高聲強次聲產生裝置聲場特性實驗研究

董明榮，陳克安，許學忠，張 敏，阮浩忠

（1．西北核技術研究所，陜西 西安 710024；2．西北工業大學航海學院環境工程系，陜西 西安 710072）

引 言

次聲廣泛存在于自然界、工業生產環境、交通運輸環境中［1，2］，超過一定強度的次聲對人員會產生不良影響［3～5］。大型火箭能產生較強的次聲波，一方面要研究次聲對人體的影響，另一方面要降低火箭航天人員座艙中的低頻和次聲的聲強，以減輕對人的影響。聲波的生物學效應取決于聲波作用的頻率、聲壓級大小、持續時間等參數，并與生物體本身的生物物理學、生物化學等特性有關。關于次聲的安全閾值，目前國際上尚無公認的統一標準。研制高聲強次聲源可為次聲生物效應研究提供所需的聲場環境。

氣流調制聲源使用壓縮空氣作為氣源，經電動的調制將壓縮空氣所攜帶的機械能量轉化為聲能［6，7］。其產生的聲波聲壓級高、便于控制、頻率響應范圍寬、能量轉換效率高．可用于遠距離廣播、強噪聲環境實驗、聲學清洗和強噪聲生物實驗等［8］。在封閉空間次聲產生技術方面，美國陸軍實驗室用氣流調制聲源研制的次聲產生裝置在2～20Hz頻段產生了最高160dB的次聲［9～11］。Cook等人用低音揚聲器用來產生10，12，15和20Hz頻率成分的聲波，但聲壓幅度偏低［12］。陸曉軍等采用低頻揚聲器研制的次聲艙最大能產生140dB的次聲聲場［13，14］。可見氣流調制技術產生的次聲壓幅度遠大于電動揚聲器產生的次聲壓幅度。

總的來看，國內對封閉空間中高強次聲產生機理和技術途徑等還有待進一步探索。鑒于氣動次聲產生過程的復雜性和數值仿真巨大的運算量，實驗研究顯然是一種有效的途徑，其結果能給理論研究提供驗證數據，也能促進理論研究的開展。

本文通過實驗來研究基于氣流調制的高強度次聲產生裝置的聲場特性。限于篇幅，本文的重點是闡述實驗結果，該裝置的理論研究結果、具體的結構設計和初步的實驗結果另文敘述［15］。本文的實驗數據和分析結果有助于掌握實驗裝置內部和外部的聲場特性，也有助于理解調制器、共振腔等主要部件的工作原理，為裝置設計提供了重要參考和依據，同時也可為低頻氣動聲學的非線性特性研究提供基礎數據。

1 實驗裝置和實驗方法

高聲強次聲產生裝置的工作過程是用氣流調制器對壓縮空氣進行調制，產生按一定頻率周期性變化的氣流，進入雙室赫爾姆霍茲共振腔產生高強度次聲。該裝置主要由空壓機、儲氣罐、緩沖罐、調制器和赫爾姆霍茲共振腔構成，空壓機給儲氣罐供氣，總體設計示意圖見圖1。把調制器氣流噴入的艙稱為輸入艙，另一個艙稱為測試艙。諧振管安裝在輸入艙和測試艙之間的墻上，可安裝1根或者2根，可更換不同長度的諧振管。

實驗過程中使用的主要設備有B＆K4193傳聲器、B＆K2690信號調理儀和DEWE－3020數據采集分析儀。該采集儀自帶24位AD分辨率的采集卡，實驗時使用50kHz的采樣率連續采集。用采集儀自帶的信號處理程序進行實時聲壓級計算和顯示。

實驗前除檢查空壓機、儲氣罐的安全性外，還要進行低氣壓情況下全系統的試運轉：調制器加上潤滑油，用空壓機給儲氣罐充氣到0．2MPa（絕對壓力，下同），調制器開始運轉后儲氣罐給調制器供氣，觀察調制器運轉情況，同時檢查測量系統的測量數據是否正常。低氣壓全系統運轉正常后，用空壓機給儲氣罐充氣至0．6MPa，然后開始實驗。儲氣罐壓力不斷降低，降至0．3MPa時停止實驗。后來采用了大流量空壓機，可長時間保持穩定的大于0．3 MPa供氣壓力進行實驗。實驗時人員要遠離實驗裝置，以減小次聲對人員的傷害。

次聲產生裝置的調制器是單頻工作，工作頻率范圍1～30Hz，可通過電腦調整工作頻率。該裝置運行時調制器進行與諧振管相對應的諧振頻率（工作頻率）的調制，產生工作頻率的聲波。通過更換不同的諧振管，可以產生不同工作頻率的聲波。為了測試特定諧振管時共振腔的共振效果以及對比分析其他特性，可選取幾種諧振管分別進行3～24Hz的掃頻實驗，每個頻率成分持續十幾秒鐘。

圖1 總體設計示意圖Fig．1 The sketch map of the overall design

2 實驗過程和分析

2．1 測量系統校準和次聲測量一致性的考核

測量系統的校準是實驗數據可靠性的重要保障，通過對傳聲器靈敏度的校準可實現對本測量系統軟硬件的整體校準。實驗前用英國的CEL－110／1聲校準器的1 000Hz聲信號對測試用的4個B＆K4193傳聲器進行了靈敏度較準，以確保傳聲器和信號處理程序的一致性。

為了進一步考核這4個B＆K4193傳聲器對于次聲信號測試的一致性，把這4個傳聲器捆在一起，放在測試艙中央位置處，B＆K2690調理儀的輸出靈敏度參數設置為3．16mv／Pa。根據 CEL－110／1聲校準器的校準結果，聲壓級計算時所用的4個傳聲器的靈敏度（mv／Pa）使用 3．16，3．39，3．16 和3．12，得到的12Hz聲信號的測量結果依次是158．3，158．3，158．5和158．6dB，測量結果最大偏差為0．3dB。另外，如果靈敏度都使用3．16mv／Pa的話，測量結果的最大偏差是0．7dB。顯然，B＆K4193傳聲器測量次聲波的一致性很好，即便不進行靈敏度校準，測量偏差也小于1dB。小于1 dB的測量偏差對于具有強烈非線性的高聲強次聲而言，精度已經足夠。因此，在后續的實驗過程中，用聲校準器對B＆K4193傳聲器進行校準的作用是檢查測量系統硬件連接和軟件的設置是否正確，傳聲器的靈敏度使用B＆K2690調理儀的設置參數即可。

2．2 測試艙和輸入艙聲信號的對比

把2個B＆K4193傳聲器分別放在輸入艙和測試艙中同時進行3～24Hz的掃頻測量，艙內安裝2根1．1m長諧振管，實驗過程中儲氣罐壓力不斷降低，但不會影響各個頻率聲波的對比。圖2和3是3Hz和18Hz的聲信號和頻譜。圖4是測試艙和輸入艙的各個頻率成分基頻的聲壓幅度。艙內聲信號在短時間內是平穩的，因此為了便于分析測試艙和輸入艙的聲信號相位差，可假設聲信號的相位差小于180°（半個周期）。先采用互相關時延估計算法計算出時延值［16］，然后再根據對應的頻率數值計算出相位差。圖5和6是測試艙與輸入艙的聲信號的時延和相位差。綜合分析可得出如下結果：

（1）對于3Hz：測試艙的聲壓幅度比輸入艙的大，兩個艙聲波波形相似，相位差較小；對于18Hz：測試艙的聲壓幅度比輸入艙的小，相位差較大，幾乎反相；測試艙的聲波近似正弦波，輸入艙的聲波有顯著的波形畸變，而且由于氣流的影響負壓波形較尖銳。

（2）從各個頻率成分的強度變化趨勢可看出雙室共振器有兩個主要的共振頻率：一個小于3Hz，是雙艙整體和排氣管組成的共振器的共振頻率；另一個約13Hz，是測試艙單個艙體與內部諧振管組成的共振器的共振頻率。測試艙信號的聲壓強度表明8Hz左右也是個共振峰，這是雙艙整體和內部諧振管組成的共振器的共振頻率。

（3）從聲信號的頻譜圖可看出：輸入艙信號有明顯的幾十赫茲到幾百赫茲的高頻成分，其強度比測試艙的大了幾十分貝，最大差值約50dB。輸入艙信號頻譜的各個頻率成分，除共振器的2個主要共振頻率附近外，都比測試艙的信號強度大，在2個主要共振頻率附近輸入艙和測試艙的次聲信號強度近似相等。這可作為實驗判斷雙室共振器共振頻率的一個途徑。

（4）從圖4可看出，當調制頻率大于13Hz時，測試艙的次聲信號強度小于輸入艙的；當調制頻率小于13Hz時，測試艙的次聲信號強度大于輸入艙的。

（5）13Hz時測試艙和輸入艙的次聲信號時延值最大，約0．03s，8Hz也對應一個小的共振峰，8 Hz和13Hz這兩個峰值兩側的時延值減小。3Hz時相位差約3°，隨著頻率的增大而增大，24Hz時相位差為175°，這時輸入艙和測試艙的聲信號近似反相。顯然，時延曲線的峰值位置也可用于判斷雙室共振器共振頻率。

圖2 測試艙和輸入艙的3Hz實驗結果Fig．2 The experimental results of the test chamber and the input chamber at 3Hz

圖3 測試艙和輸入艙的18Hz測量結果Fig．3 The experimental results of the test chamber and the input chamber at 18Hz

圖4 測試艙和輸入艙的聲壓幅度Fig．4 The SPL of the test chamber and the input chamber

圖5 測試艙與輸入艙的聲信號的時延Fig．5 The time delay of the sound signal between the test chamber and the input chamber

圖6 測試艙與輸入艙的聲信號的相位差Fig．6 The phase difference of the sound signal between the test chamber and the input chamber

2．3 測試艙的頻響和聲信號失真情況

這次實驗中采用了大流量空壓機給儲氣罐供氣，供氣壓力穩定，因此掃頻測量結果可以作為頻響特性曲線。測試了采用2種長度諧振管時測試艙內的聲信號，圖7和8為2根1．9m長和單根1．9m長諧振管的頻響曲線，圖中也給出了2次和3次諧波的強度。可看出都有2個共振峰：一個小于3Hz，強度為161dB；另一個是測試艙單個艙體與內部諧振管組成的共振器的共振頻率，采用2根1．9m長諧振管時的共振頻率約為11Hz強度為158dB，采用單根1．9m長諧振管時的共振頻率約為7Hz強度為158dB。

圖7 采用2根1．9m長諧振管時的頻響曲線Fig．7 The frequency response curve for two resonant pipelines of 1．9mlength

圖8 采用單根1．9m長諧振管時的頻響曲線Fig．8 The frequency response curve for one resonant pipeline of 1．9mlength

2種諧振管工況下，基頻的強度都比其諧波的強度大，與其2次諧波的最小的差值約4dB。調制頻率等于或接近共振頻率時，基頻聲波與其2次諧波的差值最大，約40dB，表明此時次聲波有很高的信噪比，聲波波形接近正弦曲線。基頻聲波和2次諧波頻響曲線的“凸凹相合”表明共振時聲波失真最小，這也是判斷共振頻率的一個途徑。另外，從曲線上看，2次諧波曲線對應共振頻率的凹谷相對于共振峰有1Hz左右的“滯后”，其物理機理有待深入研究。

2種諧振管情況下，3次諧波的強度范圍大約都是90～144dB，大多頻率成分比2次諧波要小20 dB左右。

2．4 艙體內外的次聲及其諧波強度

次聲產生裝置在運行的時候，通過排氣管同步向環境排放著強脈動氣流，為了了解其特性尤其是傳播衰減規律，進行了艙體內外對比測試。1個B＆K4193傳聲器位于測試艙中部，3個B＆K4193傳聲器位于艙外，距離排氣管20，50和100m，距離地面的高度為1m。采用2根1．9m長諧振管，圖9是50m遠處測點現場照片。艙內次聲強度與圖7中基頻的相同，圖10～12是艙外測點的測試結果，可看出次聲強度20m處小于115dB，50m處小于90dB，100m處小于80dB，可見次聲在戶外隨距離增加的衰減很快。與測試艙內聲信號失真較小相反，艙外次聲波非線性失真嚴重，很多能量轉移到其2次諧波、3次諧波等頻率成分，其諧波尤其2次諧波的強度大多數頻率成分都比基頻的大得多，有的頻率成分（如8Hz）超過基頻的20dB以上。

圖9 排氣管外50m處測點Fig．9 The measuring point whose distance from the vent－pipe is 50m

圖10 20m處聲波成分實驗結果Fig．10 The experimental results of the sound signal at 20m

圖11 50m處聲波成分實驗結果Fig．11 The experimental results of the sound signal at 50m

圖12 100m處聲波成分實驗結果Fig．12 The experimental results of the sound signal at 100m

另外，艙內頻響曲線隨著頻率的增加，趨勢是聲波強度逐漸較小。艙外的卻相反，隨著頻率的增加，聲波強度逐漸增大，而且隨著傳播距離的增加，這種趨勢在增強。

圖13 1樓到3樓測試實驗結果Fig．13 The experimental results of the sound signal from the first floor to the third floor

為了考察次聲產生裝置運行時對周圍辦公樓的影響，在裝置旁邊的一棟3層樓房里進行了測試，實驗時這棟樓房的大多數門窗敞開著，圖13是聲波基頻的測試結果。實驗時1個B＆K4193傳聲器位于艙內，3個B＆K4193傳聲器位于1樓、2樓和3樓的房間中部，距離地板的高度為1m。艙內次聲強度與圖7中基頻的相同。從圖中可看出，隨著頻率的增加，聲波強度在增強；隨著樓層的增加，聲波強度在減小，頻率越高，減小得越快。具體地，1樓的次聲強度小于100dB，2樓的次聲強度小于92dB，3樓的次聲強度小于70dB。

3 實驗數據分析結果

通過上述實驗過程的開展和對實驗數據的分析，綜合后可得出以下幾點分析結果：

（1）氣流進入輸入艙后經輸入艙的排氣管排出，強烈的脈動壓力通過輸入艙和測試艙之間的諧振管引起測試艙的聲波擾動，輸入艙和測試艙里都能產生高聲強的次聲。但輸入艙聲波成分里有較多的氣流噪聲，波形畸變較大，而測試艙的次聲信號較純凈。根據氣動聲學基本原理，氣體流速越快，所產生的氣流噪聲越大。因此，輸入艙里的氣流流速較快，有較大的風；測試艙的氣流噪聲小，表明其氣體流速較慢，沒有太大的風，有利于開展各種實驗。

（2）雙室共振器共振頻率有3個特征：測試艙和輸入艙聲波的強度相等、測試艙和輸入艙聲信號的時延曲線出現峰值、基頻聲波和2次諧波頻響曲線的“凸凹相合”。

（3）產生共振時，測試艙次聲波的基頻強度比其2次諧波的強度要大40dB以上，此時的次聲波幾乎為正弦波。

（4）艙外的測試結果表明該實驗裝置的排氣管產生的次聲在開放空間衰減很快，有顯著的非線性畸變，大多數能量向其諧波轉移，所產生的2次諧波有的頻率成分比基頻大20dB以上。傳播過程中次聲頻率越高，強度越大。

4 結 論

本文對高聲強次聲產生裝置的聲場特性開展了實驗研究。對比分析了測試艙和輸入艙聲信號的異同，詳細分析了2種諧振管工況下測試艙的頻響特性和諧波情況，對排氣管產生的艙外次聲及其諧波的傳播衰減情況也進行了初步的研究。實驗數據的分析結果對氣動高聲強次聲發生機理研究以及強聲波的非線性效應研究具有一定的參考價值。

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