噪声分析与控制课件

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1、2014-07-231 噪声分析与控制噪声分析与控制 吴九汇吴九汇 机械工程学院 振动与噪声控制工程研究所 机械工程学院 振动与噪声控制工程研究所 2014-07-232 教材目录教材目录 3.1 声发生的物理过程声发生的物理过程 2014-07-234 声发生的物理模型声发生的物理模型 许多复杂的声辐射都可以分解为简单形式的声 源辐射。从声源特性来说，声源可以分为三类： 单极源单极源、偶极源偶极源和四极源四极源。当辐射体尺寸同波 长相比很小时，大多数辐射体都可看成与球面 声源相似。尽管这个辐射球是理想化的，但它 具有实际意义，这些概念可用以在实践中识别 声源的基本作用原理。 2014-07-

2、235 声发生的物理模型声发生的物理模型 媒质中流入的质量或热量不均匀时形成单极子声源流入的质量或热量不均匀时形成单极子声源。 典型的单极子声源如高速气流经喷口周期性排放的脉冲喷气 当流体中有障碍物存在时，流体与物体产生的不稳定的反作用力形 成偶极子声源。偶极子声源是力声源偶极子声源是力声源。风吹电线声、空气压缩机、 动片和导流片、倾角不为零的螺旋浆是常见的偶极子声源例子。 媒质中如没有质量或热量的注入，也没有障碍物存在，唯有粘滞应力粘滞应力 可能辐射声波，这就是四极子声源，它是应力声源应力声源。 亚声速湍流喷注噪声是最常见的影响最广的四极子噪声。 2014-07-236 单极源声辐射 ()

3、( )ei t kr A P r r = 单极源辐射声压一般解为：单极源辐射声压一般解为： 对于单极源辐射，考虑到球对称性，Helmholtz方程简化为： 2 2 222 1( , )1( , )P r tP r t r rrrct = 1 0P t += v () 00 0 11 1ei t kr r PA v irrcikr = =+ （不存在反射波时，可检验自由声场）（不存在反射波时，可检验自由声场） 2014-07-237 声辐射与球源大小的关系 以上求得的脉动球辐射一般解中包含有一个待定常数A，它取决于边界条件， 也就是取决于球面振动情况，这在物理上是显然的，因为声场是由于球源振动

4、而产生的，所以声场的特征自然也应与球面的振动情况有关。 设球源表面处的振动速度为,式中为振速幅值，指数中是为了运 算方便而引入的初相位角，它并不影响讨论的一般性。 以上求得的脉动球辐射一般解中包含有一个待定常数A，它取决于边界条件， 也就是取决于球面振动情况，这在物理上是显然的，因为声场是由于球源振动 而产生的，所以声场的特征自然也应与球面的振动情况有关。 设球源表面处的振动速度为,式中为振速幅值，指数中是为了运 算方便而引入的初相位角，它并不影响讨论的一般性。 0 ()jt kr a uu e = 0 kr a u 0 () rr r vu = = 边界条件边界条件: 2 0 00 0 2

5、0 () 1() j a c kr Au krjA e kr =+= + 0 1kr 0 00, 0 rr Rc SX 声场对脉动球源的反作用 辐射阻抗 声场对脉动球源的反作用 辐射阻抗 Zr 由以上讨论可见：由以上讨论可见：由以上讨论可见：由以上讨论可见： 声源平均辐射声功率的大小并不是声源平均辐射声功率的大小并不是声源平均辐射声功率的大小并不是决 定 声源平均辐射声功率的大小并不是决 定于声源绝对尺寸的大小，而是决定于声源绝对尺寸的大小，而是决定于声源绝对尺寸的大小，而是决定于声源绝对尺寸的大小，而是决定 于声源尺寸与声波波长的相对大小，于声源尺寸与声波波长的相对大小，于声源尺寸与声波波长

6、的相对大小，于声源尺寸与声波波长的相对大小， 脉动球源辐射阻抗随值脉动球源辐射阻抗随值脉动球源辐射阻抗随值脉动球源辐射阻抗随值的变化如图的变化如图的变化如图的变化如图 所示。所示。所示。所示。 0 kr 0 kr 2014-07-2315 辐射声场的性质 脉动球源在空间辐射的声压为脉动球源在空间辐射的声压为脉动球源在空间辐射的声压为脉动球源在空间辐射的声压为 声压振幅随径向距离反比地减小，即在球面声场中，离声源愈远的地方声音愈弱，声压振幅随径向距离反比地减小，即在球面声场中，离声源愈远的地方声音愈弱，声压振幅随径向距离反比地减小，即在球面声场中，离声源愈远的地方声音愈弱，声压振幅随径向距离反比

7、地减小，即在球面声场中，离声源愈远的地方声音愈弱， 这是球面声场的一个重要特征。这是球面声场的一个重要特征。这是球面声场的一个重要特征。这是球面声场的一个重要特征。 ()jt kr A pe r + = 例如，人嘴的讲话，当频率较低时可近例如，人嘴的讲话，当频率较低时可近例如，人嘴的讲话，当频率较低时可近例如，人嘴的讲话，当频率较低时可近 似看成是一个球源，所以距离较近时，似看成是一个球源，所以距离较近时，似看成是一个球源，所以距离较近时，似看成是一个球源，所以距离较近时， 听起来声音较响，离得愈远，听起来就听起来声音较响，离得愈远，听起来就听起来声音较响，离得愈远，听起来就听起来声音较响，离

8、得愈远，听起来就 愈轻，这已是人所共知的事实。愈轻，这已是人所共知的事实。愈轻，这已是人所共知的事实。 上式是假设空间中不存在反射波的情况下导得的， 因此这一结果也常常用来作为自由声场的考核。 例如，要鉴定消声室是否符合自由声场条件，则只 要测定当传场器离声源的距离变化时，它的声压是 否符合随距离反比变化规律就可以了。 愈轻，这已是人所共知的事实。 上式是假设空间中不存在反射波的情况下导得的， 因此这一结果也常常用来作为自由声场的考核。 例如，要鉴定消声室是否符合自由声场条件，则只 要测定当传场器离声源的距离变化时，它的声压是 否符合随距离反比变化规律就可以了。 球面波在r很大时，波阵面已经很

9、大，在局部范围内，球面已近似可看作为平面了。球面波在r很大时，波阵面已经很大，在局部范围内，球面已近似可看作为平面了。 2014-07-2316 单极源的实际应用 ? 爆炸；气泡空化 ? 活塞式发动机排气管的端口有一个脉动着的质量流，只要声波波 长大于该管直径，该声场就非常接近于单极声源. 对于许多实际机器来说，采用单极源模型是一个十分有用的技术. ? 这种近似所用的一般准则是，所要研究的最高频率的波长应该 远大于声源的物理尺寸L. ? 从表面上看，这种近似对发射着高频噪声的大型汽轮机可能是不 适用的。然而，发射着高频噪声的转子叶片仍可以采用点源模 型，这是因为准则适用于实际声源的物理尺寸实际

10、声源的物理尺寸，而不是机翼本身 的尺寸。例如，紊流流动中的声源尺度是厘米量级。这样，每个 相关面积或相关体积就可以被认为是一个小尺寸的孤立声源。于 是，大尺寸的机翼或转子叶片可以用沿着叶片展长分布的孤立点 源的总和来模拟。 2014-07-2317 偶极源声辐射 声偶极子是由两个相距很近，并以相同的振幅而相位相反（即相差180）的小脉动 球源（即点源）所组成的声源。例如，没有安装在障板上的纸盆扬声器，在低频时就 可以近似看作是这种声源。 声偶极子是由两个相距很近，并以相同的振幅而相位相反（即相差180）的小脉动 球源（即点源）所组成的声源。例如，没有安装在障板上的纸盆扬声器，在低频时就 可以近

11、似看作是这种声源。 + l r 1 r 2 r P 12 ()() 12 ee it krit kr AA P rr = lr? 1 cos 2 l rr+ 2 cos 2 l rr () () 2 1 cosei t kr A ikr Pl r + () ei t kr A lr = () () 2 1 cosei t kr A ikr r + . 2014-07-2318 偶极源声辐射 + l r 1 r 2 r P () () 2 1 cosei t kr A ikr Pl r + . 1kr ? () cosei t kr ikA Pl r 声源的辐射指向特性声源的辐射指向特性 0 (

12、 ) P D P = = ( )cosD= 2014-07-2319 偶极源辐射声功率 ? ? 偶极源辐射声功率与偶极源辐射声功率与偶极源辐射声功率与偶极源辐射声功率与成正比成正比成正比成正比 ； ? ? 单极源辐射声功率与单极源辐射声功率与单极源辐射声功率与单极源辐射声功率与成正比。成正比。成正比。成正比。 ? ? 在低频时，偶极声源的辐射本领比小脉动球源要差得多在低频时，偶极声源的辐射本领比小脉动球源要差得多在低频时，偶极声源的辐射本领比小脉动球源要差得多在低频时，偶极声源的辐射本领比小脉动球源要差得多 4 2 () 0 0 1 v1cosei t kr r ikAl c rikr + 2

13、 2 2 2 2 0 0 0 1 Re( )Re(v )cos 2 T r A k l IPdt Tc r = 2 22 2 0 0 2 sin 3 SS WIdsIrd dA k l c = ? () 4 22 000 2 v 3 a Wckrl= 2014-07-2320 组成偶极声源的两个小球源的振动相位相反，其中一个小球的周围呈压缩相时，另 一个小球源的周围就呈稀疏相，而且这两个不同相位的区域又靠得很近，在低频时 振动进行得如此缓慢，以至压缩区的媒质点来得及流向稀疏区，从而低消了压缩和 稀疏形变，这样总的声辐射就减弱了。 偶极源声辐射 在现代高音质放声系统中，从改善低频辐射特性着眼，往

14、往把扬声器放在助音箱中， 助音箱一般为优质木料做成，有闭箱式或倒箱式等，实际上就是为了在低频时能把 扬声器前、后方辐射隔开或者造成两者同相位辐射。从而增加低频辐射声功率。 根据上述道理，我们自然就可理解，在测试和评定扬声器单元性能时，为什么常常 把扬声器安装在一个具有统一标准尺寸的大障板上进行，而且扬声器测试频率愈低， 要求障板的尺寸也愈大。 风吹电线声、空气压缩机、动片和导流片、倾角不为零的螺旋浆是常见的偶极子声 源例子。 2014-07-2321 四极子声源 媒质中如没有质量或热量的注入，也没有障碍物存在，唯有粘 滞应力 粘 滞应力可能辐射声波，这就是四极子声源，它是应力声源应力声源。亚声

15、速 湍流喷注噪声 亚声速 湍流喷注噪声是最常见的影响最广的四极子噪声。四极子可看作是 一对极性相反的偶极子组成的，指向性呈“四瓣”型，辐射声功率应与 偶极子相似，只是再乘一个因数，因而Wq满足 2 0 2 /cv 0 52325 00 282 /MDvcDvWq= 式中v是喷注速度，D是喷口直径，M是流动马赫数，是喷注密度；0 是环境媒质密度；c0是环境媒质中的声速。 2014-07-2322 三类声源的比较 3.2 旋转声源的辐射旋转声源的辐射 2014-07-2324 旋转声源的举例1旋转声源的举例1 典型的鼓风机噪声频谱 2014-07-2325 旋转声源的举例2旋转声源的举例2 螺旋桨声功率级和声效率随叶尖速度和叶片数目而变化的曲线 (螺旋桨直径为5.3米) 2014-07-2326 多普勒效应(Doppler Effect) 声音音调的高低取决于声源的振动频率的大小声音音调的高低取决于声源的振动频率的大小 在静止均匀的媒质中，如果声源与接受者不运动，则接收到的声音频 率与声源频率相等，即听到的声音的音调高低与声源的音调没有区别。 当接受者（或声源）相对或向反方向运动时，所听到的声音的音调要 比静止时听到的高或低。这种现象称为多普勒效应。 2014-07-2327 旋转机械噪声产生的机理分类旋转机械噪声产生的机理分类 2014-07-2328 +