调制气流声源流场声场特性的实验研究

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    调制气流声源（Air-modulated Speaker，AMS）是一种调制高速气流发声的高声强大功率气流声源， 在远距离广播、强噪声环境测试和声学清洗等众多工业领域和学术研究中得到成功应用。 已有的实验研究多集中于强声场测试，如文献[1] 对该类声源的声辐射问题开展了实验测试 ， 结果表明0.25~2 kHz 范围内声场指向性与无限大障板圆活塞相近 。 从气动声学的观点看，声场特性应与流场演化的物理过程密切相关，因此，为了进一步明确气流声源主要换能机制和改进声源输出，首先需要明确内流场特性，将流动过程与声场特性相关联。

    一个典型的例子是声场频响特性需要以流场演化的频率相关性为基础，而目前用于预测声源输出的主要理论或已有实验研究均未给出。 首先，用于预测声源性能的一维准稳态理论，忽略了部分流动区域中控制方程的瞬态项，因而不能反映流场演化过程随调制频率的变化；其次，用于求解调制部件运动的等效电路分析方法尽管能够给出位移输出的频率响应， 但与工程中关心的声场频响特性有较大的差别。因此，本文将气动力学的一些典型实验方法引入 AMS 流场演化过程的测量中，初步明确内流场的特性及其随调制频率的变化。

    事实上，得益于流体力学实验技术的发展，近年来国外学者已将单点测压测像测速（Particle ImageVelocimetry，PIV）等流场测量方法应用于与 AMS 同属受限调制射流问题的人发声机制的研究，并获得了较大成功。 早期研究非稳态脉动或开启流动的经典方法是静态声门模型实验，近期相关研究中普遍使用动态声门模型模拟真实的瞬态流动过程。 Mongeau 等[3]和 Zhang 等[4]测试了机械调制动态声门模型的流动， 验证准稳态假设的适用范围。 Alipour 和Scherer[5]研究了生物喉部的脉动空气流，发现脉动射流呈现高度非均匀性， 进而指出脉动受限射流偏离准稳态假设。Triep 等[6]通过高速 PIV 测试方法，在其驱动声襞模型的开启阶段观察到了 Coanda 效果。 Erath[7]在 PIV 实验中发现，非稳态 Coanda 作用甚至在脉动射流通过静态扩张声门模型中仍会出现。 Barney 等[8]和 Shadle 等[9]对一个模拟发声过程的动态机械模型中的气动场和声场进行了测量，他们注意到旋涡串的存在，推测旋涡串和喉道边界相互作用而产生的声波是显著的。Zhang 等[10]针对受限稳态射流通过静态声襞橡胶模型的宽带发射声特性开展了实验研究。 对于等截面和收缩孔洞，四极子声源为主要贡献，对于扩张孔洞，低流量条件下出现了单频声。 保持孔洞几何形状不变，在高流量条件下，偶极子声源占主导，同时受限射流呈现出复杂的流动特性，这可能与流场-声场相互作用和循环反馈机制有关。