第一章 概述

1.2.3 气动噪声机理

    1.普通离心压气机内部气动噪声

    在离心叶轮机械内部，由于动静叶片排之间的相对运动，流场不仅在空间上极不均匀，而且在时间上表现为强非定常流动。这种流动的非定常性不仅影响机器的效率、工况范围和运行稳定性等气动性能，同时也是离心叶轮机械气动噪声产生的主要根源。

    毛义军等采用有限容积法对某离心风机内的气动噪声进行了分析，通过对比监测点处的压力脉动幅值，判定幅值最高处——蜗舌顶部的静压脉动最强，是主要噪声源。通过对比不同点的基频幅值，判定噪声类型主要表现为旋转噪声。

    刘秋洪等采用SIMPLEC算法对Ghost叶轮的三维非定常流场进行了数值模拟。利用计算所得流场结果并结合Lighthill和Lowson声学方程计算了由叶片表面非定场脉动力产生的气动噪声。计算结果表明：气动噪声的峰值主要集中在基频及其谐波附近；与静止的点声源相比，运动的点声源不仅使声场存在明显的多普勒效应，还会使声场的强度产生较大的变化；但对转速恒定的旋转点声源，加速度的变化对声场的影响可以忽略；从声场的分布来看，整个旋转叶轮可以看成是一个按简谐变化的偶极子源。

    2.涡轮增压器气动噪声机理

    对于涡轮增压器离心压气机内部其固有的气动噪声，包括压气机以及涡轮部件中的转静子干涉造成的非定常脉动引发的气动噪声、由于不稳定的间隙流和涡旋射流引发的气动噪声等，这些气动噪声源具有不同的频率与声强，可与车内其他具有不同固有频率的部件发生共鸣并传递至驾驶室，引起驾驶及乘坐不适的现象。要控制涡轮增压器的气动噪声需要把理论分析与实验研究结合起来。

    根据涡轮增压器气动噪声频率范围区分，噪声大致可分为四种类型：啸叫、颤噪、气鸣声以及嘘鸣声。其中啸叫及颤噪类型与转子结构动力学相关，而气鸣及嘘鸣声则属气动噪声。气鸣声频率范围一般在5～20kHz区间，属超同步噪声，主要与转子的通过频率相关，由增压器压气机内来自上游或下游的空气传播。嘘鸣声一般由增压器转子、静子内不稳定流动引起。造成流动不稳定的因素有很多，其中最主要的因素是由于压气机叶轮、压壳、涡轮叶轮、蜗壳以及无叶扩压器内的流动分离造成的，如顶隙泄漏涡团、攻角造成的通道内流动分离涡团等。这些分离涡团具有不同的尺度、不同的涡旋频率和迁移速度，因此在流通区域内产生的对工作介质的脉动干扰波的作用效果也有较大区别，这使得嘘鸣声具有较大的频率带宽。

    从噪声产生的机理来看，涡轮增压器离心压气机内部的气动噪声主要由两种成分组成，即旋转噪声和涡流噪声。

    旋转噪声是由于工作轮旋转时，轮上的叶片挤压周围的气体介质，引起周围气体的压力脉动而形成的。对于给定的空间某质点来说，每当叶片通过时，挤压这一质点气体的压力便迅速地起伏一次，旋转叶片连续地逐个掠过，就不断地产生压力脉动，造成气流很大的不均匀性，从而向周围辐射噪声。

    旋转噪声的频率可由下式确定：

fri=nZ/60·i   (1-1)

    式中n——离心压气机工作轮的转数，单位为r/min；

    Z——叶片数；

    i——取1，2，3，…谐波数。

    其中i=1为基频。从旋转噪声的强度来看，基频最强，其次是二次谐波，三次谐波。可以看出，旋转噪声是离散的，且它们的噪声强度是逐渐减弱的。

    对于涡轮增压器的离心压气机，如果在工作轮(动叶)前有导流器(静叶)，当工作轮旋转时，动叶片周期性地承受通过前面静叶片排流出不均匀气体，则气流作用在动叶片上的力也是周期脉动的。那么离心压气机同时存在两种旋转噪声：其一是由于叶片及叶片上的压力场随工作轮旋转对周围介质产生扰动而造成的噪声；其二是由于动静相互作用的空气动力，对叶片所造成的压力脉动所产生的噪声。

    涡流噪声又称为紊流噪声，它主要是气流流经叶片界面产生分裂时，形成附面层及漩涡分裂脱离，引起叶片上压力的脉动，从而辐射出一种非稳定的流动噪声。

    涡流噪声的频率大致可由下式计算：

fci=Kv/bi   (1-2)

    式中K——斯特劳哈尔数，在0.14～0.20之间；

    v——气体与叶片的相对速度，单位为m/s；

    b——物体正表面宽度在垂直于速度平面上的投影，单位为m。

    涡流噪声的频率主要取决于叶片与气流的相对速度，而相对速度又与工作轮的圆周速度有关。圆周速度是随着工作轮各点到转轴轴心距离而连续变化的。因此，涡流噪声是一种宽频带的连续谱。