调制气动声源声辐射特性实验研究

    调制气动声源(又称调制气流扬声器)是自上世纪60年代发展起来的大功率声源。其使用压缩空气作为气源,经过一个电动的调制,将压缩空气所携带的机械能量转化为声能[1]。由于其产生的声压级高、声波信号便于控制、频率响应范围较宽等特点,受到声学界的广泛关注。目前,大功率的气流扬声器除作远距离广播外,还运用于强噪声环境试验、大振幅声波的实验研究、声波清洗以及强噪声生物效应等研究[2-4]。

    到目前为止,人们对气流扬声器开展了相当多的工作。在理论方面,Mayer[5]于1969年提出了严格的理论,马大猷[1]于1974年提出了近似理论;在实验方面,沈[6]介绍了大功率气流扬声器在不同典型条件下的测量方法,并对低频声辐射进行了实验,贝尔实验室CecilH. Coker[7]对高压气流通过调制孔洞后形成的脉动射流进行了测量,认为以等效电路理论为主的准稳态发声理论不能来解释实验测得的结果;在数值模拟方面, W. Zhao, S. H.Frankel[8]建立了刚性圆形管道中变截面孔洞调制射流发声过程的轴对称数值模型,结果表明孔洞形状对脉动射流稳定性、漩涡脱落和辐射声场有重要影响,白春华[9, 10]等模拟了10 Hz气动发声阀内部流场分布,研究了发声器外部声场特征。

    本文利用喉部发声的原理[1]设计加工了调制气动声源。通过实验研究了气流扬声器与不同谐振管组合后在不同工作频率下发声强度,揭示了谐振管结构与工作频率之间的匹配关系,对提高气流扬声器在低频处的发声强度具有指导意义。

    1 实验装置

    本实验采用调制气体扰动法产生噪声。实验气源为英格索兰移动式空压机(出口最大压力1. 2MPa,流量12 m3/min),气流扬声器由气室、切割盘和喷口等组成,其详细结构如图1所示。其工作原理是,气室内的切割盘在电机的带动下旋转,切割盘上的开孔与喷口部分构成了一个脉动的部件,气室内的高压气体周期性地由喷口排出,含声音的气流经谐振管作用后辐射到大气空间。其声音的频率(即气流扬声器的工作频率)f0由电动机的转速决定,如以H表示转角,显然有H=2Pf0t。

    实验记录仪采用四川华测研发的数据采集仪,其采样频率为5KB/s,采样长度为25KB;声测量传感器为丹麦B&K公司的传声器(型号BK4191L),传声器位于谐振管出口斜45b方向1 m处,以避免出口气流影响。传声器布置的高度和谐振管喷口中心高度一致。现场实验布置示意图如图2所示。

    在低频高声强发声系统中,除了发声部件外另一个重要的部件就是谐振系统。它相当于一个声学放大器,可以有效的提高气流扬声器的输出声压。本实验的谐振系统采用两种不同结构的谐振管。一是变截面谐振管,为双曲型喇叭;二是等截面谐振管。其结构与尺寸如表1所示。