基于简源声波理论的低频气流调制器发声特性研究

    气流调制器是气动发声装置的核心部件之一，可用于封闭空间发声［1］，也可用于开放空间发声。气流调制器发声过程复杂，其发声特性的研究可采用 CAA( computational aeroacoustics) 的精确数值计算［2，3］，或者采用 Fluent 等商业软件，还有就是采用一定程度简化的模型进行计算。这 3 种方法计算精度依次降低，但高精度带来的计算量是巨大的，根据不同的目的可使用不同的方法。

    Meyer［4］基于一维准稳态假设给出了气动扬声器理论分析的方法。后来，马大猷［5］用图解法求得给定气室压力和气流喷口面积比条件下的声辐射特性，用近似理论求出了声功率、气流产额和气流效率的表达式。吴建星［6］采用 Fluent 进行了气动阀门发声器的设计和特性研究。赵云［7］采用 Fluent 计算了调制气流声源的特性，由于受计算量的限制，仅计算了改变气室压力的情况。

    气流调制器产生低频声波的一种重要方式是脉动喷注，当气流平均马赫数小于 0. 2 时排气噪声以简噪声为主，当马赫数较大时，除简源噪声外，还辐射湍流噪声。例如往复式燃机和风动工具的排气噪声均属于脉动喷注噪声。文献［8，9］的理论和实验研究结果表明，对于低频脉动喷注，其噪声可表示为互不相干的简源噪声和湍流噪声的叠加。

    在假定简源噪声与湍流噪声彼此不相干的前提下，通过简源噪声的计算来对比分析调制器在不同工况下以及不同调制器结构的声波辐射特性。由于用于发声特性研究，不妨称简源噪声为简源声波。虽然本文的方法计算精度不是最高的，但便于调制器发声性能的快速计算和分析，便于掌握主要设计参数改变时的变化规律，可以为调制器结构选型和应用过程中的工况参数设计提供参考。在此基础上，可对设计方案进行 CAA 等高精度数值仿真来获方面具有较高的仿真精度，因此本文通过与 Fluent软件仿真结果的对比来验证简源声波理论用于分析调制器发声特性的可行性。

    1 气动发声系统概述

    如图 1 所示，采用空压机作为气源，供气进入气室后给气流调制器供气，压缩空气经过调制器后产生声波。

    低频声波调制器的喷口结构与气流扬声器的类似，只是喷口尺寸较大，转子筒旋转和圆盘旋转这两种典型结构能实现喷口的周期性开闭。大多数调制器采用内、外筒嵌套的结构，其中的一个筒作为定子筒，另一个筒作为动子筒，动子筒在电机的驱动下转动或伸缩运动，定子筒和转子筒上开一定形状的孔，孔交汇时产生排气，周期性的排气就可产生声波。

    调制器喷口的形状关系到机械加工的难易，也会影响发声特性。圆孔比方孔容易加工，动子筒转动比伸缩要容易实现。因此，考虑开孔形状和动子筒运动方式两方面因素，对方孔转动型、圆孔转动型和方孔伸缩型 3 种调制器进行排气面积计算公式的推导和发声特性的分析。