2025年大學(xué)《聲學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——空氣動(dòng)力學(xué)與聲學(xué)特性的關(guān)系研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述伯努利原理在聲學(xué)中的意義，并說明其在解釋哪些類型的空氣動(dòng)力學(xué)噪聲源中發(fā)揮作用。二、描述邊界層分離的典型特征，并分析邊界層分離如何成為重要的空氣動(dòng)力學(xué)噪聲源。請(qǐng)說明其主要的聲學(xué)產(chǎn)生機(jī)制。三、Lighthill聲學(xué)類比方程是研究流聲相互作用的核心工具。請(qǐng)闡述該方程的基本思想，并說明其如何將流體動(dòng)力學(xué)量與聲學(xué)量聯(lián)系起來。列舉該方程在分析哪類流動(dòng)聲學(xué)問題時(shí)的優(yōu)勢(shì)。四、空氣動(dòng)力性噪聲的預(yù)測(cè)方法多樣。請(qǐng)比較經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)公式（如馮·卡門公式）和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）/聲學(xué)（Acoustics）耦合方法在預(yù)測(cè)飛行器機(jī)翼噪聲時(shí)的主要區(qū)別、適用條件和局限性。五、在管道中，流動(dòng)與聲波會(huì)發(fā)生相互作用。請(qǐng)分別描述流動(dòng)如何引起管道中聲速的變化和聲波的散射/反射，并簡(jiǎn)述這些變化對(duì)管道傳聲特性的影響。六、主動(dòng)噪聲控制利用反相聲波來抵消原始噪聲。請(qǐng)闡述主動(dòng)噪聲控制的基本原理，并說明其適用于消除哪種類型的空氣動(dòng)力學(xué)噪聲（如tonalnoise或broadbandnoise）以及其主要面臨的挑戰(zhàn)。七、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣噪聲是典型的空氣動(dòng)力學(xué)噪聲。請(qǐng)分析發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門/排氣門開閉過程中，伴隨的流速變化和湍流活動(dòng)如何產(chǎn)生噪聲，并簡(jiǎn)述可以采取的被動(dòng)噪聲控制措施及其原理。八、流聲耦合問題在數(shù)值模擬中具有復(fù)雜性。請(qǐng)簡(jiǎn)述在求解流聲耦合問題時(shí)，采用CFD/聲學(xué)耦合方法（如FfowcsWilliams-Hawkings方程與CFD數(shù)據(jù)耦合）需要考慮的關(guān)鍵問題，例如數(shù)值穩(wěn)定性和計(jì)算效率。九、試以風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，分析其氣動(dòng)噪聲的主要來源（如葉片通過噪聲、尾流噪聲），并說明影響其氣動(dòng)噪聲特性的主要因素（如風(fēng)速、葉片設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)速）。十、設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方案，用于測(cè)量管道內(nèi)定常流動(dòng)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)噪聲特性。請(qǐng)說明需要使用的主要儀器設(shè)備、測(cè)量步驟以及需要關(guān)注的參數(shù)。試卷答案一、伯努利原理描述了在流體中，流速增加導(dǎo)致靜壓降低的現(xiàn)象。在聲學(xué)中，該原理有助于理解邊界層流動(dòng)、噴流等高速氣流中，壓力脈動(dòng)如何產(chǎn)生聲波。當(dāng)氣流加速或減速通過局部區(qū)域時(shí)，壓力的快速變化可以激發(fā)聲源，特別是當(dāng)這種壓力變化具有周期性或隨機(jī)性時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)噪聲。該原理在解釋噴流噪聲、葉片表面壓力波動(dòng)引起的噪聲以及某些類型湍流噪聲中扮演重要角色。二、邊界層分離是指當(dāng)流體流過固體表面時(shí)，由于粘性作用，靠近表面的流體速度逐漸減小至零，形成速度梯度。分離發(fā)生時(shí)，流體脫離壁面，形成旋渦。旋渦的形成、脫落和運(yùn)動(dòng)是邊界層分離產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)噪聲的主要機(jī)制。當(dāng)旋渦以一定頻率脫落時(shí)，會(huì)周期性地改變下游區(qū)域的壓力分布，從而輻射聲波。分離點(diǎn)的位置、分離流的形態(tài)以及旋渦的強(qiáng)度和脫落頻率決定了噪聲的特性和強(qiáng)度。特別是在鈍體后部或高升力翼型表面，強(qiáng)烈的邊界層分離是重要的噪聲源。三、Lighthill聲學(xué)類比方程將流體動(dòng)力學(xué)中的張量（如加速度、粘性應(yīng)力、慣性力等）與聲場(chǎng)中的張量（如聲壓、體積速度）聯(lián)系起來，建立了一個(gè)描述聲源生成的方程。其基本思想是：聲場(chǎng)中的聲壓波動(dòng)可以被視為由流體介質(zhì)中的“虛擬”體積速度源所產(chǎn)生，這些虛擬源由流體的加速度、粘性效應(yīng)、慣性效應(yīng)以及質(zhì)量力（如重力）的時(shí)空變化率構(gòu)成。該方程特別適用于分析由高速流動(dòng)、湍流等復(fù)雜流體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象直接產(chǎn)生的噪聲，因?yàn)樗軌蛑苯訉⒙曉磁c這些復(fù)雜的流體場(chǎng)量關(guān)聯(lián)起來，是研究寬頻帶空氣動(dòng)力學(xué)噪聲（如湍流噪聲）的理論基礎(chǔ)。四、經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)公式（如馮·卡門公式）基于對(duì)特定流動(dòng)聲學(xué)現(xiàn)象（如軸流風(fēng)扇/壓縮機(jī)葉片附近的流動(dòng)）的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論推導(dǎo)，給出噪聲預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式。它們通常形式相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高，但適用范圍有限，往往需要根據(jù)具體幾何和流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行修正。CFD/聲學(xué)耦合方法通過數(shù)值模擬流體流動(dòng)，直接獲取流場(chǎng)信息（如壓力脈動(dòng)），然后利用聲學(xué)理論（如FfowcsWilliams-Hawkings方程或邊界元法）計(jì)算聲輻射特性。該方法能處理更復(fù)雜的幾何形狀和流動(dòng)狀態(tài)，精度更高，但計(jì)算量大，耗時(shí)長(zhǎng)。主要區(qū)別在于：前者是基于經(jīng)驗(yàn)的簡(jiǎn)化模型，后者是基于守恒律的詳細(xì)數(shù)值模擬。五、在管道中，流動(dòng)會(huì)引起聲速的變化。對(duì)于可壓縮流動(dòng)，聲速與流體的溫度和密度有關(guān)。當(dāng)流體流經(jīng)管道時(shí)，由于摩擦、熱量交換或流速變化，會(huì)引起溫度和密度的變化，從而導(dǎo)致聲速沿管道長(zhǎng)度或隨時(shí)間變化。這種聲速變化會(huì)使得沿管道傳播的聲波發(fā)生畸變，例如，聲波包的形狀會(huì)改變，不同頻率成分的傳播速度不同，導(dǎo)致相位關(guān)系變化。聲波的散射/反射發(fā)生在管道邊界處。當(dāng)聲波遇到邊界時(shí)，部分能量會(huì)被反射回管道，部分能量會(huì)透射過去。如果管道內(nèi)存在流動(dòng)，邊界條件會(huì)隨流動(dòng)變化，進(jìn)一步加劇反射和散射，影響管道的傳聲特性，可能導(dǎo)致聲能的積累或衰減，并改變可聽到的噪聲頻譜。六、主動(dòng)噪聲控制的基本原理是利用相干或反相聲波來抵消原始噪聲，從而降低特定位置的聲暴露水平。其核心是使用麥克風(fēng)拾取原始噪聲信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理（如延遲、放大）后，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出反相聲波。反相聲波在空間上與原始噪聲波具有相反的相位和相同的幅度（或特定關(guān)系），在目標(biāo)位置與原始噪聲波疊加時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)相消干涉，從而降低噪聲水平。該方法適用于消除由簡(jiǎn)諧振動(dòng)或周期性流動(dòng)引起的tonalnoise（純音或窄帶噪聲），因?yàn)檫@類噪聲具有明確的頻率和相位信息，易于進(jìn)行精確的抵消。主要挑戰(zhàn)包括：需要精確測(cè)量噪聲信號(hào)并實(shí)時(shí)處理、系統(tǒng)需要快速響應(yīng)以適應(yīng)噪聲變化、對(duì)于寬帶噪聲和隨機(jī)噪聲效果有限、系統(tǒng)穩(wěn)定性和校準(zhǔn)問題。七、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣噪聲的產(chǎn)生主要與閥門運(yùn)動(dòng)相關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)過程有關(guān)。當(dāng)進(jìn)氣門或排氣門打開時(shí)，高溫高壓的燃?xì)猓ㄅ艢猓┗蛳鄬?duì)較低壓力的空氣（進(jìn)氣）需要快速通過閥門間隙與外界大氣進(jìn)行交換。這個(gè)過程伴隨著高速氣流流動(dòng)、湍流產(chǎn)生和氣流與閥門、管壁的相互作用。這些快速的壓力變化和流動(dòng)擾動(dòng)會(huì)激發(fā)空氣振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲。例如，排氣門打開時(shí)，高壓燃?xì)飧咚賴姵觯纬蓢娏髟肼暫蜏u旋噪聲；進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)的氣流沖擊也會(huì)產(chǎn)生噪聲。被動(dòng)噪聲控制措施主要包括：在排氣系統(tǒng)或進(jìn)氣系統(tǒng)中安裝消聲器。消聲器通常利用共鳴腔、阻性材料或擴(kuò)散管等結(jié)構(gòu)，通過吸收、反射或干涉等方式，衰減特定頻率的噪聲能量，從而降低傳到車外的噪聲。八、求解流聲耦合問題時(shí)，采用CFD/聲學(xué)耦合方法需要考慮的關(guān)鍵問題包括：數(shù)據(jù)交換的精度和時(shí)機(jī)。CFD和聲學(xué)模塊之間需要精確傳遞流體數(shù)據(jù)（如速度、壓力時(shí)程或場(chǎng)分布）和聲學(xué)數(shù)據(jù)（如聲壓）。數(shù)據(jù)交換的頻率和方式必須足夠高，以捕捉聲波傳播和流體脈動(dòng)的快速變化，保證耦合的穩(wěn)定性。數(shù)值穩(wěn)定性。由于耦合增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，時(shí)間步長(zhǎng)選擇、迭代收斂條件等都可能需要調(diào)整，以確保整個(gè)耦合求解過程的數(shù)值穩(wěn)定。計(jì)算效率。流聲耦合計(jì)算通常比單獨(dú)的CFD或聲學(xué)計(jì)算更耗時(shí)，需要優(yōu)化算法和并行計(jì)算策略，以縮短計(jì)算時(shí)間，提高工程應(yīng)用的可行性。網(wǎng)格兼容性。CFD和聲學(xué)計(jì)算可能需要不同類型的網(wǎng)格或不同的網(wǎng)格分辨率，需要處理好網(wǎng)格匹配或數(shù)據(jù)插值問題。九、風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲的主要來源包括：葉片通過噪聲。當(dāng)風(fēng)力作用驅(qū)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片掃過空氣，其前后壓力交替變化，并在葉片末端附近形成強(qiáng)烈湍流和尾跡。這些壓力脈動(dòng)和尾跡不穩(wěn)定性會(huì)向周圍輻射噪聲，尤其當(dāng)葉片以特定頻率通過特定點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的tonalnoise。尾流噪聲。葉片旋轉(zhuǎn)會(huì)將空氣排入下游，形成不穩(wěn)定的尾流區(qū)。尾流中的渦旋脫落、湍流脈動(dòng)以及尾流與周圍環(huán)境的相互作用會(huì)輻射出寬頻帶的噪聲，這是風(fēng)力發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的主要組成部分。此外，塔筒周圍的氣流繞流、機(jī)艙和傳動(dòng)系統(tǒng)等的振動(dòng)也可能產(chǎn)生噪聲，但通常在總噪聲中占比較小。十、測(cè)量管道內(nèi)定常流動(dòng)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)噪聲特性的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：主要儀器設(shè)備：使用傳聲器（測(cè)量范圍需覆蓋目標(biāo)噪聲頻率）和前置放大器、信號(hào)調(diào)理器（如濾波器、放大器）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ，用于數(shù)字化聲信號(hào)）以及一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)記錄和分析。為了測(cè)量聲壓級(jí)和聲強(qiáng)，可能還需要聲強(qiáng)探頭。此外，需要測(cè)量流體參數(shù)的設(shè)備，如壓力傳感器、溫度計(jì)、風(fēng)速儀等，以及用于管道流量測(cè)量的設(shè)備（如皮托管、流量計(jì)）。測(cè)量步驟：首先，在管道內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定后，布置測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)應(yīng)選擇在能夠反映流動(dòng)噪聲特性的位置，如靠近噪聲源區(qū)域（如入口、彎頭、障礙物附近）或下游傳播區(qū)域。對(duì)于管道噪聲，通常沿管道軸線或周向布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)。使用傳聲器或聲強(qiáng)探頭測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的聲壓或聲強(qiáng)矢量。同時(shí)，測(cè)