题目：旋涡哨发声特性的数值模拟与实验研究

摘  要
本文所研究的流体动力式发声器为旋涡哨，由于它的结构简单，没有运动部件，操作简便，经久耐用，并且它的动力源不仅可以用气体而且也可以用液体，现已经应用于雾化燃油和冷却水等工业上，应用前景较为广泛。但目前对旋涡哨的研究分析还不是非常广泛和深入,尚未被研究者所重视。又由于对旋涡哨的发声机理研究不是很多，所以声辐射效率还不是太高。但已有研究表明旋涡哨的结构与哨内的流体特性对它的发声频率和发声效率有着重要的影响，所以有必要对旋涡哨的几何结构和流体参量对其声辐射特性的影响进行研究。 
本文首先介绍了旋涡哨的研究与应用状况，再介绍了与旋涡哨相关的流体动力学与气动声学基本知识。设计了四组不同尺寸的旋涡哨，第一组改变出口管直径，第二组改变出口管长度，第三组改变腔体直径，第四组改变腔体高度。对上述旋涡哨首先进行了数值模拟分析，得到了流场的速度、压力、湍流强度、湍动能、声功率密度以及声功率密度级在旋涡哨轴线上的分布规律，对其总结分析并做出一定的解释。然后进行实验研究，测量分析了旋涡哨的发声频率及声压级与入口压强及哨的结构参量的关系，总结出了实验结果。最后将模拟结果与实验结果相结合进行分析，总结出了不同尺寸旋涡哨的流场分布特征与声辐射特性。
研究结果表明旋涡哨的出口管直径是影响旋涡哨流场分布规律的一个重要影响因素。哨结构参量的变化对轴线方向上的轴向速度与切向速度影响较小。旋涡哨腔体内的湍流强度、湍动能、声功率密度与声功率密度级都是最大，是辐射声场的主要声源。旋涡哨入口的气体压强影响着旋涡哨的声辐射频率与声压级，出口管直径与腔体直径之比的大小直接影响着旋涡哨的流场分布与声辐射效率，并且旋涡哨的出口管长度不宜过长，否则会增大流体的流阻，增加了流体能量的损失，使流体速度降低，从而也降低了声辐射效率。腔体的高度对旋涡哨的影响不是太大，但也不宜过高或过低，高度维持在15mm时为最佳值。
    总之，在本文实验条件范围内，对于气流驱动的旋涡哨，其发声频率和声辐射强度取决于多种因素，腔体高度的影响可以忽略；入口气压越高，频率越高，声压级越大；腔体直径、出口管长度和直径对频率和声压级的影响具有不一致性，需要综合考虑实际需要确定其尺寸。
以上研究方法和研究结论，对于旋涡哨发声机理的研究及其结构的优化设计提供了一定的理论基础和设计依据。