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空气动力噪声

空气动力噪声(Aerodynamic Noise)

空气动力噪声,英文Aerodynamic Noise, 简称气动噪声,是由气体在流动过程(多为高速、湍流状态)中相互作用,或者是与固体介质接触时,所产生的振幅和频率无序、杂乱的声音, 例如飞机喷气发动机噪声、风机噪声以及汽车排气噪声等,这些气动噪声以及所产生的脉动声压不仅会使人不舒服,同时还会使发声部件产生疲劳应力,甚至破损。

空气动力噪声理论

气动噪声理论是由英国人Lighthill 率先提出的,Lighthill于1952发表了一篇关于流体发声机理的论文(Lighthill, On sound generated aerodynamically, I. General theory. 1952, Proc. Roy. Soc. London A 211, 564), 在该论文中,他推导了后来以他名字所命名的方程,把它应用到亚声速湍流射流的研究,并获得了很好的结果。根据Lighthill空气动力声学理论,空气动力噪声可认为由如下三种线性声学中的基本声源所组成:单极声源偶极声源四级声源

1. 单极子声源可以认为是一个脉动质量的点源。对于单极子声源,声场的振幅和相位在球表面上的每一个点都是相同的,在静止流体中的单极子声源的指向性是在各个方向均匀的。

2. 偶极子声源是当流体中有障碍物存在时,流体与物体之间产生的不稳定反作用力所形成的。偶极子声场的特征是该声场有一个最大值方向,正像在声源处流体的流出流动和流入流动的相位差那样,偶极子声场的每个声瓣相差180度。

3. 四极子声源是媒介中没有质量或热量的注入,也没有障碍物存在,只是由粘滞应力辐射的声波所形成的,它属于应力声源。现实中四极子声源发声的例子有超音速喷气飞机发出的噪声等,四极子声源的声强受流场速度影响非常大,与流场速度的8次方程成正比。

任何实际声源都可以看做是由适当的相位和幅值的诸多单极子的一个分布系统所组成的。

汽车气动噪声研究

汽车气动噪声主要是由泄漏噪声(Leak or aspiration noise)、风激励噪声(Wind rush noise)和风振噪声(wind buffeting noise)三部分组成。诸多研究结果表明,当汽车车速超过100 m/h时,空气动力噪声的影响就会超过其他噪声,占主导地位。因此降低空气动力噪声,以便降低汽车车外通过噪声车内噪声,已经成为全球各大汽车公司研究汽车NVH的重要内容之一。早期的汽车气动噪声研究主要依赖于风动试验或者是实体路面试验,该过程耗时耗资,而近年来随着计算机硬件的提高以及计算流体力学的发展,使得通过计算机模拟计算预测气动噪声源以及噪声传播成为可能。

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图片来源:mercedes-benz-blog.blogspot.co.uk

如上图为风动试验与计算模拟相结合进行汽车空气动力学研究的实例,通过对气流流线轨迹的研究,从而设计优化汽车的外形,达到降低其空气阻力,减小空气动力噪声的效果。

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