氣流噪聲
關注創建者：weiyong5935 創建時間：2018-08-23
氣流噪聲的實例教程
下面的文章討論了一種能夠使氣流噪聲對傳聲器的影響降到更低的方法，主要用于風洞中的陣列測量。氣流噪聲與車輛中產生的目標風噪聲十分相似，很難使用其他現有方法去區分。
作者：J?rgen Hald
博士，研究工程師
Brüel & Kj?r
在Brüel & Kj?r的“技術評論”中發表的文章對聲音和振動中的許多專業學科進行了更深入的探討。在這里，您可以找到先進的深層次理論、測量技術和有關特定儀器和技術的詳細信息。
從平均互譜矩陣（Averaged Cross-spectral Matrix）中去除不相干噪聲。傳聲器中的風嘯產生的噪聲是一種可能大家都熟悉的現象——例如，在戶外錄制的電視訪談中就能聽到。在室外或風洞中執行傳聲器陣列測量時，無法避免單個傳聲器中的這種流動噪聲。使用風罩可以降低該噪聲水平，但不能完全避免，并且如果風罩不比傳聲器間距小太多，則一個傳聲器中產生的噪聲也會被附近的傳聲器拾取。然而，在室外進行錄音時，氣流噪聲和語音具有完全不同的統計特性和頻譜特性，可利用這種特性開發（部分）消除氣流噪聲的算法。這對于風洞中的傳聲器陣列測量而言更加復雜，其中來自車輛的目標空氣動力學噪聲和單個傳聲器中的氣流噪聲具有相似的性質。
風洞中的陣列測量通常在開放的半消聲設施中進行，其中墻壁和天花板吸聲，并且被測車輛位于設施中下游的流動區域中。然后可將陣列放置在核心流域的外部，但盡可能靠近車輛（以及氣流），以獲得車輛上盡可能更高分辨率的聲源。因此，陣列位置的平均流速將會很低（通常小于5米/秒），但會有湍流。陣列可以放置在車輛的側面和/或上方。
噪聲源定位通常針對每個陣列執行延遲疊加（DAS）的波束成形方法處理，將陣列中所有傳聲器之間的互譜矩陣（CSM）作為輸入。CSM矩陣行和列，分別代表陣列中的每個傳聲器。
展開 下面的文章討論了一種能夠使氣流噪聲對傳聲器的影響降到最低的方法，主要用于風洞中的陣列測量。氣流噪聲與車輛中產生的目標風噪聲十分相似，很難使用其他現有方法去區分。
作者：J?rgen Hald 博士
研究工程師
傳聲器中的風嘯產生噪聲是一種大家都熟悉的現象——在戶外錄制的電視訪談中就能聽到。在室外或風洞中執行傳聲器陣列測量時，無法避免單個傳聲器中的這種流動噪聲。雖然使用風罩可以降低該噪聲水平，但并不能完全避免。然而，在室外進行錄音時，氣流噪聲和聲音具有完全不同的統計特性和頻譜特性，可利用這種特性開發（部分）消除氣流噪聲的算法。這對于風洞中的傳聲器陣列測量而言更加復雜，其中來自車輛的目標空氣動力學噪聲和單個傳聲器中的氣流噪聲具有相似的性質。
風洞中的陣列測量通常在開放的半消聲設施中進行，其中墻壁和天花板吸聲，并且被測車輛位于設施中下游的流動區域中。然后可將陣列放置在核心流域的外部，但盡可能靠近車輛（以及氣流），以獲得車輛上盡可能最高分辨率的聲源。因此，陣列位置的平均流速將會很低（通常小于5米/秒），但會有湍流。陣列可以放置在車輛的側面和/或上方。
噪聲源定位通常針對每個陣列執行延遲求和（DAS）的波束成形方法處理，將陣列中所有傳聲器之間的互譜矩陣（CSM）作為輸入。CSM矩陣行和列，分別代表陣列中的每個傳聲器。矩陣中的單元是由行和列的索引指定的兩個傳聲器之間的互功率譜。因此矩陣對角線上的單元代表每個傳聲器的自功率譜。
我們現在假設如下：
· 一個傳聲器引起的流動噪音未被任何其他傳聲器采集
· 不同傳聲器產生的氣流噪聲信號是不相干/獨立的
這意味著，在一個足夠長的平均時間之后，氣流噪聲貢獻在矩陣對角線以外將是微不足道的，而它們將保持在對角線上，即在自譜中。
展開 <p>在風洞中使用傳聲器陣列進行波束形成測量時，傳聲器信號會被氣流噪聲嚴重干擾。考慮穩態運行工況，傳統的頻域波束形成方法會對互譜矩陣（CSM）進行長時間的平均，假定傳聲器之間的氣流噪聲是不相關的，氣流噪聲與真實噪聲源信號也是不相關的，這樣氣流噪聲的貢獻會<strong>逐漸地集中在CSM主對角線上</strong>。</p><p><br></p><p>目前廣泛使用的方法是<strong>主對角線移除（Diagonal Removal, DR）</strong>，即避免使用CSM主對角線，這對于一些波束形成算法是有效的，但其缺點是會低估聲源幅值，在聲源云圖上產生負的聲功率。反卷積波束形成如NNLS可以使用DR去噪，CLEAN-SC也包含了DR過程，它對強聲源有很好地識別能力，但對弱聲源就無法收斂。</p><p><br></p><p>對于其他波束形成算法，如函數波束形成，以及與聲全息相關的算法，CSM主對角線是必需的。為此，本文介紹兩種新方法，即<strong>主對角線去噪</strong>（Diagonal Denoising, DD）和<strong>典型相干去噪</strong>（Canonical Coherence Denoising, CCD）。</p><p><br></p><p>DD從主對角線上最大可能地減去功率和，同時保持所有非主對角線不變并且矩陣是半正定的。當主對角線以外的噪聲貢獻都被平均掉，且不相干聲源的數目不超過<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OZOcVSxAOZVOaIuIaYLw6SdFVJBRpwhvxz6BMJkeC3UnntRexHVeq03OiaVibhWQO7JgCH4F1yu8pCjd47bulY0g/640?
展開 3.2 風機葉輪進口端的氣流噪聲的改善
3.2.1 問題描述
低速氣流進入鼓風機進氣風道內，受到高速旋轉葉片的作用力后變為高速旋轉氣流，在離心力的作用下，氣流進入葉輪內部葉片通道并向葉輪外側流動，并在葉輪外側產生高速高壓氣流，由于葉輪上方與蝸殼殼體在配合上存在一定間隙，葉輪外側高壓氣流通過此間隙向葉輪內側低壓區流動，這部分流動的氣流與葉輪進氣口氣流合流，并且在葉輪葉片上端內側轉角處產生較大氣流速度，而此處葉片拐角角度較小，導致在葉片拐角區域形成復雜的高速紊流，在高速紊流與高速旋轉的葉輪葉片表面共同作用下產生局部較大速度梯度及渦流。由于高速渦流是產生氣動噪聲的主要原因，因此對此處局部流場進行CFD優化可以有效降低鼓風機氣動噪聲水平。
3.2.2 數據改善對比
由于葉輪葉片上端內側拐角的角度較小，流動氣流會產生較高的氣流速度和速度梯度，為消除這種不利的高速氣流及降低速度梯度，考慮增大葉輪葉片上端拐角弧度，可以有效減小此處拐角表面氣流行程，降低此處氣流速度及速度梯度，有利于改善此處氣動噪聲水平。
3.2.3 改善前后仿真結果對比
改善后，葉輪葉片上端拐角弧度增大，該區域氣流流速明顯減小及速度梯度明顯降低，有利于減小此處因高速紊流產生的氣動噪聲。說明通過CFD分析顯示葉輪局部較大速度氣流梯度及渦流，通過增大葉片上端拐角弧度，可以有效降低該區域氣流流速及速度梯度，有利于減小此處因高速紊流產生的氣動噪聲。
3.3 鼓風機蝸殼的氣流噪聲的改善
3.3.1 問題描述
鼓風機進口段將氣流從進口導入葉輪中間進口區域，在進口至葉輪入口段形成負壓區域，氣流經過葉輪葉片做功后壓力及動能增大，氣流向外側流出并經過蝸殼導向后方HVAC通道。
展開 空調機組氣流噪聲仿真研究 ￥19.89
總結了目前空調室外機與室內機氣流組織與噪音仿真的研究現狀，并將現有研究成果應用到了機房空調領域，對采用變頻風機的某機房空調室外機進行了仿真，并提出了降噪的措施。同時對采用后向離心風機的機房空調室內機設計要點進行了分析，提出了降噪措施。
1. 問題描述：
噪聲是發聲體做無規則振動時發出的聲音，單位是分貝(dB)。對于機房空調設備來說噪音產生的方式有振動產生和流場中產生。振動產生的噪音包括，旋轉部件因組裝的損耗或軸承的缺陷而產生異常的振動，以及共振引起的噪音。流動所產生的氣動噪音，亂流、噴射流、氣蝕、氣切、渦流等現象。當空氣中以高速流經導管或金屬表面時，一般空氣在導管中流動碰到阻礙產生亂流或大而急速的壓力改變均會有噪音的產生。
如圖1，空調機組的噪音可分為機械噪音、氣動噪音和電磁噪音，噪聲源主要是風機、換熱器以及箱體。按照頻譜特性可分為離散噪聲和寬頻噪聲。
圖1 噪聲分類
機械噪聲----主要是由于風機中電機、換熱器等部件自身的精度和安裝精度不高，在其運行過程中會產生振動和摩擦，產生機械噪聲；
電磁噪聲----主要是由于風道中的風機中的電機在運行時由于電磁場交替變化引起周圍的機械部件的振動而產生的噪音，叫電磁噪聲，電磁噪聲不是主要的噪聲源。
氣動噪聲----又可分為渦流噪聲和旋轉噪聲，渦流噪聲是由于氣流在風道內流動，當流經葉片等障礙物時，由于氣體粘性力的作用，有一定速度的氣流與障礙物下游的靜止氣流會互相作用產生漩渦，這些漩渦中心的壓強比周圍空氣中的壓強要低，當漩渦脫落時，氣流會出現一次壓強的脈動，這種壓強的跳動會作用與周圍的介質中，進而輻射出噪音。旋轉噪聲主要是由于旋轉的葉片周期性拍打周圍靜止的空氣產生壓力的脈動進而產生噪聲。
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切面一速度云圖及速度矢量
切面二速度云圖
根據切面一速度云圖及矢量和切面二速度云圖，可以看出經過增壓風機后氣流偏向連接煙道的一側及底部，進入煙囪前的局部最大風速達到約89.1m/s，可能因為局部高風速帶動低速氣流形成氣流脈動，引發噪聲。
4.2添加導流
寬帶噪聲</strong></p><p> 寬帶噪聲由氣流在葉片表面形成湍流后分離時發出，其頻譜在整個頻率區間內無明顯起伏，呈現出寬頻帶特性。寬帶噪聲主要由湍流邊界層或葉片上的分離引起。
<p>在風洞中使用傳聲器陣列進行波束形成測量時，傳聲器信號會被氣流噪聲嚴重干擾。考慮穩態運行工況，傳統的頻域波束形成方法會對互譜矩陣（CSM）進行長時間的平均，假定傳聲器之間的氣流噪聲是不相關的，氣流噪聲與真實噪聲源信號也是不相關的，這樣氣流噪聲的貢獻會<strong>逐漸地集中在CSM主對角線上</strong>。
得到了以下結論：
·
在低頻范圍內，底盤空間中分布著眾多底盤氣流的噪聲源，主要集中在前輪和前凌掛部分周圍。
·
在150 Hz以上的頻率范圍內，結構振動向車廂傳遞的主要路徑是質量-法則路徑。
·
由于外表面的彈性振動，聲波輻射進入底盤空間并達到地板板塊的聲波傳輸路徑對車廂的影響可以忽略不計。
［５］ 劉麗．探究往復活塞式壓縮機氣流脈動噪聲及其降噪策略［Ｊ］．現代制造技術與裝備，２０１６，（０５）：９０－９１．
在壓縮機的噪聲中，主要有結構噪聲、氣流噪聲和電機噪聲。近年來，隨著壓縮機電機的高功率密度、小型化發展，電機相關的振動噪聲問題逐漸凸顯出來。劉士興[1]利用Ansoft軟件建立了9槽6極永磁同步電機的有限元模型，并通過對徑向電磁力仿真分析后提出了定子齒削角、轉子不均勻氣隙、提高定子模態頻率、轉子分段斜極等降低振動的優化方案。
誤差的原因是由于仿真無法模擬氣流沖擊產生的噪聲，而這部分對于優化結構產生的輻射噪聲影響不大：如果是對不同的方案進行測試，都涵蓋氣流的噪聲；如果是對不同的方案進行仿真，則都不涵蓋氣流的噪聲。因此利用聲學有限元的發動機噪聲仿真模型可預測發動機的噪聲趨勢。
該方法不局限用于缸體結構的輕量化研究，還可應用于其他部件方案的成本優化、輕量化材料選取等對發動機振動噪聲的預判。
03
電動機噪聲源
電動機噪聲主要有電磁噪聲、機械噪聲和氣流噪聲
文章運用CFD分析方法對某款車型空調HVAC在設計開發階段遇到的進風風量降低、葉輪氣動噪聲、蝸殼氣流噪聲3個問題進行設計仿真，通過仿真分析結果針對氣流干擾部分的結構進行了改善，利用試驗對改善方案進行對比驗證，證明了CFD仿真方法分析的有效性，為空調HVAC在設計階段的流場性能改善、NVH風噪改善及數據定型提供了有益的參考。
(2)在產生氣流噪聲最強的部分加裝有對氣流的阻力小，不影響電機散熱和裝卸方便的消聲器。
(3)搬運中避免機座遭受機械撞擊。
(4)電動機是從電源吸收電能，轉換成機械能再從軸上輸出，所以電網中采取動態無功補償和濾波裝置，使電源中的諧波分量符合規范要求，提高供電質量，保證電壓、頻率合格，三相電壓平衡，以控制電機噪聲。
