管路声学测试中声与湍流脉动压力的分离研究

　　1 引 言

　　在很多实际情况下，管道的声学测量必须在流动介质的管道中进行。 在平均流速为零的静止管道中，往往将声学传感器置于管道中心进行测量。 但在流动管道中，管道中心流速最高，在传感器后产生的涡流导致的流动干扰最大，其它将传感器突出于管壁中的安装方式也是如此。 减小由于传感器安装而导致附加流体扰动的方法之一，是选用与管壁内表面几乎齐平的传感器，但即使如此，由于管壁表面附近存在湍流边界层，声学传感器不仅接收到来自被测声源的信号，同时还接收到传感器安装部位的湍流边界层脉动压力，使后者成为管道声学测量的干扰分量。 为了降低流动噪声干扰，还有将传感器置于与管道流体介质连通的小腔中的安装方法[1]，但在管道与小腔的连接边缘，由于流动分离，也会发生剪切振荡，较大的腔中还存在自激振荡，会起新的流动噪声干扰。 如果在腔与管道的连接面放置透声性能好的有机玻璃，虽可避免流体扰动直接作用于传感器，但要考虑有机玻璃的透声损失，还要考虑腔中的声场分布特性。 本文研究传感器与管壁齐平安装时声与湍流边界层脉动压力的分离方法。

　　关于平均流动对管道声学的影响，孙玉东等（2011）[2]考虑了锥管中平均流速及其沿轴向变化对锥管中声传递的影响，但未考虑流动引起的湍流脉动压力；Michalke 和 Arnold（1996）[3]从理论上研究了存在平均流动的均匀圆管中声场的相干性，表明只要圆管中声源是唯一的，声场的相干性令人满意，但同样未考虑流动引起的湍流脉动压力的附加声源干扰；Holland 和 Davies（2000）[4]给出了存在平均流速的管道中声功率流的表达式；Shi 和 Jacobsen（2010）[5]采用已有的湍流边界层脉动压力模型，分析其对管路中声强测量的影响；Pedersen 和 Norton（1997）[6]给出了气流管道中声与流体脉动压力的分离方法。

　　本文利用湍流边界层脉动压力相干半径之外， 不同传感器接收信号之间声信号的相干及其与脉动压力的互不相干特性，给出两者的分离计算方法。 针对水泵水动力噪声测试管路中水听器的测试结果进行声与脉动压力（伪声）的分离计算，分析了泵在不同转速即管路流量变化时的脉动压力谱及其与声信号的差异。 结果表明，分离获得的湍流边界层脉动压力谱与以往的理论研究结果较为一致，且由于其量值远小于真声信号，对水泵作为水动力噪声源测试的影响可忽略不计。

　　2 管路中声与湍流脉动压力的分离方法

　　图 1 表示流动管路中进行声学测量的装置与传感器布置。 图中泵为流体驱动机械，在泵的前后分别有管路与泵的入口和出口法兰连接，在进、出口管路中分别安装声学传感器以测量管内声场。 当在每一侧管路中沿轴向安装 2 个传感器时， 可进行声沿轴向正、 反两个方向传播声波的波分解； 每一侧管路中安装 3 个传感器时， 可用于有限壁厚管路中工作介质的声速测量， 同时也可用于本文所述声与湍流脉动压力的分离。