● 摘要
本文针对空腔流动发声现象进行实验和理论研究。设计实验，探讨流动激发Helmholtz共振器的共振发声实验，通过对不同来流条件下共振压力的频谱进行分析，以期对物理机理有更清晰的认识。同时，以结合离散涡方法和APE涡声方程的DVM-APE涡声计算模型探讨空腔流动发声现象的基本特征。设计实验观察了流动激发Helmholtz共振器的共振发声现象。实验在不同来流速度下测量腔体内的共振压力，通过分析共振压力的频谱特性，探讨腔体共振发声现象的基本机理。实验结果显示，来流速度较低时，腔体内共振压力的峰值所对应的频率在腔体的固有频率附近，且不随来流速度变化；随着来流速度增大，剪切层不稳定模态频率随之增大，逐渐接近腔体的固有频率，激起的共振压力振幅逐渐增大，并淹没之前对应于腔体固有频率的尖峰；当剪切层不稳定频率达到腔体的固有频率时，激发的共振最为强烈；此后随着来流速度继续增大，共振减弱，最终尖峰逐渐消失。为了探讨不同类型的声传播问题中的涡声作用机制，采用声扰动涡声方程（APE）。从实际使用角度出发，基于线化Euler方程探讨与声扰动方程相适应的边界条件的表达方式，通过一定的算例对其进行验证。其后，针对空腔流动发声现象中腔体开孔处的涡运动的基本特征，给出了一个源项形式相似的简单算例，计算自由域中对转涡对的发声问题，从中探讨相关源项的给定方法。为了描述腔体开孔处的涡运动，利用离散涡模型获得流场涡运动的相关信息体现为APE方程的源项，使APE方程能够用于求解流动激发Helmholtz共振器的共振发声现象。计算结果显示，当共振现象发生时，腔体内共振压力均匀分布。Helmholtz共振器的共振发声是来流不稳定模态与共振器对固有模态的响应特征的耦合，具体表现为，对应腔体固有频率的单频声波得到放大。关键词：空腔流动发声，Helmholtz共振器，声扰动方程