小孔噴注消聲器在宇航設(shè)備上的應(yīng)用

魏志勇 康鐘緒 李書靈 王隆基 宋瑞祥 吳 瑞

(1 北京市勞動保護科學(xué)研究所 北京 100054)

(2 中國航天員科研訓(xùn)練中心 北京 100094)

0 引言

宇航設(shè)備中的供氧排氣系統(tǒng)非常重要，在其排氣過程中，高壓氧氣和空氣通過較小的噴口排出。在有限的空間中達到足夠的供氧排氣要求，此時氣體的壓力和氣流速度都很高，致使其噴口處產(chǎn)生很高的流噪聲。

流噪聲是典型的空氣動力性噪聲，由運動著的流體介質(zhì)與固體邊界之間的相互作用以及流體介質(zhì)內(nèi)部的湍流作用所引起。流噪聲的產(chǎn)生機理主要是固體壁面和流體介質(zhì)之間的相對運動以及流體介質(zhì)自身的不規(guī)則湍流運動所激發(fā)的介質(zhì)內(nèi)部的應(yīng)力及壓力擾動的傳遞?；诹髟肼晢栴}的復(fù)雜性，即使各國專家學(xué)者進行了不懈的努力研究，依舊無法確定各種流噪聲計算方法的精確性，但這并沒有阻擋對流噪聲控制的研究[1?9]，研究成果也在不同領(lǐng)域內(nèi)有所應(yīng)用[10?12]。

馬大猷等[2?4]、李沛滋等[5]在Lighthill[1]流噪聲理論基礎(chǔ)上，提出了小孔噴注噪聲理論，并針對小孔噴注消聲器進行了分析研究。小孔噴注消聲器是以眾多的小孔徑噴口來代替原有的大截面噴口。與其他消聲裝置相比，小孔噴注消聲器的降噪技術(shù)的特點是依靠小孔的移頻作用。噴注噪聲的主要能量隨噴口直徑的減少而向高頻端移動，隨著噴口直徑的減少，管內(nèi)流噪聲能量由低頻向高頻轉(zhuǎn)移，進而使低頻噪聲得到控制，高頻噪聲有所提高；隨著噴口的繼續(xù)減小，當噴口直徑小到一定值時，小孔噴注噪聲的聲能量將會移到人耳不敏感的高頻范圍。值得注意的是，高頻聲波在空氣中的傳播衰減遠大于中低頻聲波，因此，在保證小孔通流面積前提下，可以實現(xiàn)對流噪聲的有效控制。

之后，大量的研究采用數(shù)值仿真方法分析噴注噪聲[6?9]，與以往的理論分析方法相互驗證，但在實際的應(yīng)用中，理論方法仍比數(shù)值仿真方法應(yīng)用廣泛。

本文以噴注噪聲理論為基礎(chǔ)，參考馬大猷等提出的小孔噴注消聲器設(shè)計方法，為宇航設(shè)備供氧排氣系統(tǒng)的噴口設(shè)計小孔噴注消聲器。由于宇航設(shè)備供氧排氣系統(tǒng)對通流面積、幾何尺寸、質(zhì)量等條件具有嚴格的限制，設(shè)計只能在固定的范圍內(nèi)進行，難以同時滿足小孔直徑、數(shù)量及小孔間距的理論設(shè)計要求。本設(shè)計通過限制孔間距條件，降低小孔設(shè)計直徑，滿足了設(shè)計要求，并通過實驗測試的方法驗證了消聲器對噴注噪聲的控制效果。同時，對噴口楔形結(jié)構(gòu)對噴注噪聲的影響造成的理論計算誤差進行了分析。

1 噴注噪聲

1.1 單孔噴注

根據(jù)Lighthill[1]導(dǎo)出的湍流噴注噪聲的聲功率公式，噴注噪聲聲功率和噴注流速度八次方成正比，和環(huán)境中的聲速的五次方成反比，稱之為速度八次方定律：

式(1)中，W為噴注總聲功率，W；K為常數(shù)；ρ為噴注介質(zhì)密度，kg/m3；V為噴注流速度，m/s；D為噴口孔徑，m；ρ0為環(huán)境中的介質(zhì)密度，kg/m3；c0為環(huán)境聲速，m/s。

馬大猷等[2?4]和李沛滋等[5]以經(jīng)典理論公式為基礎(chǔ)，在此領(lǐng)域做出了重要貢獻，推導(dǎo)出更為廣義的噴注噪聲理論公式，以壓力參量描述，將公式的適用范圍從亞聲速拓展到了超聲速：

式(2)中，KP為常數(shù)，P1為聲源駐點壓力，P0為環(huán)境壓力，R=P1/P0為駐壓比。

歸一化聲功率譜，歸納得出垂直噴口距離1 m處的A聲級公式：

式(3)中，d為噴口直徑，mm；d0為1 mm，M0和M分別是空氣和噴注氣體的分子量，阻塞時xA=0.165d/d0。

式(3)僅適用于湍流噪聲，對于駐壓在一定范圍附加的沖擊噪聲不適用，根據(jù)文獻[3]對不同駐壓比下的實驗研究發(fā)現(xiàn)，在一定的駐壓比范圍內(nèi)，沖擊噪聲顯著影響整個噴注噪聲，且沖擊噪聲較不穩(wěn)定，容易受噴口情況的影響，最終，不同駐壓比范圍下的空氣噴注噪聲公式為

公式(4)即為噴注噪聲計算公式。

1.2 多孔噴注

如果同時有多個噴注向統(tǒng)一方向噴射，應(yīng)考慮噴注之間的相互干涉。單個噴注逐漸擴張，一定距離后與旁邊噴注接觸，最后匯合成一個大噴注，噪聲為小噴注噪聲與大噴注噪聲的和。

為了降低噪聲，將多個小孔的孔間距加大，當間距足夠大時，匯合噴注的噪聲基本不起作用，此時噪聲只是小噴注噪聲的和，其計算公式變?yōu)?/p>

式(5)中，D為各小孔總面積的有效直徑。

此時，小孔孔間距應(yīng)滿足如下關(guān)系：

式(6)中，b為小孔的孔間距。

小孔噴注消聲器的噪聲應(yīng)采用公式(5)計算，為了達到更好的降噪效果，其小孔的分布間距應(yīng)通過公式(6)確定，若孔間距縮小，從小孔射出的噴注彼此混合將產(chǎn)生低頻噪聲，消聲器的降噪效果降低。

2 消聲器設(shè)計及測試

2.1 噴口及噪聲

本次研究的宇航設(shè)備供氧排氣系統(tǒng)有兩套噴口系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，相應(yīng)參數(shù)分別如下：

噴口A：噴注氣體為氧氣，噴口直徑4 mm，駐壓0.4 MPa，駐壓比R為4；噴口B：噴注氣體為空氣，噴口直徑4 mm，駐壓1.2 MPa，駐壓比R為12。

該噴口結(jié)構(gòu)與一般噴口不同，在噴口外側(cè)存在喇叭口結(jié)構(gòu)，喇叭口錐形與中心成30?角。

采用B&K 2250型噪聲測量儀對噴口的噴注噪聲進行測試。由于噴口無法與排氣系統(tǒng)分離，測試在排氣系統(tǒng)實驗室進行。測點位置距離噴口1 m(垂直于噴口噴注方向)，距離地面1.5 m，與噴口同一高度；測點與附近墻體距離超過3 m。測試進行時，調(diào)節(jié)排氣系統(tǒng)使其處于正常工作狀態(tài)下，首先測試背景噪聲，之后分別打開閥門控制噴口A、B依次排氣，記錄排氣時噴口A、B的噴注噪聲。測試結(jié)果及其與計算結(jié)果的對比如表1所示。

圖1 噴口結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of nozzle

根據(jù)公式(4)理論計算噴注噪聲A聲級與測量結(jié)果相比，噴口A的誤差較大為6.9 dB(A)，但噴口B的誤差很小只有0.3 dB(A)。

表1 噴注噪聲結(jié)果Table 1 Results of injection noise(單位：dB(A))

噴口噴注噪聲的頻譜特性如圖2所示。頻譜數(shù)據(jù)顯示，在200 Hz以內(nèi)的頻率范圍，噪聲基本不隨頻率變化，均在45 dB附近，且噴口A和噴口B的結(jié)果差距不大；200 Hz至10000 Hz之間，隨著頻率增加，噪聲值穩(wěn)定升高，噴口A噪聲值提高的速率要明顯小于噴口B噪聲值，兩個噴口噪聲值的差距在5～10 dB；10000 Hz以后的頻率范圍內(nèi)，噪聲值均有所下降，噴口A的下降速度稍快。可見，噴注噪聲的主要能量集中在中高頻部分，駐壓比高的噴口噪聲較高，但在200 Hz以內(nèi)的低頻范圍，噪聲值較為平穩(wěn)，且噪聲值受駐壓比影響較小。

圖2 噴口A、B噴注噪聲頻譜Fig.2 Noise spectrum for nozzle A and B

2.2 消聲器設(shè)計及效果

實際的小孔消聲器設(shè)計中，小孔的孔徑、間距、個數(shù)以及排氣速度往往會有所限制，不一定能完全按照設(shè)計原則設(shè)計，因此小孔消聲器的實際效果與設(shè)計值會有一定差異。

根據(jù)系統(tǒng)運行要求，消聲器的通流面積不應(yīng)小于噴口截面積的2倍，即小孔消聲器的小孔總面積不得小于噴口截面積的2倍。此外，為滿足系統(tǒng)的幾何及質(zhì)量限制，消聲器采用直管壁面打孔結(jié)構(gòu)，直管直徑為14 mm，長度為22 mm，如圖3所示，材質(zhì)采用硬質(zhì)聚乙烯材料。

根據(jù)小孔噴注消聲器的設(shè)計原則，小的孔徑和大的孔間距對降噪效果有利，但在條件限制下，小孔直徑、數(shù)量和孔間距是相互矛盾的。在此次設(shè)計中，若滿足公式(6)的要求，需要小孔直徑為2 mm，孔數(shù)為8個，但此時的小孔消聲器降噪效果太小，無法滿足要求。為進一步加強降噪效果，降低小孔直徑，增加小孔個數(shù)，當小孔直徑采用1 mm和0.5 mm時兩種方案時，雖然無法滿足公式(6)的要求，但計算結(jié)果能夠滿足系統(tǒng)聲學(xué)要求(噴口A噪聲低于70 dB(A)，噴口B噪聲低于85 dB(A))。

確定小孔噴注消聲器小孔直徑采用1 mm和0.5 mm兩種不同方案，小孔直徑為1 mm時，孔數(shù)為33個，小孔直徑為0.5 mm時，孔數(shù)為132個，孔間距與小孔直徑的比均為5.8。

圖3 小孔噴注消聲器Fig.3 The small hole injection silencer

對于有膨脹的小孔消聲器，其膨脹后的駐壓比可通過文獻[1]中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)得到，噴口A和噴口B消聲器的膨脹前后駐壓比的比值約為R2/R1≈0.5。利用公式(5)計算安裝小孔消聲器后噴口A和噴口B的噪聲，并將計算結(jié)果與測試結(jié)果進行對比。對比結(jié)果顯示，計算結(jié)果與測量結(jié)果吻合良好，最大誤差為2.4 dB(A)，最小誤差僅有0.4 dB(A)。

噴口A、B安裝消聲器后噪聲的頻譜特性如圖4、圖5所示。

與圖2所示噴口噪聲頻譜特性比較發(fā)現(xiàn)，安裝小孔消聲器后，20 Hz～100 Hz范圍內(nèi)的噪聲變化較小，甚至在25 Hz附近噪聲值有所增加；100 Hz～20000 Hz范圍內(nèi)的噴注噪聲有所降低，其中，中高頻效果尤其顯著，隨著頻率的升高，消聲量有增加的趨勢。整體看，噪聲能量仍主要集中在中高頻范圍，且兩個噴口具有相同的趨勢。噴口A消聲器各頻帶的消聲量最高可達31 dB(A)，而噴口B消聲器最高也能達到24 dB(A)，隨著消聲器的小孔孔徑從1 mm降低至0.5 mm，消聲效果進一步提高，頻帶最高消聲量分別增加至38 dB(A)和27 dB(A)。

圖4 噴口A安裝消聲器后噪聲頻譜Fig.4 Noise spectrum for nozzle A with silencer

圖5 噴口B安裝消聲器后噪聲頻譜Fig.5 Noise spectrum for nozzle B with silencer

3 分析

3.1 誤差分析

根據(jù)馬大猷等[2?3]敘述，噴注噪聲的理論計算公式(4)誤差一般在2 dB(A)左右，表1和表2的結(jié)果顯示，本文計算結(jié)果基本滿足該結(jié)論，但噴口A無消聲器時的噪聲計算結(jié)果誤差較大，達到6.9 dB(A)，遠超出2 dB(A)，現(xiàn)對比誤差進行分析。

表2 安裝消聲器后噪聲結(jié)果Table 2 Results of injection noise with silencers (單位：dB(A))

公式(4)是前人根據(jù)普通噴口結(jié)構(gòu)的大量測試數(shù)據(jù)歸納而來，適用于無任何附加結(jié)構(gòu)的噴口，而噴口A在普通噴口結(jié)構(gòu)后附加了喇叭口結(jié)構(gòu)，此附加結(jié)構(gòu)對噴注噪聲的影響并未在公式(4)中體現(xiàn)。

在噴注噪聲的組成中，湍流噪聲受噴口結(jié)構(gòu)的影響程度較小，但沖擊噪聲受噴口結(jié)構(gòu)的影響較大。文獻[3]中提到在3

文獻[10]中采用數(shù)值仿真方法研究了駐壓比在3～7范圍內(nèi)噴口后附加楔形結(jié)構(gòu)(相當于半個喇叭口結(jié)構(gòu))的影響，仿真結(jié)果顯示附加楔形結(jié)構(gòu)后噴口噴注的速度場受到影響，而湍流強度也有了明顯的降低。同時實驗測試結(jié)果表明其噴口附加楔形結(jié)構(gòu)后，噴注噪聲降低了2 dB(A)左右，驗證了噴口后附加的類似喇叭口結(jié)構(gòu)對其噪聲有明顯的抑制作用。

3.2 孔間距

本次設(shè)計中由于條件限制，在保證較小孔徑(1 mm、0.5 mm)的情況下，孔間距無法滿足公式(6)要求。

按噴注噪聲的理論分析，實際的噪聲將由于孔間距減小而有所增加。表2中對實際的噪聲測試結(jié)果與計算結(jié)果進行了對比，對比顯示，1 mm、0.5 mm兩種孔徑方案下的實際測試結(jié)果基本與計算結(jié)果保持一致，沒有出現(xiàn)測試結(jié)果顯著高于計算結(jié)果的情況，結(jié)果表明設(shè)計方案雖然未滿足公式(6)的孔間距要求，但由于孔間距與孔徑的比值達到了5.8，多孔之間的相互影響雖然存在但并不明顯，未對噪聲產(chǎn)生明顯影響?？梢?，小孔噴注消聲器的孔間距在無法滿足公式(6)的要求時，只要孔間距與孔徑的比值達到6左右時，多孔噴注之間的匯合仍不會對結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，仍可按公式(5)計算噪聲值。

4 結(jié)論

根據(jù)小孔噴注消聲器設(shè)計原則設(shè)計并加工宇航設(shè)備供氧排氣系統(tǒng)排氣口的消聲噴注消聲器，對比理論計算結(jié)果與實驗測試結(jié)果，得到如下結(jié)論：

(1)在宇航設(shè)備供氧排氣系統(tǒng)采用小孔噴注消聲器進行噴口流噪聲的控制是十分有效的，雖然由于現(xiàn)場條件限制，無法完全按照設(shè)計原則進行消聲器設(shè)計，但仍能得到令人滿意的設(shè)計方案。

(2)噴注噪聲的公式預(yù)測結(jié)果與實驗測試結(jié)果在沖擊噪聲對噴注噪聲影響較小的情況下吻合非常良好，誤差最大不超過2.4 dB(A)，在可接受范圍之內(nèi)。此時，噴口后附加的喇叭口結(jié)構(gòu)不會對噴注噪聲產(chǎn)生明顯影響。

(3)在沖擊噪聲對噴注噪聲影響較大的情況，噴口后附加的喇叭口結(jié)構(gòu)對噴注噪聲會造成較為明顯的影響，此時預(yù)測公式是不適用的。

(4)由于條件限制，小孔噴注消聲器的小孔間距無法滿足設(shè)計要求時，保證孔間距和孔徑的比值達到6左右，多孔噴注對噪聲影響較小，仍可采用噴注噪聲公式進行預(yù)測。