李征　陳志敏

摘 要：針對(duì)一座低速多用途聲學(xué)風(fēng)洞開(kāi)展降噪設(shè)計(jì)。根據(jù)低速聲學(xué)風(fēng)洞的噪聲機(jī)理和頻率特性，風(fēng)洞消聲降噪措施分為主動(dòng)降噪和被動(dòng)降噪兩類(lèi)。主動(dòng)降噪是從噪聲源控制噪聲大小，被動(dòng)降噪是在噪聲的傳播路徑上對(duì)噪聲加以控制。通過(guò)對(duì)風(fēng)扇動(dòng)力段葉片的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化，降低葉片噪聲，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪;在風(fēng)洞中安裝阻性消聲器、在洞體壁面貼敷吸聲層、采用微孔板后留空腔、在消聲室中采用平頭吸聲尖劈以及控制振動(dòng)噪聲傳播等降噪技術(shù)來(lái)降低風(fēng)洞噪聲。上述降噪措施可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞整體降噪，達(dá)到聲學(xué)風(fēng)洞的要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞;減振;降噪

中圖分類(lèi)號(hào)：V211.746 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）31-0021-04

Noise Reduction Design for Low Speed Multi-Purpose

Acoustic Wind Tunnel

LI Zheng CHEN Zhimin

（School of Aeronautics， Northwestern Polytechnical University， Xi’an Shaanxi 710072）

Abstract： A low speed multi-purpose acoustic wind tunnel is designed for noise reduction. According to the frequency characteristics and noise mechanism of low speed acoustic wind tunnel， the noise reduction measures can be divided into two categories： active and passive. The active noise control technology is control noise source radiation. The passive noise control technology is control noise propagation path. In this article， through reasonable design and optimization of fan power section blades， reduce blade noise and achieve active noise reduction. By installing the resistance muffler， sticking absorption device on the wind tunnel inner wall， using flat-head sound-absorbing wedge in anechoic room， controlling vibration noise propagation， wind tunnel noise is reduced. Through the above noise reduction measures， the overall noise reduction of the wind tunnel can be achieved to meet the requirements of acoustic wind tunnels.

Keywords： wind tunnel;vibration attenuation;noise reduction

聲學(xué)風(fēng)洞具有聲學(xué)試驗(yàn)?zāi)芰?，具有低的風(fēng)洞背景噪聲、足夠大的尺寸（可進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)聲測(cè)量）和自由場(chǎng)條件（無(wú)聲反射）。在風(fēng)洞設(shè)計(jì)中，既要保證風(fēng)洞各部件的氣動(dòng)外形進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)，又要確保風(fēng)洞的流場(chǎng)品質(zhì)達(dá)到國(guó)軍標(biāo)先進(jìn)指標(biāo)。一般而言，風(fēng)洞聲學(xué)試驗(yàn)要求試驗(yàn)段背景噪聲聲壓級(jí)比目標(biāo)聲源聲壓級(jí)至少低10 dB。因此，國(guó)際先進(jìn)航空聲學(xué)風(fēng)洞要求開(kāi)口試驗(yàn)段背景噪聲在75～80 dB（A）。

1 風(fēng)洞設(shè)計(jì)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)

1.1 風(fēng)洞設(shè)計(jì)指標(biāo)

試驗(yàn)段尺寸0.60 m（高）×0.45 m（寬）;試驗(yàn)段最大風(fēng)速為100 m/s，開(kāi)（閉）口試驗(yàn)段;模型區(qū)中心湍流度ε≤0.05%（閉口試驗(yàn)段）;試驗(yàn)段背景噪聲≤75 dB（A）（氣流外2 m處測(cè)量，開(kāi)口試驗(yàn)段）。

1.2 風(fēng)洞模型

本文根據(jù)給出的技術(shù)參數(shù)對(duì)風(fēng)洞整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理確定風(fēng)洞的收縮段、穩(wěn)定段、試驗(yàn)段、擴(kuò)散段、動(dòng)力段及消聲器[1]。風(fēng)洞結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 低速聲學(xué)風(fēng)洞噪聲產(chǎn)生機(jī)理

噪聲控制分為兩個(gè)方面：一是針對(duì)噪聲源的主動(dòng)控制;二是通過(guò)設(shè)置消聲器或吸聲材料等消除噪聲，對(duì)噪聲傳播過(guò)程進(jìn)行控制，屬于被動(dòng)控制[2]。低速風(fēng)洞的試驗(yàn)段背景噪聲主要是寬頻帶噪聲，主要來(lái)源于風(fēng)扇;高速氣流在試驗(yàn)段壁面也會(huì)產(chǎn)生邊界層噪聲等;通過(guò)風(fēng)扇葉片和風(fēng)扇電機(jī)會(huì)產(chǎn)生音調(diào)背景噪聲;風(fēng)洞氣流流過(guò)孔的金屬板也會(huì)產(chǎn)生噪聲;氣流與開(kāi)口試驗(yàn)段、穩(wěn)定段和風(fēng)洞管道回路相互作用也會(huì)產(chǎn)生低頻共振噪聲等[3]。以上列舉的噪聲源對(duì)于某一個(gè)風(fēng)洞而言并非都同時(shí)存在，但是一旦有噪聲，它們是必須關(guān)注的地方。

3 噪聲的控制

3.1 設(shè)計(jì)和優(yōu)化風(fēng)扇氣動(dòng)結(jié)構(gòu)

由風(fēng)洞的沿程損失可以估算出風(fēng)洞的能量比，由能量比、已知的試驗(yàn)段最大試驗(yàn)風(fēng)速和試驗(yàn)段截面積就可估算出風(fēng)洞電機(jī)所需的功率，然后根據(jù)電機(jī)功率設(shè)計(jì)風(fēng)扇。

針對(duì)軸流式風(fēng)扇的噪聲問(wèn)題，可以采取增加轉(zhuǎn)子葉片、提高旋轉(zhuǎn)噪聲頻率來(lái)增加其衰減系數(shù)，亦可通過(guò)降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達(dá)到降低風(fēng)扇噪聲強(qiáng)度的目的。另外，設(shè)計(jì)動(dòng)靜葉片時(shí)需要考慮二者的數(shù)量、間距，減小氣流間的脈動(dòng)耦合，削弱渦流噪聲強(qiáng)度。

3.2 在風(fēng)扇和穩(wěn)定段前安裝消聲器

為了降低風(fēng)扇和電機(jī)產(chǎn)生的噪聲對(duì)試驗(yàn)段的影響，需要在風(fēng)扇前安裝消聲器，降低傳播到試驗(yàn)段的噪聲。從風(fēng)扇噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，該噪聲主要包括旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲[4]。

3.2.1 旋轉(zhuǎn)噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲頻率的計(jì)算公式如下：

假設(shè)葉片數(shù)量為10，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)速度為1 480 r/min，數(shù)據(jù)代入式（1），則旋轉(zhuǎn)噪聲頻率約為246.67 Hz。因此，旋轉(zhuǎn)噪聲的下限頻率為246.67 Hz。

3.2.2 渦流噪聲。渦流噪聲的主要特征是四極子聲輻射，而旋轉(zhuǎn)噪聲的主要特征是偶極子聲輻射。在低速風(fēng)洞中，偶極子聲輻射效率比四極子聲輻射高得多。因此，風(fēng)扇噪聲主要是旋轉(zhuǎn)噪聲[5]。在設(shè)計(jì)風(fēng)扇前消聲器降低噪聲時(shí)，主要考慮降低旋轉(zhuǎn)噪聲。

取定消聲器的上、下限頻率分別為8 000 Hz和246.6 Hz，消聲器高和寬均為2 m，長(zhǎng)為1 m。單通道寬度b和消聲材料厚度δ分別為：

可見(jiàn)，氣流通道寬度應(yīng)該大于78.6 mm。消聲材料單塊厚度應(yīng)該小于78.6 mm，此消聲器的設(shè)計(jì)厚度為75 mm，消聲器的氣流通道寬度為100 mm。穿孔板厚度為1 mm，開(kāi)孔直徑為5 mm，開(kāi)孔率為35%。

比較幾種材料的吸聲系數(shù)，消聲材料表面用金屬穿孔板覆蓋，選取發(fā)現(xiàn)超細(xì)玻璃棉在全頻帶的吸聲系數(shù)均較高。選取的玻璃棉板厚度為75 mm，采用不同重度的玻璃棉疊合，綜合在一起形成重度逐漸增大的構(gòu)型，厚度如圖2所示。

由已知的電機(jī)功率大小、轉(zhuǎn)速及最大試驗(yàn)速度，可以求出風(fēng)機(jī)流量q、風(fēng)機(jī)全壓p。利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算電機(jī)噪聲的聲功率級(jí)：

經(jīng)過(guò)消聲器后噪聲的變化由《風(fēng)機(jī)手冊(cè)》[5]查表可知，聲功率級(jí)L為79.6 dB，達(dá)到風(fēng)洞背景噪聲要求。穩(wěn)定段前安裝消聲器，防止外界噪聲傳入風(fēng)洞對(duì)試驗(yàn)造成影響，設(shè)計(jì)步驟與風(fēng)扇段前消聲器設(shè)計(jì)步驟相同。

3.3 在壁面貼敷吸聲層

風(fēng)扇的噪聲在低速風(fēng)洞中主要以平面波形式傳播。實(shí)際的聲源并不唯一：一是若干個(gè)點(diǎn)、面、線聲源和體聲源同時(shí)輻射聲能;二是墻壁、屋頂以及地板反射的聲能。因此，實(shí)際傳播規(guī)律非常復(fù)雜。風(fēng)洞洞體整體消聲方案是微穿孔板和孔板空腔間隔布置填充消聲材料的結(jié)構(gòu)[6-8]，如圖3所示。普通穿孔板聲阻過(guò)小，導(dǎo)致背后不填吸聲材料時(shí)的吸聲頻率帶較窄。若添加吸聲材料，會(huì)因孔徑和深度對(duì)氣流產(chǎn)生很大擾動(dòng)，導(dǎo)致新噪聲的產(chǎn)生。因此，應(yīng)該采用孔徑小于1 mm，穿孔率為2%左右的薄金屬板，且與空腔中的空氣層形成共振吸聲結(jié)構(gòu)。這種吸聲結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效，其中低頻消聲效果良好，對(duì)氣流幾乎不會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，在低速風(fēng)洞噪聲控制中應(yīng)用廣泛。另外，空腔結(jié)構(gòu)上填充消聲棉，可消除寬頻帶噪聲的高頻部分。

取板厚t=1 mm，孔徑d=0.8 mm，開(kāi)孔率P=2%，空腔深度D=61 mm，假設(shè)聲音頻率f=0.5?kHz，根據(jù)微穿孔板理論推導(dǎo)，正入射時(shí)吸聲系數(shù)為：

選取密度為110 kg/m的超細(xì)玻璃棉，以盡可能吸收低頻范圍的噪聲，并對(duì)高頻噪聲的吸收不會(huì)產(chǎn)生很大影響?？涨恢饕俏崭哳l噪聲[9]。

3.4 減振和防振設(shè)計(jì)

振動(dòng)物體向空間直接輻射噪聲，即振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。振動(dòng)在傳播過(guò)程中必然會(huì)引起洞體及支撐的振動(dòng)，從而導(dǎo)致輻射噪聲，即固體噪聲。因此，固體傳聲會(huì)加大噪聲的危害。

電機(jī)作為風(fēng)洞動(dòng)力源，工作會(huì)引起風(fēng)洞振動(dòng)。因此，必須對(duì)電機(jī)水泥底座、風(fēng)洞室內(nèi)地面等進(jìn)行隔振處理，對(duì)電機(jī)水泥底座進(jìn)行減振處理。風(fēng)扇動(dòng)力段和試驗(yàn)段之間則應(yīng)該考慮設(shè)置柔性連接環(huán)，實(shí)現(xiàn)減振。電機(jī)支撐板建議采用50 mm厚度以上的鋼板，且強(qiáng)度和剛度的安全系數(shù)要足夠高，以防止發(fā)生共振。

3.5 消聲室設(shè)計(jì)

消聲室是指在封閉空間內(nèi)建立自由聲場(chǎng)，若將傳播聲波的介質(zhì)向各個(gè)方向均勻無(wú)限延伸，則能夠使聲源輻射的聲能進(jìn)行無(wú)障礙物反射，也不存在環(huán)境噪聲的干擾。

消聲室有兩個(gè)主要功能：一是為聲學(xué)測(cè)試提供自由場(chǎng)空間;二是提供低背景噪聲環(huán)境，以滿足測(cè)試環(huán)境的要求。

目前，國(guó)內(nèi)外高質(zhì)量消聲室均采用尖劈結(jié)構(gòu)作為吸聲體。把多孔性材料做成尖劈狀實(shí)現(xiàn)吸聲，稱(chēng)之為吸聲尖劈。當(dāng)聲波從尖端入射，聲波通過(guò)吸聲層吸入吸聲體，從而實(shí)現(xiàn)高效吸收。吸聲尖劈的吸聲特性取決于尖劈長(zhǎng)度、填充材料及空腔深度等參數(shù)。同一種材料的尖劈長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則尖劈低頻吸聲性能越好。此外，改變空腔深度也有可能提高尖劈結(jié)構(gòu)的低頻吸聲特性[10-11]。

此風(fēng)洞試驗(yàn)段規(guī)格為0.60 m×0.45 m，設(shè)計(jì)消聲室尺寸為6 m×6 m×6 m。本消聲室消聲結(jié)構(gòu)取為平頭吸聲尖劈，擬設(shè)消聲室截止頻率為100 Hz，計(jì)算吸聲尖劈的高度。通常，尖劈長(zhǎng)度應(yīng)參考截止頻率所對(duì)應(yīng)的1/4波長(zhǎng)長(zhǎng)度，即L=c/4×f=340/4×100=0.85?m，分別取尖劈前端長(zhǎng)度為650 mm，尖劈基部長(zhǎng)度為100 mm，空腔深度為100 mm。尖劈背部截面積為400 mm×400 mm，劈數(shù)為2個(gè)，尖劈吸聲系數(shù)≥0.99，如圖4所示。

消聲室尖劈擬采用直徑3.2～3.5 mm的鋼絲，制成滿足設(shè)計(jì)要求的框架，在框架上縫上玻璃布罩面材料，并且將基于多孔材料的氈狀裁成尖劈安裝到框架內(nèi)。此次設(shè)計(jì)采用的吸聲材料為美國(guó)Owens Corning 702.0系列超細(xì)環(huán)保玻璃棉板，屬于A級(jí)不燃性材料，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。它作為吸聲材料在工程上得到了廣泛應(yīng)用[12-13]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)一座低速聲學(xué)風(fēng)洞開(kāi)展降噪設(shè)計(jì)研究，通過(guò)對(duì)風(fēng)扇動(dòng)力段葉片的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在風(fēng)洞中安裝阻性消聲器、在洞體壁面貼敷吸聲層、采用微孔板后留空腔、在消聲室中采用平頭吸聲尖劈以及控制振動(dòng)噪聲傳播等降噪技術(shù)來(lái)降低風(fēng)洞噪聲。上述降噪措施可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞整體降噪，達(dá)到聲學(xué)風(fēng)洞的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]谷嘉錦.聲學(xué)風(fēng)洞的設(shè)計(jì)[J].空氣動(dòng)力學(xué)報(bào)，1997（15）：311-319.

[2]ANDREAS B.The aeroacoustic wind tunnel DNW-NWB[C]//33rd AIAA Aeroacoustics Conference，2012.

[3]任棟，席德科，白存儒.低速風(fēng)洞的消聲降噪改造設(shè)計(jì)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2010（4）：20-25.

[4]呂玉恒，王庭佛.噪聲與振動(dòng)控制設(shè)備及材料選用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：39.

[5]續(xù)魁昌.風(fēng)機(jī)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：56.

[6]張勝利，席德科.軸流風(fēng)機(jī)的降噪實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（10）：114-116.

[7]張明發(fā)，薛莉莉，呂玉恒.微穿孔板聲學(xué)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用[J].噪聲與振動(dòng)控制，1996（4）：24-29.

[8]薛茂，王曉寧，趙曉丹.微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)計(jì)算及其應(yīng)用[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（5）：44-48.

[9]馬大猷.微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的理論與設(shè)計(jì)[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，1975（1）：38-49.

[10]孫廣榮.消聲室聲學(xué)設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)注意[J].電聲技術(shù)，2009（7）：4-5.

[11]王剛.吸聲材料的聲學(xué)性能與數(shù)值模擬研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2012：13.

[12]THOMAS D，LOESER E S.The anechoic plenum of the DNW-NWB aeroacoutic wind tunnel[C]//33rd AIAA Aeroacoustics Conference，2012.

[13]陳曉利.關(guān)于半消聲室建設(shè)的若干問(wèn)題探討[J].電聲技術(shù)，2008（6）：14-16.