阻抗 § 1.5.5 航空噪声源
19
§1.5.3 分布声源（示意图）
2010§1.5.4 Nhomakorabea辐射阻抗
辐射阻抗表述媒质对振动面运动的反作用，其定义 为辐射力 Fr 与表面速度 v 的比 ( Fv / v) 。 – 辐射力是在运动方向上表面压力的总和，它对于 克服辐射压力对声源的反作用是必要的； – 辐射阻抗包括辐射阻和辐射抗两部分。辐射阻的 存在表明有声功率辐射，而辐射抗是由振动时附 加的同振质量引起的。
其中，马赫角：
a = cos-1 M a2 - 1 Ma = sin i -1 p 1 < Ma 2
r+
O
r16
8
§1.5.2.4 运动点源(续)
观察者(O点)与声源运动方向的夹角：
d = cos-1 M a ( X - Ut ) M a X - Ut
式(5)意味着r存在两个有效正实根或观察者同时接收到 两次声源辐射的条件是观察者必须位于运动产生的马赫 锥内。
(3)
15
§1.5.2.4 运动点源(续)
由上式不难看出，对于亚音速运动，r只有一个正的实根；对于超 音速运动，r存在两个正实根的条件为：
[ M a ( X - Ut )]2 + (1 - M a2 ) X - Ut > 0
2
(4) (5)
或：
M
2 a a
- 1
M
/
M M
a a

(X - U t) < 1 X - U t
◆ 飞行器的速度超音时，其前端与尾部会分别出
现一道激波。由激波产生的噪音就是声爆。
◆ 声爆会影响飞行器经过的区域，影响范围呈放
射状散开，造成很大程度的噪声污染。 声爆是一种脉动声源，所以对飞行器的结构 有一定的破坏作用。
◆
返回
29
典型大涵道比涡扇发动机声源
返回
30
15
喷流噪声
返回
31
燃烧噪声
将(2)代入(1)可得
r= =
2 ( x - Ut ) + (1- M 2 )( x 2 + x 2 + x 2 - U 2 t 2 )]1/ 2 M a ( x1 -Ut ) [ M a a 1 1 2 3 2 1- M a 2 2 ) X - Ut }1/ 2 M a ( X -Ut ) {[ M a ( X -Ut )]2 + (1- M a 2 1- M a
B
2 + x2 r = c(t - t * ) = {( x1 -U t * ) 2 + x2 3}
1/ 2
由上式可以得到一个关于发射时间 解出 t * ：
t * 的二次方程，从而
14
C （1）
7
§1.5.2.4 运动点源(续)
2 )( x 2 + x 2 )]1/ 2 ct - M a x1 [( x1 - Ut ) 2 + (1 - M a (2) 2 3 t = 2 c( (1 - M a ) *
21
§1.5.5 航空噪声源
主要航空噪声源: 飞机机体噪声（高升力装置、起落架 ） 声爆 航空发动机气动噪声
风扇/压气机噪声 涡轮噪声 燃烧噪声 喷流噪声
22
11
Thank you very much for your attention!
23
飞机机体噪声
High lift device
Slat
单极子
偶极子
四极子
18
9
§ 1.5.3 分布声源
若源区并非足够小即构成分布声源。 分布声源可用多个基本点声源来描述。 分布声源可用多个基本点声源来描述 从空间分布来看，分布声源包括线源、面源与体源，空 间辐射声场在数学上对应着线积分、面积分与体积分。 在距离声源很远的地方 (rob b , , rob b Ls ) , 分布声源 仍可看作点声源。
17
§ 1.5.2.5 声源基本理论
( 0vi ) 0q t xi 动量方程： ( 0vi ) c 2 f Tij i t xi xi
连续方程： 包含源项的非齐次波动方程：
2 2Tij 2 q f i 2 c 0 t 2 xi2 t xi xi x j
6
3
纵向偶极子
亚音速
超音速
7
横向偶极子
亚音速
超音速
8
4
阵风/翼型干涉噪声
9
阵风/叶栅干涉噪声
10
5
§ 1.5.2.3 四极子源发声机理
两个非常接近、相位相反的偶极子 应力声源，无净质量流率与净作用力 应力声源 无净质量流率与净作用力 四极子具有指向性：纵向、侧向
Longitudinal quadrupole Lateral quadrupole
1
§ 1.5.2 基本声源分类
2
1
§ 1.5.2 基本声源分类
monopole
dipole
Lateral quadrupole
Longitudinal quadrupole
3
§1.5.2.1 单极子源发声机理
一个具有脉动质量流的点源 单极子源辐射声场无指向性（静止流场中） 典型的单极子： –镶进一个大障板的扬声器； –来自一个排气管的脉动喷气； –爆炸的炸弹； –倾角为零的螺旋桨； –变压器铁芯磁致伸缩产生的膨胀和收缩；
4
2
单极子源发声机理
亚音速
超音速
5
§1.5.2.2 偶极子源发声机理
两个非常接近、相位相反的单极子 质量中心产生运动，存在净动量 偶极子具有指向性，呈 偶极子具有指向性 呈8字图形 运动的偶极子源：纵向（亚音、超音） 典型的偶极子： 横向（亚音、超音）
–直升机桨涡干涉噪声 –风扇/出口导流叶片、压气机 出口导流叶片 压气机(涡轮)转/静干涉噪声 –倾角不为零的螺旋桨 –风吹电线产生的哨声 –乐器上振动的弦
返回
32
16
桨/涡干涉噪声
返回
33
风扇气动噪声
返回
34
17
Landing gear
Tandem cylinder
返回
24
12
声爆（Sonic Booms）的物理现象
NASA拍摄的超音速飞机产生的激波
25
声爆的物理现象
F14战斗机声爆近场
26
13
声爆现象的数值模拟
X43分离过程的数值模拟结果
27
声爆影响范围示意图
波阵面在三维空间中是锥面
28
14
声爆的物理特性
（取决于应力方向） 典型的四极子： – 喷流噪声（混合层，喷流啸音） – 湍流脉动发声
11
混合层的演变
12
6
超音速喷流啸音（Ma=1.42)
13
§1.5.2.4 运动点源
如图所示，声源在A点 发射，以速度U向前运动 ，经过t * 秒后到B点， 再经t-t *秒后，B点发出 A 的声波达到观察点C(观 察点坐标 X = { x1 , x2 , x3 } ) ，此时声源与观察点的 距离可以表示为：