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气动噪声

由气流直接产生的振幅和频率杂乱、统计上无规则的声音。喷气式发动机喷出的气流产生的声就是一种气动噪声。喷气式飞机的大量出现引起严重的气动噪声污染,导致了对气动噪声的认真研究。气动噪声伴随出现脉动声压。高速飞机表面湍流边界层(见边界层)所发出的噪声和伴随而来的脉动声压,不但使乘客感到不舒服,还使飞机蒙皮承受疲劳应力,甚至遭到破坏。控制气动噪声,已成为设计现代高速飞机和高速气流设备必须考虑的问题。

英国人M.J.莱特希尔于1952年首先提出关于空气动力声的基本理论,并把它应用于亚声速湍流射流的研究,获得很好的结果。他所研究的问题是:在原为静止的无限范围气体中的一个有限区域存在湍流时,空气动力声的产生和传播。他将描述气体运动的质量和动量方程

公式 符号   (1)

公式 符号     (2)

改写为:

公式 符号       (3)

式中t为时间;xi为空间坐标;ρvipij分别为气体的密度、速度和应力张量;c0为未扰气体的声速;Δ 为拉普拉斯算符;Tij为莱特希尔湍流应力张量,它的表达式为:

Tij公式 符号+pij-c0ρδij,    (4)

ij 时,δij=0;当i=j 时,δij=1。

在式(3)右边为已知的条件下,该式为非齐次的波动方程,也就是声学中描述声场的方程。利用经典声学中的解法,可求得该式的解,因而这种理论被相应地称为声学比拟理论。

要准确知道Tij,必须解出(2),但这对于一般有实用价值的问题目前做不到,而只能求出Tij的近似表达式。例如在低速射流中,射流以外的区域Tij=0,在射流内Tij 近似等于 公式 符号(式中ρ0为未扰气体的密度),而公式 符号则可依据某种湍流理论近似得出。

研究气动噪声的目的在于找出降低这种噪声的方法。按照莱特希尔的理论,对亚声速射流,声功率Pj与喷管出口处的平均速度的八次方(尌8)成正比,而推力只与尌 的平方成正比,因此,如能略微减小尌,就可以显著降低Pj或气动噪声。涡轮风扇发动机用略微减小尌、牺牲一点推力的方法可以很好地解决气动噪声问题。

参考书目
    E.J.Richards and D.J.Mead, Noise and Acoustic Fatigue in Aeronautics, John wiley and sons,London,1968。