基于小孔噴注理論的復合式小孔消聲器設計

李冬梅

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

消除噪聲污染是環境保護的一項重要課題。強噪聲會對人體造成傷害，當噪聲達到120 dB以上時，人耳感覺疼痛。噪聲聲源性質和噪聲傳播途徑的不同使得噪聲控制方法多種多樣，消聲器、吸聲材料的應用各有優勢。在研究中既可采用氣動聲學理論進行數值模擬，也可采用實驗驗證。

某型飛機ECS系統空氣散熱器性能試驗過程中，管路射流排氣噪聲高達130 dB(A)，遠遠超出國家標準要求。由于實驗室條件限制，噪聲直接排在室內，嚴重影響了實驗室工作人員的工作和活動，成為試驗中的安全隱患之一。為此需要采取合適的降噪方法對該強射流噪聲進行處理。文中采用馬大猷院士提出的小孔噴注控制噪聲理論進行散熱器試驗臺管路排氣消聲器設計，達到降噪效果。

1 小孔噴注噪聲控制理論

1.1 噴注噪聲

氣體以很高的速度流出管口或孔口，沖擊、卷吸周圍環境氣體，形成劇烈擾動，從而輻射出強烈的噪聲。這種噪聲稱為噴注射流噪聲，屬于四級子聲源。最簡單的自由噴射是由一個高壓容器通過一個圓形噴嘴排放氣流，如圖1所示。

圖1 典型噴注結構Fig.1 Schematic diagram of typical injection structure

直徑為D 的圓噴口形成自由噴注的結構，噴口的噴注形式分為混合區、過渡區和充分發展區。混合區的中心部分是噴注的核心，核心長度（或說混合區）的延伸距離大約是噴口直徑的4~4.5 倍。過渡區大致擴展到10 倍直徑的地方。測量表明，沿噴注表面，在噴口附近聲壓較低，在3~4 倍噴口直徑的距離內迅速增加到最大值，以后又慢慢降低。噴注噪聲大部分來自混合區和過渡區的湍流運動，該運動形成湍流噪聲，是一種高頻噪聲，主要產生在噴口附近。

噴注湍流噪聲功率的經驗公式為：

式中： kp為常數；p1為氣室駐點壓力，Pa；p0為環境壓力，Pa。

噴注90°方向上，距離噴口1 m處的聲壓級為：

噴注湍流噪聲的頻譜具有寬頻帶噪聲的特征，但對人起干擾作用的只是其中可聽聲頻率范圍內的一部分。如噴口直徑在幾厘米或幾十厘米，噪聲頻譜都在可聽聲范圍，全部噪聲都對人起干擾作用。若把噴口直徑減小到幾毫米或更小，噪聲頻譜將移向很高的頻率，超過了人耳可聽范圍，頻譜的大部分對人耳不再起干擾作用。小孔噴注噪聲控制理論就是將小孔噴注的主要能量轉移到超聲波頻段內的物理概念。

1.2 小孔擴散消聲器

小孔擴散消聲器是中國科學院聲學所馬大猷院士提出的一項特殊的設計技術。它與傳統多纖維性吸聲材料制成的消聲器有很大不同，是依據小孔噴注噪聲控制理論，將一個大的噴流在不小于原排氣量的前提下，改為一系列小噴流來替代，將可聽聲能量轉移到頻率更高、對人體影響較小的超聲頻段，超聲在短時間內可快速衰減。即采用多個小孔將高頻聲移到人耳不敏感的超聲范圍，從而達到降噪的目的。

根據小孔噴注噪聲與其壓力和直徑的關系和人的聽覺生理和心理特性，提出了在氣流或者蒸汽出口的頸部處設計合適的小孔結構，可以大大減少氣流噪聲對人的干擾作用在可聽聲頻段內的聲輻射，降噪量一般可以達到20~60 dB(A)。小孔消聲器多采用不銹鋼制造，不但具有較好的降噪效果，同時具有構造簡單、體積小、質量輕的特點，且不怕水，耐溫防火，清潔，無污染，可耐高溫，耐腐蝕，能承受高速連續氣流沖擊。廣泛應用于蒸汽和高壓空氣噴射等情況下的噪聲控制問題，具有良好的工程應用價值。

2 降噪方案

2.1 噪聲源分析

散熱器熱邊氣流來自飛機發動機壓氣機引氣，流量為10 000 kg/h（滿負荷），熱邊出口管徑為100 mm，氣流溫度為220 ℃，流速達到236 m/s。散熱器冷邊氣流來自飛機發動機外涵道引氣，流量為15 000 kg/h（滿負荷），出口管徑為150 mm，氣流溫度為350 ℃，氣流速度達到354 m/s，從而產生了刺耳的高頻強射流噪聲。經實測，試驗過程滿負荷供氣時，距離排氣口10 m處，噪聲值高達130 dB(A)。

通過對散熱器性能試驗管路氣流噪聲的分析，并綜合考慮了實驗室人員的工作環境等指標后，決定在散熱器冷、熱邊排氣口各加裝一臺消聲器進行降噪處理。

消聲器的設計指標為降噪量≥35 dB(A)，即：距離散熱器冷邊和熱邊排氣口10 m處的噪聲值在滿負荷供氣時降到95 dB(A)以下；在熱邊流量8000 kg/h和冷邊流量12 000 kg/h時降到82 dB(A)以下。

2.2 消聲器設計

由以上小孔噴注噪聲理論得出，采用小孔擴散消聲器可降低高溫高速氣流噪聲，且清潔無污染。高速氣流的多孔擴散過程就是氣流經過多孔材料形成許多小噴注，然后再匯合成一個面積較大而速度較低的大噴注，達到噪聲降低的效果。消聲量計算為：

式中：XA=0.165D。在消聲器設計時，需要把握好孔徑、孔距、孔數三個參數匹配關系，尤其應注意以下四方面因素。

1）從實用角度出發，孔直徑不能選得太小。因為孔直徑太小，不僅難加工，而且還容易堵塞，影響排氣量，增加氣流阻力；也不能太大，如果孔徑過大，消聲效果會很差。

3）為了使排氣通暢，考慮到小孔的阻尼作用，消聲器的開孔流通面積需設計成排氣口流通面積的多倍。

4）小孔噴注板應具有足夠的強度和剛度，保證在間歇性排氣氣流的沖擊力作用下不產生結構噪聲。

綜合考慮上述要求，設計的小孔復合式消聲器由4層多孔板結構組成，消聲段有效長度為1150 mm，所有材質均為1.5 mm厚不銹鋼板，層與層之間由支撐件連接，如圖2所示。從里往外（1—4層）的設計參數分別見表1。

圖2 復合式小孔消聲器Fig.2 Compound small-hole muffler

表1 復合式小孔消聲器參數Tab.1 Parameters of compound small-hole muffler

3 降噪效果

分別將消聲器連接到散熱器性能試驗臺冷邊管路和熱邊管路出口。試驗過程中，逐漸加大供氣流量，直至最大負荷。當供氣流量達到滿負荷運轉時，距離排氣口10 m測得的聲壓級為95 dB(A)。試驗室工作人員反映，現場感受降噪效果明顯。

安裝消聲器前后，散熱器試驗臺管路熱邊供氣流量8000 kg/h、冷邊供氣流量12 000 kg/h時，在試驗現場，距離排氣口10 m處測得的聲壓級見表2。加消聲器前后散熱器出口的噪聲頻譜如圖3所示。

表2 加裝消聲器前后試驗場噪聲測量值比較Tab.2 Comparison of noise in test site before and after installing muffler

圖3 加消聲器前后散熱器出口的噪聲頻譜Fig.3 Noise spectrum at the radiator outlet before and after installing muffler

4 結論

文中針對某型飛機ECS系統空氣散熱器性能試驗臺管路排氣噪聲污染問題，設計的4層穿孔板結構小孔復合式消聲器，可以有效地降低高速氣流噪聲，且結構簡單，體積小，質量輕，耐高低溫、濕熱、腐蝕等極端惡劣環境。應用結果證明，能夠保證高速氣流下長期有效作用，適合試驗室等對環境要求較高的工作環境，具有優良性能和工程適用性。