第一章 緒論
近年來，由於科技的進步帶動生活品質的提升，機械元件若僅有功能的增強與效率 的改善已漸漸無法滿足消費者的需要。相對的，產品對環境所造成的汙染與其舒適度更 是不可或缺的一環。其中又屬噪音的控制最為困難與重要。
噪音對人體的影響可分為身體與心理方面的傷害。對身體方面：不僅耳朵與聽力造 成暫時性或永久性的聽覺損失，更會透過神經系統，引起身體其他器官或系統的失調與 異常，產生「非聽覺性的影響」。除此之外，長期處於高噪音環境下，容易使身體胃腸 蠕動增快、呼吸型態改變、血壓增高、心跳加快、需氧量增加、血清膽固醇增加、血小 板凝集等現象，雖不能斷定噪音是導致這些疾病的禍首，但噪音為導致或形成這些疾病 的複雜因素之一，卻是無庸置疑的。
對心理影響方面：噪音會影響睡眠、妨礙交談、工作效率低落、厭惡、生氣等心理 作用，久而久之，因心理反應、失眠而導致生理功能失調等現象，如頭痛、頭暈、精神 無法集中等均為噪音直接與間接的影響。兒童如長時期暴露在高噪音的環境下，會採用 一種使自己聽不見噪音環境的調適方法來對抗噪音，這將造成兒童在吵雜的環境下變得 忽略聲音訊號的不良作用，尤其是兒童不易區分聲音的重要性，將對兒童學習及認知的 發展有相當的影響。
噪音造成的傷害，主要除了和噪音的大小有關外，和頻率也有關係，因為高頻率的 聲音較低頻率的聲音較易造成傷害。雖然暫時性的聽力損失，在離開噪音一段時間之 後，聽力可以復原，但若是噪音源是位在工作場所，往往當聽力快回復的時候，又是另 一個工作天的開始，因此，聽力損失的問題是永久存在的。
也因為噪音對日常生活或工作上的影響甚鉅，因此像歐盟國家對於噪音的控管，從 大至要求所有成員國規範工作環境噪音到小至輸入歐洲的玩具均需符合歐洲委員會授 權統一標準組（CEN）訂立的玩具噪音標準都有嚴格的明文規定。由上面的敘述中，可 以清楚了解到噪音控制在未來工程應用上所扮演的重要角色。
一般而言，噪音產生的原因可概略粗分為「結構產生（structure-borne）」的「結
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構 噪 音 (Structure-borne noise) 」 與 「 氣 流 產 生 （ air-borne ） 」 的 「 氣 動 噪 音 (Aeroacoustic)」，結構噪音是由於結構表面振動推擠鄰近介質所產生的聲波輻射，產 生的機制較易預測，因此在污染控制上已獲得相當程度的改善。氣動噪音肇始於紊流流 場的壓力變動，所以有著不可預測性，因此難以改善。但改善氣動噪音的重要性並不亞 於結構噪音，例如：個人電腦由於計算速度的日漸增快，所需的散熱風扇越益增加，跟 隨而來的是風扇葉片在高轉速之下造成氣動噪音提高的問題。因此如何改進扇葉外型以 降低氣動噪音，讓使用者感到舒適，將會是該產業接下來所面臨到的最大難題；汽車除 了在低耗油的設計下，如何降低高速行駛下所造成的氣動噪音以免影響乘客與駕駛者的 舒適度更是現今市場中，決定該產品優劣的關鍵之處。
氣動噪音的學問由Lighthill於 [1]所提出的理論而有著開創性的貢獻，Lighthill 將聲源部份利用實驗或計算流體力學（CFD）方法求得，再利用波動方程式計算其傳遞 過程，此即為Lighthill`s analogy。接著，Williams等人[2]根據Lighthill`s analogy 的方法，重新整理Lighthill方程式，由於推導過程是根據Navier-stokes方程式而來且 未有任何簡化，所以Ffowcs Williams-Hawkings方程式(簡稱FW-H方程式)的適用範圍比 原始的Lighthill方程式更加廣泛。但受限於電腦運算速度的限制，直到1992年，
Zorumski在[3]中才將氣動噪音與計算流體力學(Computational Fluid Dynamic, CFD) 的結合做出合理的預測與整理，其中包括有定義CAA(Computational AeroAcoustic)的 適用範圍與方法、找出適合CFD應用的Govering equation、CAA中Boundary condition 的定義。除此之外，Tam[4]提出計算氣動噪音時，需要高階精度的數值方法與特殊處理 的邊界如非反射性邊界等，才可獲得準確度較高的聲場結果。此後，隨著運算速度的增 快，便有越來越多的文獻是利用Lighthill`s analogy的方法，結合CFD對氣動噪音做出 合理的預測與改善。例如：Uzun等人[5]利用大渦流(LES)法與高階經度數值方法模擬jet 流場，再近場部分使用模擬的結果當作聲源，然後遠場部分使用FWH方程式計算聲場，
其結果與實驗相比一致。Ohnishi等人在[6]中，以實用為目的，將Lighthill`s analogy 的方法對三維圓柱體、旋轉的正方體與車輛作出與實驗值接近的氣動噪音預測； Ono等
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人再[7]中，也利用同樣的方法先計算出車子於高速行駛下，照後鏡所產生的氣動噪音，
再用其結果與風洞的實驗值做比較，發現兩者吻合。最後在重新設計照後鏡外型，成功 降低了氣動噪音；Tam與Nikolai[8]利用K−ε法模擬jet，並且利用其模擬結果預測流 場聲源之處，藉此改善不同的jet外型，並且利用dual stream jet大幅將低氣動噪音。
而除了在實際應用方面之外，也有文獻是闡述Lighthill方程式下，不同的解所適用的 不同範圍，Prieur等人在[9]中，詳細的解釋了FW-H方程式與Kirchhoff方程式的適用範 圍與相異之處，其指出：FW-H方程式若在一控制表面的範圍內，適用性將不會受到限制；
而Kirchhoff方程式只適用於相同介質中，線性傳遞的聲波，並且只能計算控制表面與 控制表面外的聲場分布。然而氣動聲學的模擬中，除了用Lighthill`s analogy的方法 外，也可使用Liner Euler Equation（LEE）計算聲場，Addad等人在[10]以Star-CD先 計算暫態流場之後，在以LEE去對渦流(vortex)產生的機制與聲源(acoustic source)的 關係做比較，發現流場中渦流所產生的位置與聲源所產生的位置幾乎相同。除此之外，
國內則有梁勝明等人[11]以Euler Equation預測排氣管內震波所產生的噪音並且予以改 善。但是Bogey等人在[12]中，非常明白的指出，在低馬赫數的情況下，選擇Lighthill 方程式來分析聲場是比較快速且準確的。除此之外，還有一些關於紊流的研究，Crow等 人在[13]中，紊流結構的組成可分為兩部份，一種為大渦流結構large turbulence structures、一種為fine-scale turbulence，此二者決定了流場混流的過程。Arakeri 等人在[14]中，證明了調整初始流場的發展，可以在遠場獲得減噪的效益；國內研究陳 金文等人[15]也利用實驗量測與理論推導，提出聲壓位準與噴流速度的八次方成正比。
在噪音控制改善的執行方法常見的有兩種，被動式與主動式。傳統上噪音控制方式 不外乎採用阻隔或阻尼材質，降低聲場的噪音值。這些被動式的控制技術，包括密閉、
屏障、消音器等方式減弱噪音，主要是希望聲音於傳遞過程中能量消散的概念來減少聲 音，這些方法對於中高頻率(1KHz)較有效，若要用來處理低頻噪音，則需要相當厚的材 料才會達到防制效果，越低頻的音波所需要的材料將越厚重，故在許多場所的使用上將 有所限制。
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相對於被動式技術的主動式噪音控制，則是用不一樣的原理來達到減噪的目的，主 要是以改變音場或用抵消音場的方式達到減低噪音的效果，最簡單的方式是以控制系統 驅動另一個聲場，該聲場的波形和噪音源的聲場波形完全相反，如此可使聲場的總和趨 於零，達到抵消作用的效果。
由於在工業上噴嘴的應用甚廣，其高速噴流所造成的噪音很大，且防治不易，傳統 被動式與主動式的控制方法比較難應用上，往往人們只能選擇忍耐而接受它，長時間在 高分貝的環境下工作，也容易 使人聽力受損而無法醫治，因此設法減低噪音對健康來說 是非常重要的。
在高流速噴嘴的噪音防治上，常使用的方法是在噴嘴的周圍外部再加上一個流速較 低的流場，形成一種有分為內管與外管兩種出口的噴嘴，但是大眾普遍只知道這種方式 可以減低噴嘴噪音，但是對於此現象的成因或是一些最佳化參數沒有深入的了解，所以 論文目的在於探討內外管減噪噴嘴的現象與參數的模擬測試。
近年來電腦科技不斷的進步，使得電腦計算速度日益增進，更有利於計算流體力學
（CFD）方法的運算，藉由CFD方法的計算，我們可以更快速地模擬複雜的流場與聲場，
甚至於聲音的頻率分佈。而目前應用於紊流流場的計算中，常見的有DNS、RANS與LES三 種方法。其中DNS，除了需耗費大量的計算時間外，更有著雷諾數不可過高的缺點，造 成其應用層面上受到限制，但是DNS的準確度高，並且可模擬紊流流場中的小尺度渦流 特性。RANS雖然有著計算過程簡便，運算時間較快等優點，但由於其計算為時均化的結 果，無法非常有效表現紊流流場中流體性質隨時間變動等特性，因此有些暫態問題將無 法解決。LES則介於DNS與RANS之間，有著計算時間較DNS迅速且暫態結果較RANS吻合實 際物理情況等優點。LES的基本架構建立於只計算大尺度（large scale）物理量對於流 場的影響，小尺度（small scale）部份的物理量由於對流場的影響甚小，於是予以模 組化以大幅降低計算時間。
為了模擬噴嘴的流場，將利用流體力學商業軟體Fluent進行噴嘴流場與聲場的模擬 並分析，因為Fluent可發揮現代電腦的效能，使用RANS與LES的方法模擬紊流流場。
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Fluent可利用K−ε法計算穩態紊流流場，利用Curl積分方程式計算聲源，可得到流場 中之聲源大小。亦可利用LES方法計算出暫態之紊流流場，配合上FW-H方程式及快速傅 立葉轉換（FFT）可得到各接收點之聲場大小與頻譜圖，進一步也可以找出噴嘴減噪結
Fluent可利用K−ε法計算穩態紊流流場，利用Curl積分方程式計算聲源，可得到流場 中之聲源大小。亦可利用LES方法計算出暫態之紊流流場，配合上FW-H方程式及快速傅 立葉轉換（FFT）可得到各接收點之聲場大小與頻譜圖，進一步也可以找出噴嘴減噪結