气动声学和流动噪声研究进展,力学论文.docx

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1、气动声学和流动噪声研究进展,力学论文摘 要： 本文面向初学者介绍气动声学和流动噪声研究的过去和现况, 以声比较为主要线索展开讨论, 澄清了一些常见概念和误区, 并解释了代表性问题的气动发声机制, 兼顾评述了计算方式方法和实验技术, 最后瞻望了将来可能有所发展的研究方向。 本文关键词语： 气动声学; 流动噪声; 声比较; Abstract： In this review paper, we give a brief introduction of the past and present of the research in aeroacoustics and flow-induced nois

2、e.The main attention is focused on acoustic analogy, from which the main mechanisms of noise generated aerodynamically for representative set-ups can be explained.We also briefly introduce the related computational schemes and testing methods.Overall, we hope this paper will help to clarify some mis

3、conceptions in aeroacoustics, especially those from beginners.Finally, we propose some possible important research directions for the future. Keyword： aeroacoustics; flow-induced noise; acoustic analogy; 一、 引言 气动声学和流动噪声是20世纪50年代从流体力学和声学这两个经典学科中产生出来的穿插学科, 在国家自然科学基金委员会的申请代码中属于数理学部, 详细分类为流体力学中的子学科 流动噪声

4、与气动声学 (A020407) 和物理学中的子学科 水声和海洋声学及空气动力声学 (A040502) 。有别于经典声学, 气动噪声或流动噪声所讨论问题的一个显着特点是运动的流体介质对声音的产生和传播都有不可忽略的影响。二战前后关于流动脉动对机翼影响1、起降噪声2、德国U型潜艇螺旋桨噪声3工作是气动声学和流动噪声研究的发端, 同时人们也已认识到背景介质流动对声传播的影响4。二战结束后Lilley在南安普敦大学开场研究射流噪声5。但一般来讲学界普遍以Lighthill在1952年发表声比较论文作为该学科起源标志6。在这篇论文中Lighthill针对射流问题, 用类比的思想来描绘叙述气动发声 (so

5、und generated aerodynamically) , 70年代后该词逐步演化为aero-acoustics, 并最后简化为aeroacoustics正式收入牛津英语词典。假如考虑水下应用, 更通用的名称应该是流动噪声或者流致噪声 (flow-induced noise) 。但是对于无空泡情况, 流动噪声研究中采用的方式方法和工具基本还是来自气动声学 (如最近王春旭等人关于流动噪声的综述7中的绝大多数引文都来自气动声学) , 且本学科的主要应用集中在航空航天 (气动声学在美国航空航天协会的学科分类中根据字母排序排在幅和学识, 我们很难在这里给出一个全貌的综述;但假如从华而不实一个点切

6、入, 如计算、测试、理论等, 已经不乏相关优秀的外文综述文章。因而本文的定位是服务国家实际需求、写给初窥门径的气动声学研究者。 我们国家前辈科学家很早就规划和开展了与气动声学相关的应用和基础研究, 最具代表性的工作来自马大猷先生所研究的强声喇叭的调制气流发声原理39和针对导弹发射井噪声防护所研究的微穿孔板设计理论40。近年来, 随着我们国家大量新型国防装备和汽车、高铁、商用大飞机和商用航空发动机的降噪和适航需求问题的日益凸显, 气动声学研究越来越引起工业界和学界的重视。但气动声学学科中相当一部分学者具有应用数学背景, 如Lighthill是20世纪后半叶最伟大的应用数学家之一。时至今日, 剑桥

7、大学应用数学与理论物理系 (DAMTP, Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics) 还有相当一批应用数学学者在从事气动声学研究。前辈学者们所发展的方式方法和模型往往需要不少数学技巧和工具, 对刚刚进入此领域、尤其以工程背景为主的研究生和工程师来讲往往过于艰深。除了对华而不实数学理论方式方法的困惑之外, 在我们的教学和工程研究中所接触到的初学者们还经常反映难以把握气动声学研究的主要脉络、有时缺乏对基本常识的理解。因而, 我们希望以札记的形式, 用尽可能精炼的语言来描绘叙述气动声学理论中经典文献的一此基本思想, 进而以其为

8、线索扼要介绍计算和测试中的基本方式方法的来历, 进而帮助初学者理解整个学科发展的内在逻辑, 把握重点, 为下一步顺利开展相关研究并解决详细问题打好基础。建议初学者在阅读本文的同时, 打开相应的以下为参考文献原文并聚焦到公式和理论模型处。本文不再重复前人的重要公式。 二、 源起 Howe将气动声学理论方式方法分为三类41: (1) 采用声比较 (acoustic analogy) 方式方法; (2) 基于线性化波动方程; (3) 采用经历体验/半经历体验理论方式方法。本节主要介绍交锋论文来借鉴国外学术大家在这里类问题讨论时所设计的理想数值实验、严密逻辑和严谨态度。 在上述两个初学者的常见问题之上

9、, 我们再添加两个相关的常识问题: (1) 谁最先提出acoustic analogy这个词? (2) 为什么翻译作声比较?在Lighthill的最初文献6幅此处就不逐一介绍。 如前所述, 推导声比较方程的两个重要元素在于选取适宜的声学变量, 以及给出适宜算子来描绘叙述声音的传播。关于这两点, Lighthill在其短短两页的回首论文中做了精要的讲明55。在这里基础上, 描绘叙述非定常流动Navier-Stokes方程左端被重组为关于该变量 (即选取的声学量) 的传播方程, 而剩余的各项做为源项被置于方程的右端, 他们表征了整个流场的非定常运动与纯声波传播的差异, 也影响了声波传播的行为。至于

10、声学量的选择, Lighthill考虑到声音的传播主要是由于流体的可压缩性, 进而将密度脉动作为声学量6。随着气动声学整个学科的发展, 在面对不同的问题时, 人们基于详细的物理经过和流动发声的特点又提出了基于不同声学量的声比较方程。对于声学量的选择, Phillips方程56和Lilley方程57-58中采用lnp/p , Howe在其涡声理论中则选用了总焓B= dp/p+v2/259, Goldstein在重新考察Lilley方程是选用了 (p/p ) 1/ -1。然而在极端情况下, 譬如均匀流动、低速和声波扰动幅值很小时, 能够验证这些声学量其实是等效的, 如lnp/p =ln (1+p

11、/p ) p /p , (p/p ) 1/ -1 p / ( p ) 。最后, 关于Lighthill声比较方程的拓展还在于不同背景流动的选取。最开场的拓展其实在Lighthill在1952年的创始性文章中6亦有提及 (同时可以以参见Lilley的回首性文章60) , 如通过采用 (伽利略) 坐标变换将均匀流动的效果考虑进去。更进一步的, Phillips56考虑了非均匀流动对声波传播的影响, 导致原始波动方程中的时间求导算子替换成物质导数。然而, Doak61随后指出在一般湍流运动中, Phillips中选取的变量中亦有可能包含非声成分。有鉴于此, Lilley57将对流算子作用于Phill

12、ips方程的两端, 同时考虑了背景流动对声传播的影响和滤除非声波扰动, 进而更好地描绘叙述的流动发声的机理, 其也因而成为射流噪声中着名的MGB模型的基础62。然而, 该方程为3阶, 且系数非均匀, 一般来讲并不容易求解。最后, 大多数上述的声比较方程, 都是试图将整个流体运动方程简化为单个的声传播方程。而Goldstein在2003年推导了一组所谓的广义的声比较方程, 方程的左端是一系列关于声学变量的线性化NavierStokes方程63。不过, 该方程的求解只能诉诸于数值方式方法或者必须求解昂贵的体积分运算64。 随着气动声学几十年的发展, 根据实际问题人们发展出了很多不同的声比较方程。所

13、有这些理论发展都能够看做是声比较, 都是在运用声比较思想, 针对不同问题, 发展适宜的比较手段。上面所提及的只是根据我们的经历体验看较为常见的一些公式, 其它的声比较方式方法如Powell涡声公式65、Ribner公式66、Doak基于总焓的声比较公式67、Mohring公式68以及一些该理论早期时候发展的公式 (具体内容能够参考Doak在1972年的评述性文章61) 。同时, 针对特定问题, 人们还在不断提出新的声比较模型。限于篇幅我们不再逐一列举。 需要进一步讲明的是, 声比较方程都是从Navier-Stokes方程精到准确推导得到, 所以假如能够精到准确地给出他们的解, 理论上也应该得到

14、直接求解流动方程一样的答案:。对于这个问题, 我们能够引述Lilley的评论69 This theory is exact, even for a turbulent flow, and any lack of agreement in the radiated noise intensity, directivity and spectrum, between experiment and theory is the result of approximations introduced in predicting the Lighthill Integral for a given jet

15、 configuration and jet exit Mach number.In making such approximations we are continually being reminded of Lighthill s warnings that to make unwise approximations at too early a stage in the analysis can lead to gross errors, or even worse, to a non-physical answer for the farfield radiation. 。总的来讲,

16、 20世纪60年代到70年代间, Lighthill、Lilley、Ffowcs Williams和Howe等人分别从曼彻斯特大学、南安普敦大学和帝国理工学院会聚到剑桥大学, 建成了气动声学的理论大厦。对他们的成就, 最适宜的评价来自Howe:一条理论公式胜过一千次数值模拟! ( A formula is worth a thousand numerical simulations! , 来自其个人Linkedin网站。) 四、 物理机制 声比较方式方法给出了气动声源及其物理机制, 如固体外表脉动压力即会构成偶极子声源。但假如继续追问下去, 脉动压力又是怎样发声的呢?难道是脉动压力压迫壁面好像

17、鼓膜一样发声?抑或是近壁面边界层的湍流构造形如橡皮筋拉伸、缠绕最后断裂发声? 为了进一步理解相应的物理机制, 就需要看看Howe所总结的基于线性化波动方程的幅和我们的学识, 一个面面俱到的综述是不可能的, 因而我们以札记的形式, 重在基础性地介绍和文字评述并给出重要引文, 希望帮助初入此领域的同仁建立基本概念, 以利进一步后续研究。 建议初学者应首先阅读Dowling和Ffowcs Williams的教学材料(Sound and sources of sound106, 该书从经典声学步步铺陈, 介绍了声学领域的各种基础知识, 并在这里基础上很好地与气动声学联络起来;然后可进一步翻阅Riens

18、tra的教学材料(An introduction to acoustics107, 该书内容详实涵盖了声衬和管道声的主要内容, 但是要求读者具有较扎实的数理基础;对于其他关于声比较方程的教学材料能够参阅Howe的(The theory of vortex sound59, 该书前两章给出了气动声学理论和常用的数学基础的精要介绍, 然后主要聚焦在其本身提出的涡声理论;最后, 对测试感兴趣的读者能够翻阅Mueller的着作(Aeroacoustics measurements85, 该书具体介绍了声学阵列的布局优化、传感器校准、声成像常规算法、开/闭口风洞内测试技术、机体气动噪声成像、螺旋桨噪声成

19、像和射流噪声相干测试和背景噪声抑制等问题。 我们以为气动声学和流动噪声的新发展主要在三个方向: 首先来自新的工程问题的牵引。当下我们国家一系列新的应用问题和装备研制对气动声学和流动噪声提出了不少需求, 有些课题, 如各类发动机噪声、机体噪声、仿生噪声、螺旋桨噪声、燃烧噪声27,108等在国外已经发展了很多年并且存在大量文献, 因而应该在广泛调研文献的基础之上去芜存菁, 进而结合实际问题研究详细解决之道。还有些问题国外几乎不发表相关工作, 比方水中装备的流动噪声问题, 比拟有代表性的文献只能找到Dowling关于声纳流动自噪声的建模讨论24, 其它一些无空泡螺旋桨推进噪声的论文则大都和气动噪声问

20、题并无太大区别, 此时就十分需要发挥创造力研究并解决实际问题。 其次来自新的工具的支持。新的计算机技术如GPU、人工智能和量子计算, 和新的测试技术如矢量传感器阵列、tormo PIV等, 从工具角度给气动声学学科提供了新的发展可能。基于人工智能和量子计算发展合适气动声学的计算方式方法 (如空间格式和时间格式) 和设计工具, 当前还几乎是一片空白。同时, 做为气动声学的最关键测试技术 阵列成像技术, 当前的传感器还主要局限在传声器且受限于信噪比, 主要只能面向低速机体噪声成像等应用, 在水下、旋转部件成像、高亚声速风洞测试技术方面还有很多工作需要开展, 将来还能够进一步考虑异构传感器阵列, 进

21、一步解决面向气动声学的多物理场测试问题。这方面工作还有很多的未知挑战。 第三来自学科的不断穿插融合。当前在对宽带噪声的建模、仿真和控制, 以及对低频噪声的控制方面还存在不少挑战, 可能还需要引入主动控制107和反应控制27来解决这些问题。但当前三维齐次时不变线性波动方程的可控性的证明尚难完成, 更不要讲符合气动声学范畴的非线性、时变、非齐次系统了。除此之外, 在地外声学, 如太阳日震波 (研究太阳内部发展机制) 、火星风暴噪声 (用于登陆器的极端天气预报) 等问题, 在生物力学, 如从声经耳蜗内液体到基底膜传播到听神经纤维的机制等, 都需要和其他学科不断的融汇贯穿。气动声学学科的开拓者们, 如

22、Lighthill、Ffowcs Williams和Lilley分别在耳蜗、地外、生物飞行等方面从气动声学角度开展了不同程度的研究。 最后, 我们国家气动声学和流动噪声研究和发展的将来也必将在年轻一代。 以下为参考文献： 1Sears W R.Some aspects of non-stationary airfoil theory and its practical applicationJ.Journal of Aeronautical Sciences, 1941, 8 (3) :104-108. 2Vogeley A W.Sound-level measurements of a li

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32、ng X, Chen X X, Nelson P A.Computation of spinning modal radiation from an unflanged ductC/8th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference Exhibit.Breckenridge, Colorado, 2002:1795-1801. 26Huang X, Chen X X, Ma Z K, et al.Efficient computation of spinning modal radiation through an engine bypass ductJ.AIAA J

33、ournal, 2008, 46 (6) :1413-1423. 27Dowling A P, Moprgans A S.Feedback control of combustion oscillationsJ.Annual Review of Fluid Mechanics, 2005, 37:151-182. 28Strahle W.On combustion generated noiseJ.Journal of Fluid Mechanics, 1971, 49 (2) :399-414. 29Dobrzynski W, Nagakura K, Gehlhar B, et al.Air

34、frame noise studies on wings with deployed high-lift devicesR.AIAA1998-2337, 1998. 30Takeda K, Aschcroft G, Zhang X, et al.Unsteady aerodynamics of slat cove flow in a high-lift device configurationR.AIAA 2001-0706, 2001. 31Dobrzynski W, Chow L C, Guion P, et al.A European study on landing gear airf

35、rame noise sourcesR.AIAA 2000-1971, 2000. 32Guo Y P, Yamamoto K J, Stoker R W.Experimental study on aircraft landing gear noiseJ.AIAA Journal, 2006, 43 (2) :306-317. 33Jaeorski J W, Peake N.Aerodynamic noise from a poroelastic edge with implications for the silent flight of owlsJ.Journal of Fluid Me

36、chanics, 2020, 723:456-479. 34Ganz U W, Joppa P D, Patten T J, et al.Boeing 18-inch fan rig broadband noise testR.NASA CR-1998-208704, 1998. 35Gill J, Zhang X, Joseph P.Single velocity-component modeling of leading edge turbulence interaction noiseJ.The Journal of the Acosutical Society of America,

37、2021, 137 (6) :3209-3220. 36Longuet-Higgins M S.Bubble noise spectraJ.The Journal of the Acoustical Society of America, 1998, 87:652-661. 37Frohly J, Labouret S, Bruneel C, et al.Ultrasonic cavitation monitoring by acoustic noise power measurementJ.The Journal of the Acoustical Society of America, 2

38、000, 108 (5) :2020-2020. 38Leighton T G, Banda N, Berges B, et al.Extraterrestrial sound for planetaria:A pedagogical studyJ.The Journal of the Acoustical Society of America, 2021, 140 (2) :1469-1480. 39马大猷.调制气流声源的原理J.物理学报, 1974, 23:17-26. 40马大猷.微穿孔板吸声构造的理论和设计J.中国科学, 1975, 1:38-50. 41Howe M S.A revi

39、ew of the theory of trailing edge noiseJ.Journal of Sound and Vibration, 1978, 61 (3) :437-465. 42Morfey C L, Wright W C M.Extensions of Lighthill s acoustic analogy with application to computational aeroacousticsJ.Proceedings of the Royal Society of London A, 2007, 463 (2085) :2101-2127. 43Rayleigh

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42、 and simplified acoustic analogies to an elementary problemJ.Journal of Fluid Mechanics, 2007, 578:113-118. 48Morris P J, Farassat F.Reply by the authors to C.K.W.TamJ.AIAA Journal, 2002, 62 (2) :89-121. 49Ffowcs Williams J E, Hawkings D L.Sound generation by turbulence and surfaces in arbitrary mot

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