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氣動聲學(Aeroacoustics)

        自19世紀中葉英國科學家Rayleigh勛爵發表了集經典聲學之大成的不朽名著《The Theory of Sound》之后，聲學研究在19世紀末達到了高潮，其基本理論在20世紀初已經相當成熟，在進入二十世紀后，發展較少。然而當二戰結束后，噴氣推進技術開始進入航空工業，強大的氣流噪聲成為噴氣式發動機推廣應用的嚴重障礙，當工程師們絞盡腦汁想各種辦法企圖降低氣流噪聲的時候，人們才猛然意識到：過去幾百年間對流體發聲認識的全部積累還遠不足以處理這些具有巨大實際意義的問題。從那時起，氣動聲學作為一門新興學科開始成型。20世紀60年代，時任UCLA校長的Powell最早提出用“Aeroacoustics”（氣動聲學）這個詞，在70年代以后，逐漸被人們接受，現在“氣動聲學”一詞被廣泛用于描述流動和聲相互作用的各類問題。1952年，英國科學家Lighthill在英國皇家學會會刊上發表了其著名的Lighthill方程和聲擬理論，今天人們普遍把這項工作當作氣動聲學誕生的標志，Lighthill方程成為了研究氣動聲學的最基本的方程。關于這項工作所具有的歷史意義，Ffowcs Williams有過這樣的評價：“情況立即發生了改變，因為1952年Lighthill發表了其開創性的工作——建立了氣流產生聲音的最一般理論。這篇論文完全是一項杰作，它充分利用了數學工具對其觀點進行了優美的闡述。所有分析都建立在最基礎的層次上，并且他推導出的產生聲音的精確理論，完全秉承幾百年來聲學大師們的傳統理念。Rayleigh或者是Stokes如果當時就意識到這個問題的重要性，同樣會推導出這些結果。氣動聲學從此翻開了嶄新的一頁。Lighthill理論帶來的影響是令人敬畏的，……，事實上，他提出的八次方律竟然反過來成為了驗證實驗工作正確性的依據，在那時的編輯們看來，只有滿足了八次方律的實驗結果才是正確的，才可以被采用和發表。”

         Lighthill方程直接從NS方程出發導出，沒有任何的簡化和假定，它把方程左邊表達成為經典的聲學波動方程，而把所有偏離波動方程的項都移到了方程的右邊，看作為源項。于是人們可以首先通過試驗或計算的途徑（DNS，LES甚至是利用湍流模式理論），獲得這些源項的表達，然后把聲場看作是在聲源產生的聲波在靜止介質中進行傳播，于是可以利用成熟的古典聲學方法來計算聲場。這種將流場和聲場分別處理的方法，就是著名的Lighthill聲擬理論（Aeroacoustics analogy）。當然原則上，人們可以直接從NS方程出發用數值方法來求解聲場參數，一步完成，但是聲學量是個非常小的量，即使是利用今天具有的計算技術，要保證這個小量的計算精度仍然是一項頗具挑戰性的工作，在50年前，這種做法完全是不可能的。Lighthill利用方程提出了著名的8次方律，即湍流噪聲的輻射聲功率與流動特征速度的8次方成正比。Lighthill聲擬理論在實際問題中得到了廣泛的應用，它開創了氣動聲學的第一個黃金時代。

         Lighthill聲擬理論是針對無界空間中的氣流噪聲而建立的，對于在固體邊界不起主要作用的情況下，比如射流噪聲問題，其理論是適用的。但是很多實際問題中，比如湍流中靜止物體的發聲問題、運動物體的發聲問題，固體邊界的影響具有非常重要的意義。1955年，Curle首先用基爾霍夫方法將Lighthill理論推廣到考慮靜止固體邊界的影響，最后得到的結果是：固體邊界的作用相當于在整個固體邊界上分布偶極子源，且每點偶極子源的強度等于固體表面該點作用在流體上的力的大小。所以，聲場此時是由固體表面的偶極子和固壁以外的四極子（Lighthill應力張量）源疊加而成的。Curle的理論成功解決了湍流中繞流物體的風鳴聲（Aeolian Sound），圓柱漩渦脫體誘發的噪聲等問題。1969年，Ffowcs Williams與Hawkings應用廣義函數法又將Curle的工作向前推進了一大步，擴展到了考慮運動固體壁面對聲音的影響，即運動物體在流體中的發聲問題，得到了后來以他們的名字命名的方程——Ffowcs Williams & Hawkings方程（簡稱FWH方程）。這個方程告訴人們，運動物體與流體相互作用產生的聲場是由四極子源、偶極子源和由于位移所產生的單極子源的疊加組成的。FWH方程的提出為解決風扇、螺旋槳、壓氣機轉子的噪聲輻射問題提供了最有效的工具。

         Lighthill理論在獲得巨大成功的同時，也導致一些新的問題產生。由于聲場和流場本質上是統一的，其控制方程都是NS方程，理論上是可以從方程直接得到流場解和聲場解的，而Lighthill聲擬理論將流場和聲場的求解分成了兩步，就不能回答諸如聲場和流場如何相互作用，聲波能量在流體中如何產生、傳遞等基本問題。所以，在Lighthill之后，氣動聲學的發展一方面按照Lighthill的思想繼續深入，另一方面，氣動聲學的內涵和所研究的范圍也不斷擴大。這其中，最為引人注目的是上世紀60年代以后，以Powell、Howe為代表的一批學者，提出的渦聲理論（Theory of vortex sound）。他們的工作幾乎都毫無例外的表明，聲波的產生同流體中的漩渦與勢流以及漩渦之間的相互作用有密切的關系，聲波能量的形成、轉換也是通過這些非線性相互作用來完成的。這些問題一直以來都是氣動聲學基本理論研究方面一個非常活躍的方向，但是從預測氣動噪聲的角度來看，其貢獻現在尚不能與Lighthill基本理論的巨大實用價值相比。

posted on 2009-12-25 11:26 ningfangli 閱讀(1308) 評論(2) 編輯收藏引用所屬分類: 聲學

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