多入口水力漩涡哨发声机理研究

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流体动力式发声器以其加工方便,操作简单等优点,已被广泛应用于诸多领域。漩涡哨是典型流体动力式发声器的一种。然而迄今为止,针对漩涡哨的研究主要集中在空气中,普遍采用宽频噪声模型分析漩涡哨的声辐射特性,对频率和声场相关信息研究较少。其次,对漩涡哨的发声机理研究鲜少,使其因低效率而限制了它的应用。考虑到漩涡哨腔体自身的旋转结构,使流体总速度具有三维矢量性,而切向速度可以改善漩涡哨的流场,从而提高哨的声辐射。因此,本文从切向入口位置和入口数量角度考虑结构优化,比较分析不同结构哨的声辐射特性,进而对发声机理展开研究。本文结合流体动力学和气动声学相关理论,借助计算流体力学相关理论,采用ANSYS软件包中的Workbench平台内的FLUENT模块,基于大涡模拟和声比拟结合的方法,对水力漩涡哨模拟仿真。主要研究工作如下:1.针对单入口漩涡哨从三方面模拟仿真。首先,探究入口位置对水力漩涡哨声辐射的影响,综合声功率级云图和频谱(能量)图结果,得到入口位于腔体中间位置时,水力漩涡哨的声辐射效果最好。其次,以入口位于中间位置的哨为模拟模型,探究水力漩涡哨的发声模型。发现四极子对漩涡哨总的声辐射贡献较小可以忽略,偶极子声源起主要作用,且以偶极子发声代替漩涡哨的总辐射声能。最后,探究入口压力对单入口哨声辐射的影响,发现单入口哨的声辐射能量随入口压力的增大而增大。2.通过增加入口个数而设计两种多入口漩涡哨,等压非等流量多入口哨与等压等流量多入口哨。在忽略阻力的情况下,等压非等流量(与单入口相比,入口管总压力相等、总流量变化,下同)与等压等流量(与单入口相比,入口管总压力相等且总流量不变,下同)。研究工作主要从以下三方面展开。首先,对比分析等压非等流量哨与传统单入口哨的声性能,发现等压非等流多入口哨的声辐射能量随入口个数的增加而增加;主峰频率是双入口高于单入口,四入口高于三入口。其次,对比分析等压等流哨与传统单入口哨的声特性,结果表明等压等流哨中,三入口声辐射能量低于单入口哨,双入口和四入口比单入口声辐射能量高;主峰频率是入口个数为偶数的高于入口为奇数。最后,对比分析两种哨声辐射出现差异的原因,发现对于等压非等流哨,轴向速度和径向速度与声辐射能量随入口增加,变化规律相同。总速度和切向速度与主峰频率随入口增加,变化规律相同。对于等压等流哨而言,轴向速度与径向速度对声辐射能量贡献大。综合省材,加工与耗能考虑,等压非等流中的双入口哨适用。最后,对选出的最优结构哨进行压力变化,发现声辐射随入口压力的增加而增加。
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