突变截面驻波管和极高纯净驻波场的实验研究

突变截面驻波管和极高纯净驻波场的实验研究 第卷第期 声学 学 报 .,.年月 ., 献给马大猷教授华诞 突变截面驻波管和极高纯净驻波场的实验研究术 闵琦, 彭锋 尹铫 刘克 中国科学院噪声与振动重点实验室声学研究所北京 红河学院云南 年月日收到 年月日定稿 摘要突变截面驻波管属于失谐驻波管,即其高阶共振频率不是一阶共振频率的整数倍.通过对的优化设计,利用 的失谐性质在一阶和二阶共振频率下激励分别获得了 和 的极高纯净驻波声场.尽管声压级已经很高, 但在接下来的对一阶和二阶共振频率激励下的声波波形畸变和谐波饱和情况进行的实验研究中仍然没有观察到谐波饱和现 象.与此同时,对三阶共振频率激励下的声场进行了实验研究,由于三阶共振频率激励下的大振幅非线性声场的二次谐波频 率接近六阶共振频率,在声压级达到 时观测到了三阶共振频率激励下的声 波波形畸变和谐波饱和现象. 数:. ? , 话., ., . ,. , . ,.之一.为提高热声机的功率和效率,热声机需要工作 在大振幅非畸变纯净声场下,这使得对大振幅非畸 引言 变纯净驻波场的研究和获取更具实际意义】. 大振幅非畸变纯净驻波场有着许多重要的实 研究表明,如果对驻波管的管形进行合理设计, 际应用,如传声器的校准、化学反应过程的控制 使其管内声场高阶共振频率不是一阶共振频率的整 等【,一.近年来,出于国内外对环保的关注,利用热 数倍,这样低阶共振频率下的大振幅驻波场非线性 声效应工作的热声制冷机、热声发动机统称热声机 畸变产生的高次谐波在管内就不会产生共振聚集能 由于其优越的环保性能成为了声学领域关注的焦点 量,从而有效地抑制高次谐波的增长和共振频率下 木 国家自然科学基金和中科院三期知识创新工程重要方向 万方数据 声 学 学 报 年 波形的畸变以获得大振幅非畸变的纯净驻波场,这 定义管和管的截面积比/, 管长 样的驻波管称为失谐驻波管。基于失谐驻波管的失 比/.当管内是空气,扬声器在管左端面 谐性质即管内声场高阶共振频率不是一阶共振频率 驱动时,如果管左端面 声压为、管右端面 整数倍以获取大振幅纯净驻波场的技术称之为共振 声压为,在考虑粘性和热传导带来的耗散后,由 强声合成【.围绕着失谐驻波管和大振幅非畸变 模态分析法可得如下关系式 【】: 纯净驻波场的获取及其性质的研究近年来已有大量 文献发表,但这些工作主要以截面连续变化失谐驻 雨苦‰, 波管为研究对象,管内声场能量以驻波管沿轴向整 其中: 体振动的方式予以提供】. 与此不同,本文选择首先由】提出的以 /一//, 扬声器为驱动声源的两级突变截面驻波管为研究对 //, 象,对其声学特性及利用其获取大振幅非畸变纯净 /一//, 驻波场进行了实验研究。之前我们也曾进行过类似 的研究,但限于当时的条件,小管末端的声压级最大 这里为波数,. ~//, .×仍/,分别为平面波在管、管内传 仅达到 ,没有观察到高次谐波的饱和】.近 一段时间以来,通过优化的管形组合,采用大 播的衰减系数,单位为一. 功率扬声器等措施,在一阶共振频率下激励获得了 根据公式可定义两端面 声压传递函 的大振幅非畸变纯净声场。以此为基础,对 数为: 一阶共振频率激励下的声波波形畸变和高次谐波饱 和情况以及两端面的声压传递关系进行了实 吲再蒜卜山, 验研究;其次,对二阶、三阶共振频率激励下的声波 其中,“和如分别为两端面处的声压级。在 波形畸变和高次谐波饱和情况也进行了相应的实验 不计及耗散或耗散很小的情况下,由式和式 研究,得到了极高声压情形下的一些实验规律. 得到的共振条件为: 相关理论 ///. 示意图如图所示。的主要组成部 由式可以看出,的共振频率不仅与管、 分是两段截面积不同的相连直管,粗管为管,细管 管的长度,有关,而且还与两管的截面积比 为管.管长度和直径分别为和,左端面 有关. 安放声场驱动源扬声器;管长度和直径分别为 表根据式给出了所列参数下共振频率和 和,其右端面刚性封闭。 声压传递函数的数值结果。其中、情形为管长 比都取,截面积比不同,分别取和.;而 声源十管 以:】羹:匹口 、情形为截面积比都取,管长比不同,分 别取.和..由表可以清楚地看出的 卜一,???一,???一 图 示意图 失谐性质. 表管、管取不同参数下的共振频率和声压传递函数值 序号 管、管参数 ?阶共振频率和声压传递函数 , , , 占 培耽 // . . . . . . . . . . . . . . . ? ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ? ?. . . . . . 万方数据 期 闵琦等:突变截面驻波管和极高纯净驻波场的实验研究 、 丑 出 却 频率 图声压传递函数在频率,管长比值域上的等高线; 相应一阶共振频率局部图 ~ 筮 姒 啦 频率 图声压传递函数在频率、截面积比值域上的等高线; 相应一阶共振频率局部 图 和 图图根据式给出了“取 , 。这样的管形组合管长比.、截面积 和分别取 .和 时声压传递函数在 比.都超过了,自身重量足以克服声源 工作时产生的管壁振动带来的影响. 频率,、管长比值域上的等高线。由一阶共振频 信号驱动部分:驱动声源采用美国生产的大功率 率局部放大图可以看出,对于一阶共振频率, 管长比超过时声压传递函数值即可获得 扬声器,口径英寸,线圈电阻为 , 其最大输出功率为 ,频率范围 一 ,大 以上值。图和图根据式给出了和 时声压传递函数在频 都取 .,取 口径改善了低频声功的输出。与活塞式声源相比,动 率,、截面积比值域上的等高线。由一阶共振频 圈式扬声器具有频率范围宽、 频率和振幅容易调节、 率局部放大图可以看出,对于一阶共振频率, 安装方便等优点。扬声器通过 铝合金材质的刚性锥形 截面积比只要超过时声压传递函数值同样可获 转接环与左端侧壁开孔相连, 锥形环壁面最薄 得 以上值。 处超过 ,足以克服扬声器工作时带来的振动影 响。实验表明锥形转接环对扬声器激发的声场有很好 实验系统 的汇聚作用,可有效地提高左端面的声压级。 扬声器由美国生产的大功率功放 实验系统如图所示。实验系统大致由三部分 驱动,外接扬声器电阻为 时,采用立体声输出 组成,即失谐驻波管部分,信号驱动部分,信号采集 处理部分。 转接环 传卢器 失谐驻波管部分,即:实验选用的管、 传声器 ? 管采用不锈钢材质,两段圆管通过不锈钢转接环 币卜?面 ;广?雨 聃 相连,两端面处采用不锈钢封盖与圆管通过螺纹连 封盖 接并密封。转接环和封盖壁厚均大于 ,封盖 中央钻有直径为 的圆孔用以安放传声器。管 羹窜煮 的长度、内径及壁厚分别为 , 和 图 实验系统示意图 衄;管长度、内径及壁厚分别为 , 万方数据 学 年 声 学 报 八 八 鲁 、一 蚕 ~ 八 嶷 旨 出 缸 设 \ 一? ’ :『::页: 如、 节?、腿?: 洲 频率 时间 图管右端面一阶共振频率下声压级达到 时的频谱和时域波形 模式社路最大输出功率为 ,完全可以满足扬声 是管一阶共振频率奇数倍的高次谐波,即频谱所 器最大负荷工作时的供电需要。触发功放的激励信 示的三次、五次等奇数次谐波,声压级分别为 号由 控制模块提供。这里需 和 ;二是频率是管一阶共振频率偶数倍的 要说明的是,扬声器与驻波管有两种连接方式,一种 高次谐波,即二次、四次等偶数次谐波,此时声压级 是本文采用的与左端侧壁开口相连接的侧接 均为 。从谐波声压级可以计算出高次谐波能 方式,另一种是通过封盖中央开孔连接的直接方 量与基波能量相比已超过了.%。从图的时 式。两种连接方式实验结果有所不同,直接方式的实 域波形可以看出 时管右端面处的波形畸 变已经比较严重,并且还可看出此时的时域波形整 验结果将另文发表。 体向上移动,声压幅值最大值为. ,而最小值 信号采集处理部分:两端面处的声压信号 为. . 由通过不锈钢封盖中央小孔安放的传声器采集。其 中左端面的传声器采用驻极体式传声器, .声压传递函数 灵敏度为. ; /,声压测量范围? 实验中,为测量图所示的由管、管组成 右端面声压级低于 时采用驻极体 式传声器,当声压级超过 时更换为 的的共振频率和声压传递函数值,采用 稳态 白噪声信号激励。图分别给出了由式计算得到 电容式传声器,灵敏度为. /,声压测量范 围.? 。测试前,采用型活塞式 的和由实际测量得到的声压传递函数理论值 和实验 值在频域上的分布.由图可以看出声压传递函数 校准仪基准声压级 / 进行校准。传 声器与封盖内壁面齐平安装以减小对声场的干扰, 的理论值与实验值在频 率小于 的低频段吻合 得很好,? 存在一些差异,差异主要出 安装孔处采用生料带密封以避免漏声.传声器采集 的声压信号由 模块进行实时 现在共振频率之外的频域上,频率高于 后共 处理。 振频率和声压传递函数值都存在一定的差异。实验 主要集中在 以下的低频段,这些差异对实验 实验在实验室温度和大气压下进行. 不会带来太大的影响. 通过网络接口与机进行数据通信, 实验由机进行全程实时监控. ? 实验结果 ? 实验值 理论值 薮 陵 .管极高非线性驻波声场 磊 \ 鼍 \, 翻 啦 幽 厂 。 辕 熬 ‖ 板 在对进行实验研究之前,为作对比,我们 黝 ,? 坳 ‖? 先对仅由管组成的驻波管进行了实验研究.图 \ 一 给出了在一阶共振频率. 激励下,管右端面 声压级达到 时的频谱和时域波形.从图 频率 图 声压传递函数理论值与实验值在频域上的分布 频谱可以看出此时高次谐波可分为两类:一是频率 万方数据 闵琦等:突变截面驻波管和极高纯净驻波场的实验研究 期 表给出了的前六阶共振频率及其声压 右端面声场不同,此时的声压波形整 体向下移,声压 传递函数的理论值和实验值。由表可以看出,前六 幅值最大值和最小值分别 为. 和. , 都已超过静态 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 大气压的四分之一,由此计算出 阶共振频率及其声压传递函数的理论值和实验值吻 合得很好,最大差异出现在四阶共振频率下的声压 的质点速度峰值最大超 过了 /,可以看出此时 传递函数值上.四阶共振频率及其声压传递函数的 声场的极端非线性. 和. 理论值分别为. ,而实验值分别为 时两 图所示为右端面声压级为 . 和. ,声压传递函数值差异为.%. 端面所测得的声波频谱.此时, 左端面在一 其它情形下共振频率及其声压传递函数的理论值和 阶共振频率激励下基波声压为 ,其二次和三 实验值的差异都小于.%.从表可以清楚地看出 次谐波声压级分别为 和 ,与基波相差 此时高阶共振频率不是一阶共振频率的简单 和 ,二次、三次谐波能量是基波的% 整数倍,确属失谐驻波管. 和%;相比而言,右端面在一阶共振频率激 .一阶共振频率下的极高纯净驻波场及其谐波 励下基波声压级虽然已经达 到 ,二次和三次 特性 和 谐波声压级分别为 ,与基波相比却 相差 和 ,二次、三次谐波的能量只是基 表理论值和实验值都表明以一阶共振频率激 波能量的.%和.%。从两端面的频 励时可以获得最大的声压传递函数值,从而在右端面 谱还可看出,管左端面的高次谐波声压级依次减 得到较高声压级。实验确实在一阶共振频率. 小,而管右端面的高次谐波表现出了与.实验 激励下在有端面获得了 声压。图和图 结果图所示的特性,即奇数次、偶数次高次谐 分别给出了此时左、右两端面处的时域波形。 波声压级分别依次减小. 从图可以看出尽管右端面的声压级已经达 到 的极高声压,而且左端面的声波波 图和图分别给出了一阶共振频率 . 激励下右端面的谐波增长情况及其 形畸变已很厉害,但右端面的声波波形仍保持 两端面的声压传递关系。由图可以看出, 非常规整的正弦波波形。由图与.的实验结果 随着基波声压级的增加,右端面二次和三次 图比较后可以发现,与仅由管组成的驻波管 表 共振频率及其声压传递函数值 阶次 理论值 实验值 共振频率 传递函数 共振频率 传递函数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ? 一芒一甾 艺 . . . . 时间 图一阶共振频率下左、右两端面声波时域波形.左端面; 右端面 万方数据薤 声 学 学 报 ? 鲁 勺 嶷 毒 出 幽 恨 救 胁 娜 .埔厢 蝴。 四帆 。?‖叩可’ 频率 图一阶共振频率下两端面声波频谱 左端面; 右端面 一阶共振频率基波 .. 二次谐波 ? ’ . ; 已 曼 ?, 巅 三次谐波; 繇 鹜董 氆 、 韫 板 /。 ,,一 图一阶共振频率下右端面谐波;一阶共振频率下两端面声压传递关系 一输典稚磊奎甚 .??? 、; 。一 ? 言 二:次谐波 已 邑 ; .?一一 《 幽 聋 ../ 慑 怔 .播 三次谐波 . . . . . . 时间 图二阶共振频率下右端面谐波;二阶共振频率下右端面时域波形 谐波的声压级都有所增加,但直到基波声压级达到 声压级的增加,二次、三 次谐波声压级也随之增加, 时,二次、三次谐波均未出现饱和迹象. 直到基波声压级达到 时,同样未出 现饱和迹 象;不同的是,此时二次和三次谐波声压级分别随基 图显示,两端面的声压级同步增加,两 者相差 左右,与表给出的声压传递函数理 波增加的幅度基本上是相同的.图是二阶共振 论值. 频率激励下右端面声压级为 的时域波 、实验值. 相比,差别为. 和. . 形,可以看出 极高声压下的二阶共振频率时 域波形仍然较好地保持正弦波波形. .高阶共振频率下的驻波场及其谐波特性 图和图分别给出了在三阶共振频 图给出了在二阶共振频率. 激励 率. 激励下右端面的谐波增长情况和 下右端面的谐波增长情况。从图可以 时域波形。由图可以看出,随着三阶共 看出,与一阶共振频率下的图一样,随着基波 万方数据