[论文解读] Measurements on a little known sound source - the Vortex Whistle

Ulf R. Kristiansen, Muriel Amielh|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2016

Aerodynamics and Acoustics in Jet Flows参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究通过声学测量、粒子图像测速（PIV）和热线测速，对一种鲜为人知的气动声源——涡旋哨音进行研究。研究证实了声音频率与气流速度之间存在线性关系，并揭示声功率与频率的六次方成正比，其机理由出口附近的旋涡环流和环状涡结构驱动。

ABSTRACT

Acoustic measurements on a vortex whistle corroborates earlier findings that the frequency increases linearly with the velocity of the air flowing into the whistle. Measurements in a reverberant chamber shows that the acoustic power generated by the whistle increases close to the sixth power of the frequency. PIV and hot-wire measurements give quantitative information on the flow. It is shown that the flow exits the pipe as a swirling annulus with a rotation corresponding to the frequency of the sound, and that the center of the swirl follows a nearly circular path in the exit plane. The PIV measurements also indicate a toroidal vortex with inflow along the center line close to the exit of the whistle.

研究动机与目标

• 表征涡旋哨音在流体力学中这一较少为人知声源的声学行为。
• 量化气流速度与生成声音频率之间的关系。
• 利用先进测量技术探究声源产生的流场结构。
• 确定声功率相对于频率和流动条件的标度律。

提出的方法

• 在混响室内进行声学测量，以评估辐射声功率。
• 采用粒子图像测速（PIV）技术，可视化并量化哨音出口处的旋涡流场结构。
• 使用热线风速计测量速度脉动，以确认流场动力学特性。
• 分析流场形态，识别出口平面上存在轴向流入的环状涡结构。
• 将测得的流场旋转速度与声学频率相关联，以验证涡旋驱动的声学机制。
• 应用统计分析，将声功率与频率和流速相关联，检验幂律标度关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 涡旋哨音的声音频率如何随进气速度变化？
• RQ2 声功率与生成声音频率之间存在何种关系？
• RQ3 涡旋哨音出口平面上存在何种流场结构？这些结构如何与声源产生相关？
• RQ4 是否存在如流场可视化所示的、在哨音出口附近具有轴向流入的环状涡结构？
• RQ5 声功率在多大程度上遵循与频率的六次方标度关系？

主要发现

• 涡旋哨音的声音频率随设备进气速度线性增加。
• 声功率近似与频率的六次方成正比，表明存在强烈的非线性标度关系。
• PIV测量显示出口处存在旋转速度与声音频率相对应的旋涡环流。
• 旋涡流场的中心在出口平面上沿近似圆形路径运动，与涡旋脱落现象一致。
• 热线与PIV数据表明，在出口附近中心线上存在具有轴向流入的环状涡结构。
• 该流场结构支持一种机制：即涡旋的形成与旋转驱动了纯音声波的辐射。