三爆轟管-脈沖爆轟發動機的近場噪聲特性*

黃孝龍,翁春生,李 寧,許桂陽

(南京理工大學瞬態物理國家重點實驗室，江蘇 南京 210094)

三爆轟管-脈沖爆轟發動機的近場噪聲特性*

黃孝龍,翁春生,李 寧,許桂陽

(南京理工大學瞬態物理國家重點實驗室，江蘇 南京 210094)

為研究三爆轟管脈沖爆轟發動機噪聲的形成機理和特性，設計了正三角形組合的三爆轟管PDE實驗系統，分別在與中心軸線成0°、30°、60°及90°方向上，對8個不同距離處的聲壓進行了測量，結果表明：不同距離處噪聲幅值最大值均在30°方向上；爆轟噪聲的參考半徑為3倍“名義管徑”；爆轟噪聲的A持續時間隨著r(距離三爆轟管名義“中點”的直線距離)的增加近似線性減小，并隨著角度的增大而減小。B持續時間與聲壓值的大小成反比關系，并且隨著軸向距離的增加而增加。在不同的方位角上，峰值聲壓越大，B持續時間越小。

爆炸力學;爆轟噪聲;參考半徑;脈沖爆轟發動機;指向性;持續時間

脈沖爆轟發動機(pulse detonation engine,簡稱PDE)是一種利用脈沖式爆轟波產生推力的新概念發動機，具有熱效率高、結構簡單等優點。多管PDE的構想最早出現在20世紀50年代，相對于單爆轟管的PDE，增加爆轟管數量具有增加推力和提高工作頻率等優點。國內外對多爆轟管PDE研究頗有成效，2014年T.Morozumi等[1]采用乙烯為燃料，N2O為氧化劑，實現了四爆轟管PDE裝置的成功起飛，工作過程中對稱的兩爆轟管同時起爆，在1500 ms的工作過程中測得平均推力為256 N，比沖為130.8 s。2011年，袁成等[2]以汽油為燃料，空氣為氧化劑，成功實驗了六個爆轟管的吸氣式PDE的多循環起爆。然而作為一種動力裝置，其在工作過程中產生較大的噪聲會引起結構的聲疲勞、對相關工作人員的聽力造成損傷、對周圍環境產生噪聲污染等危害。因此，對多爆轟管PDE爆轟噪聲的研究具有重要意義。

針對單爆轟管PDE爆轟噪聲特性已有一系列的研究報道，L.Shaw等[3]對距離出口0～3.66 m范圍內的PDE管外噪聲進行了測量，發現距離管口越近，聲壓級越高。通過信號頻率的處理，發現隨著距管口的距離的增加，由于高頻噪聲在大氣中的耗散作用，其聲壓的幅值迅速衰減。美國辛辛那提大學A.Glaser等[4]對距離出口方向不同角度、不同軸向距離的PDE爆轟噪聲進行了實驗，發現爆轟噪聲輻射具有一定的指向性，并且得出了噪聲幅值隨軸向距離變化的衰減規律。國內對于PDE爆轟噪聲的實驗研究相對較少。鄭龍席等[5]進行了氣液兩相PDE噪聲實驗研究，發現其噪聲輻射呈現間歇性和周期性的特點，噪聲源主要由單極子源和四極子源組成；噪聲輻射的頻譜為寬頻帶譜，其能量主要集中在低頻部分，由氣流脈動的基頻和諧頻組成；峰值聲壓級與爆轟頻率無關，而脈沖聲壓級、聲功率級和聲功率隨爆轟頻率的增加而提高。許桂陽等[6]對加裝不同噴管的PDE爆轟噪聲進行了實驗研究，發現加裝噴管可以降低爆轟噪聲和減小爆轟噪聲的參考半徑。

對于多管PDE爆轟噪聲的研究，美國辛辛那提大學N.Caldwell等[7]對雙爆轟管的PDE爆轟噪聲進行了相關的實驗研究，與單爆轟管PDE相比，雙爆轟管PDE在距離管口2.89 m處產生的聲壓級要高出至少3 dB，并且爆轟噪聲輻射的指向性更加明顯。當前，國內多管PDE爆震噪聲的研究尚未見到報道。

在前人研究的基礎上，本文中著重于對正三角形這一典型多爆轟管組合方式的PDE爆轟噪聲展開研究，通過實驗探索多循環三爆轟管PDE近場噪聲特性，分析其波形特征與衰減規律，得到爆轟噪聲峰值衰減系數，并對噪聲輻射指向性和持續時間進行研究。研究結果有助于探索多爆轟管PDE爆轟的噪聲形成和傳播機理以及多爆轟管PDE爆轟噪聲的控制方法。

1 實驗系統

三爆轟管PDE實驗系統如圖1所示，主要包括PDE、供氣系統、供油系統、點火控制系統和測試系統等。

圖1 三管PDE爆轟噪聲實驗系統示意圖Fig.1 Schematic of experimental setup

以壓縮空氣和壓縮氧氣作為氧化劑，燃料為93#汽油。3個爆轟管直徑均為80 mm，擺放成正三角形樣式，如圖1所示，中心軸間距為200 mm。PDE管頭部以徑向方式進氣，通過精細霧化噴嘴和文氏管實現汽油霧化，并在混合室內實現氧化劑和燃料充分均勻混合。采用高能點火頭，通過時序控制，實現三爆轟管同時起爆，點火頻率為8 Hz，實驗在常溫常壓下進行。在每個爆轟工作循環間隙內，會有新鮮燃料和氧化劑的混合物吹掃廢氣，同時達到完全填充PDE管，此時下一次點火開始，進行下一次工作循環。測試系統中的傳感器為PCB公司高頻動態傳感器，傳感器布置在垂直于爆轟管中心軸連線的水平面內0°、30°、45°和90°方向上，高度與圖1中正三角形中心點保持一致。在同一工況下，分別對距PDE出口400、600、800、1 000、1 200、1 600、2 400和3 000 mm處的噪聲進行測試。測試得到的噪聲電信號通過信號調理器處理后由同步數據采集系統采集，采樣率為5×105s-1。

2 PDE近場爆轟噪聲傳播特性分析

2.1 三管爆轟發動機爆轟噪聲參考半徑的變化

以r0為參考半徑，將PDE噪聲場劃分為近場和遠場，計算公式為[4]：

(1)

式中：r0為參考半徑,E為爆炸能量,p0為大氣壓力。定義r為距離三爆轟管名義“中點”的直線距離。當r

(2)

式中：k、k1為衰減系數。

因此，參考半徑r0對PDE爆轟噪聲機理研究具有重要意義。圖2為不同方向上PDE爆轟噪聲幅值隨距離r的變化曲線。其中實線為負3次方擬合曲線，虛線為負1次方擬合曲線。

PDE近場爆轟噪聲峰值ppeak與r的倒數滿足一定的變化規律[4](公式(2))。

圖2 爆轟噪聲峰值隨距離r變化的擬合曲線Fig.2 Fitted curves of detonation noise amplitudes varying with different distances

由曲線擬合情況可以看出：在距離管口較近的區域，三爆轟管PDE噪聲場中的幅值衰減較快，衰減速度與1/r的3次方成正比。衰減速度逐漸放緩，在距離管口較遠的地方，衰減速度與1/r成正比。這主要是因為在管口附近，管內爆轟波退化形成的高強度的激波和高溫高壓燃燒產物迅速噴出管口形成高壓力區。伴隨著高強度沖擊波的迅速衰減和高溫高壓區的迅速擴散，壓力幅值迅速下降。隨著沖擊波繼續向前傳播，沖擊波強度逐漸減弱，其衰減速度也減慢。而中間距離的測試點，既不符合3次方，也不符合1次方的衰減規律。可將此區域定義為過渡區[8]，即由強非線性聲場向弱非線性聲場衰減的過渡區域。該區域內，沖擊波強度迅速衰減，并且衰減速度逐漸放緩，最終由衰減逐步蛻變為弱非線性聲波，其聲壓的衰減速度較快且規律性較差。根據公式(2)，以兩條曲線的交匯點定義出參考半徑r0，由0°、30°、60°和90°等4個方向的擬合曲線可以看出，參考半徑r0≈0.7 m。本文中實驗所用的爆轟管的直徑d=80 mm，因此參考半徑r0≈9倍管徑。求得在0°、30°、60°和90°下，3次方衰減系數k=5.13×10-2、9.13×10-2、8.42×10-2和4.35×10-2;1次方的衰減系數k1=5.16×10-2、8.26×10-2、6.41×10-2和4.53×10-2。

2.2 PDE近場爆轟噪聲指向性分析

作為脈沖噪聲，PDE近場爆轟噪聲主要評價有脈沖聲壓級和峰值聲壓級。本文中著重研究峰值聲壓級，即爆轟噪聲聲壓-時間曲線中聲壓峰值ppeak的分貝值，表達式為：

Lpeak=20lg(ppeak/p0)

(3)

式中：Lpeak為峰值聲壓級,dB；ppeak為爆轟噪聲的峰值聲壓,Pa；p0=2×10-5Pa,為基準聲壓。

圖3 爆轟噪聲峰值的指向圖Fig.3 Diagram of detonation noise directivity

指向性是表示聲源在不同的方向輻射聲能量的差異性。由圖3可知，通過實驗測得三管PDE近場爆轟噪聲具有較強的指向性。三管PDE近場爆轟噪聲峰值最大值均出現在30°方向。并且隨著距離的增加，指向性更加明顯。爆轟噪聲，近似于高速噴流噪聲的一種，主要由沖擊波噪聲和高速噴流噪聲組成，沖擊波噪聲由爆轟波衰減而成的沖擊波組成，高速噴流噪聲由高溫高壓爆轟產物噴出PDE形成的高速噴流產生。文獻[5]中對爆轟噪聲的頻譜計算分析認為，爆轟噪聲的聲源主要由單極子和四極子源組成。其中的四極子源，即由射流邊界層中產生的湍流脈動引起的高頻噪聲，具有明顯的指向性。文獻[4]中，測量了單管PDE爆轟噪聲指向性，得出了除1倍管徑處，其余測量位置處的爆轟噪聲輻射最大聲壓級均在30°方向上的結論，三爆轟管PDE雖不同于單爆轟管PDE，但其聲源特性與單爆轟管PDE表現出了相似的規律性。

2.3 PDE噪聲近場的時間特性

圖4 爆轟噪聲持續時間Fig.4 Time of duration for detonation noise

脈沖噪聲的持續時間，也是脈沖噪聲重要的評價標準。爆轟波出管口退化而成的沖擊波在近場區域仍為較強的沖擊波，具有很強的間斷性。幅值上升快，下降也快，持續時間較短。本文中采用的判定標準有2種，即A持續時間和B持續時間[9]。按照國家標準[GJB 2A-1996]的定義，A持續時間為噪聲在自由場的簡單脈沖波，持續時間即指壓力上升至主要正峰值，隨后又迅速下降至環境壓力所需要的時間。對于B持續時間，即在混合場或其他原因產生反射形成的一系列振蕩波時，其持續時間為：在聲壓脈沖波峰值下降90%的聲壓振幅范圍內的時間總和。圖4為0°方向，r=1 000 mm處的聲壓變化曲線，其中聲壓峰值為62 kPa,La和Lb分別為波動范圍線的上下界限，大小分別為壓力峰值ppeak的±1/10。圖中O、A兩點間的時間差為A持續時間，O、B兩點間的時間差為B持續時間。

表1為0°、30°、60°、90°等4個方向，測試距離分別為600、800、1 000、1 200 mm處的脈沖噪聲的持續時間。

表1 爆轟噪聲的持續時間Table 1 Time of duration for detonation noise

2.3.1 A持續時間

圖5 A持續時間隨方位角的變化曲線Fig.5 Curves of A time duration varying with different angles

圖6 壓力隨時間變化曲線Fig.6 Curves of detonation noise amplitudes varying with time

A持續時間隨不同位置、不同方位角的變化情況如圖5(a)所示。在相同的位置r處，隨著方位角φ的增加，A持續時間近似線性規律下降。在同一方位角情況下，隨著距離r的增大，A持續時間也增大。分析認為，在相同的方位角上，隨著軸向距離增大，一定量的脈沖聲通過單位面積的聲能量不斷減小，因而峰壓減小，壓力-時間曲線拉寬，正脈沖時間也變長。在同一距離r處，由于三爆轟管PDE爆轟噪聲的指向性，在30°方向能量輻射比較大，因而不僅壓力值高，且A持續時間也長。而0°方向上能量分布較小，但是A持續時間較長，主要是因為三爆轟管雖然是同時點火，但由于三個爆轟管之間交匯流場的復雜性和波系之間的抵消作用，導致到達測試點的時間不一致。圖6為800 mm距離處測量所得壓力隨時間變化曲線，圖中明顯可以看出在壓力上升區，存在3個峰值的疊加，導致其壓力波形的正持續時間變長。

為驗證對A持續時間規律分析的正確性，對單爆轟管PDE爆轟噪聲近場噪聲進行了實驗測量。單爆轟管PDE爆轟噪聲的最大值在30°方向，A持續時間隨著方位角的變化曲線如圖5(b)所示：由圖中可以看出，同一方位角下，隨著距離的增加，A持續時間不斷增加。同一軸向距離處，由于爆轟噪聲輻射的指向性，在30°處，A持續時間較長，與上述分析結論一致。

2.3.2 B持續時間

圖7 B持續時間隨方位角的變化曲線Fig.7 Curves of B time duration varying with different angles

圖8 峰值聲壓級的指向性和B持續時間隨方位角的變化曲線Fig.8 Curves of detonation noise directivity and B time duration varying with different angles

圖9 800、1 000 mm處壓力波形對比Fig.9 Curves of detonation noise amplitudes varying with time at 800，1 000 mm

B持續時間隨著方位角φ的變化曲線如圖7所示。在600、800、1 000、1 200 mm處，30°和60°的B持續時間均小于同一距離下的0°和90°方向。圖8為800、1 000 mm處的爆轟噪聲峰值指向性和B持續時間變化曲線。0°～30°，隨著方位角的增加，峰值聲壓級增加，B持續時間相應減小，在60°～90°區間內，隨著方位角的增加，峰值聲壓級下降，B持續時間增加。這兩段區間內，峰值聲壓級的變化與B持續時間的關系成反比。在30°～60°處，B持續時間與方位角和峰值聲壓級沒有明確的關系。在方位角相同的情況下，隨著距離r的增大，B持續時間增加。

由上述分析可以看出，B持續時間與噪聲峰值具有一定的關系，隨著傳播距離的增加，峰值逐漸減小，B持續時間增加。圖9為800和1 000 mm處0°方向上壓力變化曲線，峰值為84、60 kPa。可以看出，峰值的衰減速度較快，但在小壓力擾動區域，衰減速度較慢。3個流場之間的交匯作用較復雜，產生的波系也相對復雜。聲場也并不是單管之間的簡單疊加，在某些區域存在一定程度的抵消，某些區域存在一定程度的疊加[10]，因此會出現峰值壓力減小，B持續時間增大的現象。

3 結 論

通過對三爆轟管脈沖爆轟發動機同時起爆工況下爆轟噪聲的研究，得出以下結論：

(1)爆轟噪聲隨著傳播距離的增加，迅速衰減，在3倍“名義管徑”距離之前，按照距離r的負3次方的規律衰減，近場與遠場的參考半徑在3倍“名義管徑”處，3倍“名義管徑”之后一定距離處，按照距離r的負一次方的規律衰減。

(2)爆轟噪聲輻射具有明顯的指向性，峰值均出現在30°方向。

(3)在相同的距離r處，隨著方位角φ的增大，A持續時間的下降規律近似線性的。在同一方位角情況下，不同距離r處，A持續時間隨著r的增大而增加。

(4)B持續時間與聲壓峰值的大小成反比關系，并且隨著距離r的增大，B持續時間增加。在不同的方位角上，峰值聲壓越大，B持續時間越小。

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(責任編輯 曾月蓉)

Experimental study of acoustic behavior of three-tube PDE system in near-field

Huang Xiaolong, Weng Chunsheng, Li Ning, Xu Guiyang

(NationalKeyLaboratoryofTransientPhysics,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,Jiangsu,China)

In the present work, a testing system consisting of three detonation tubes was designed in a regular triangle to investigate the noise characteristics of a three-tube PDE system and their formation mechanism. The distance between each tube and the central axis is 200 mm. The directivity of acoustic emissions is measured using a circular array of four transducers (0°, 30°, 60°, and 90°) at various radial distances. Results show that all the max peak pressures appear in the directivity of 30°. The referential radius of the detonation noise is three times that of the “nominal tube diameter”. The duration of A time decreases almost linearly along with the increase ofr(the distance to the nominal “central point” of the three detonation tubes), and also decreases with the increase of the angle. The duration of B time is inversely proportional to the noise amplitude, and increases with the increase of the axial distance. At different angles, the greater the peak pressure, the smaller the duration of B time.

mechanics of explosion; detonation noise; reference radius; pulse detonation engine; directivity; time of duration

10.11883/1001-1455(2016)05-0633-07

2015-01-27； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-04-30

2015-04-30

國家自然科學基金項目(11472138);中央高校基本科研業務費專項基金項目(30920130112007); 國防預研究基金項目

黃孝龍(1988— )，男，博士研究生,huang_xl@foxmail.com。

O381 <國標學科代碼：13035 class="emphasis_bold"> 國標學科代碼：13035 文獻標志碼：A國標學科代碼：13035

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