Page 13 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 王明军等： 声波扰动近地面边界层湍流脉动特性 1189

因此可以发现在水平和垂直方向，距离声源较近的 据 [15] ：
区域，声波扰动湍流的脉动速度变化剧烈，声源上方 ρLU
Re = , (14)
的流速明显大于其他位置，并且形成一个波峰即速 µ
度的极大值，随着距离声源越来越远，声波的影响不 式(14)中，ρ为空气密度，L为特征长度，U 为近地面
断减弱，声波扰动湍流脉动流速逐渐减弱。 边界层内湍流平均流速，µ为大气的动力黏度 [16] ：
( T ) 1.5
3 实验验证 µ = µ 0 . (15)
273.15
本文搭建了实验平台来验证声波扰动之后近 根据单个声波驱动周期内的湍流平均脉动
流速的变化并结合式 (14) 和式 (15) 进行数值计算，
地面湍流脉动速度的变化趋势。该实验系统由四
3
部分组成，分别为声波发生装置、近地面真实大气 当初始流速U 0 = 1 m/s、空气密度ρ = 1.29 kg/m 、
湍流环境、数字噪声计和风速仪。其中声波发生装
置由声频信号发生器、功率放大器以及扬声器组 120 ௄ܦ੸ү
成。信号发生器采用的是 JDS-6600 函数信号发生 110 దܦ੸ү
器，其用来产生稳定的正弦波声频信号；功率放大 100
器采用的是 SA-9019 定压定阻功率放大器，其用来 ܦԍጟ L sp /dB 90
对信号发生器产生的声频电流进行放大，然后驱动 80
声源工作，产生声波；扬声器喇叭尺寸大小为口径 70
50 cm，深度38 cm，频率范围为160∼7000 Hz。首先 60 0 5 10 15 20
开启声波发生装置改变声波频率来扰动大气湍流， ᫂ए L/m
(a) y=0 m
距离声源每隔 1 m 建立一个测点，在不同声波频率
140
(300 Hz、600 Hz、900 Hz、1200 Hz)、不同高度(0 m、
130 ௄ܦ੸ү
0.5 m、1 m、1.5 m) 时，通过分贝仪和风速仪来测量 దܦ੸ү
120
声源截面上方声压级和脉动流速的变化情况。 110
研究发现不同声波频率下，声压级在 1200 Hz ܦԍጟ L sp /dB 100
变化最为显著，因此下文主要绘制声波频率为 90
1200 Hz 时声压级和流速的变化。由图 12∼13可知， 80
70
在声源正上方声压级变化剧烈，达到整个区域的极 60
0 5 10 15 20
大值，随着距离声源越来越远，声波辐射的能量逐渐 ᫂ए L/m
减弱，声压级呈现波动下降的趋势；而湍流的脉动流 (b) y=0.5 m
速主要受声压级影响较大，声压级越大，流速变化越 130
明显，随着距离声源越来越远，声压级减弱，流速变 120 ௄ܦ੸ү
దܦ੸ү
化微弱。 110
100
4 声波扰动对近地面边界层内湍流脉动 ܦԍጟ L sp /dB 90
的影响 80
70
对于声波扰动之后近地面层湍流的脉动变化， 60
0 5 10 15 20
可以将基本特征参数雷诺数 (Reynolds)、罗斯贝数 ᫂ए L/m
(Rossby)和理查森数(Richardson)的变化作为声波 (c) y=1.0 m
扰动大气湍流时空结构演化的判别标准 [14] 。 图 12 声波频率 1200 Hz 不同截面处的声压级变化
在实际大气运动动过程中，确定速度扰动 “稳 Fig. 12 Sound pressure level change at different
定度” 的雷诺数可以作为大气湍流流动状态的判 distances at acoustic frequency 1200 Hz