2相多循環(huán)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲輻射特性試驗(yàn)研究

李 娜

(沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽 110015)

1 引言

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Pulse Detonation Engine，簡(jiǎn)稱 PDE)是利用脈沖式爆震波產(chǎn)生周期性沖量的非定常推進(jìn)系統(tǒng)[1]。眾所周知，動(dòng)力裝置的噪聲不但會(huì)對(duì)人類的生存環(huán)境造成不良影響，而且還會(huì)引起自身乃至飛行器的聲致結(jié)構(gòu)疲勞破環(huán)，也會(huì)對(duì)機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生不良影響[2]。由于工作過程的特殊性，新概念脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于已廣泛應(yīng)用的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的。初步研究表明，其噪聲輻射有效聲壓級(jí)一般為 140～150 dB[3]，無法滿足國(guó)內(nèi)外有關(guān)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)的要求，成為制約該類發(fā)動(dòng)機(jī)未來實(shí)際應(yīng)用的“攔路虎”。

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)一般由進(jìn)氣道、爆震室及尾噴管組成。其工作過程主要包括[4]：

（1）可燃混氣填充爆震管；

（2）在密封端點(diǎn)火；

（3）爆燃波轉(zhuǎn)變?yōu)楸鸩?并向開口端傳播；

（4）爆震波從開口端傳出，膨脹波反射進(jìn)來；

（5）已燃燃?xì)馀懦觥?/p>

脈沖噪聲按其物理特性可以分為2類，1類是由固體碰撞而引起物體的彈性振動(dòng)、變形或斷裂等產(chǎn)生的撞擊噪聲，又稱自振波。它包括一系列阻尼振動(dòng)。另1類是由于爆炸、轟聲或紊流等突然的變壓而引起的沖擊脈動(dòng)[5]。新概念脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲主要由第2類原因引起。

本文對(duì)內(nèi)徑為60 mm的2相多循環(huán)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲輻射特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由供油、供氣、點(diǎn)火系統(tǒng)，PDE模型機(jī)（由油氣混合室和爆震燃燒室組成）及噪聲、壓力測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成。對(duì)內(nèi)徑為60mm，長(zhǎng)度為1.5 m的PDE模型機(jī)的噪聲輻射特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率的變化通過改變點(diǎn)火頻率來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何尺寸及工作頻率供給一定量的空氣和汽油。發(fā)動(dòng)機(jī)出口管壁處的壓力波形 (用于監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài))利用CY-YD-205型壓電式壓力傳感器獲得，經(jīng)YE5853型電荷放大器調(diào)整后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；采用丹麥G.R.A.S聲與振動(dòng)公司生產(chǎn)的高強(qiáng)度噪聲測(cè)試傳感器系統(tǒng)進(jìn)行噪聲測(cè)量,測(cè)量前用B＆amp;K4220活塞發(fā)聲器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。該系統(tǒng)由40DP-1/8″電容傳聲器、連接器、26AC前置放大器及直流供電電源組成。系統(tǒng)性能參數(shù)如下：靈敏度：0.97mv/Pa；頻響范圍：10Hz～70kHz(±1 dB) 或 6.5 Hz～-140 kHz(±2 dB)；量程：40 ～178 dB；使用溫度：-40～150℃。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的噪聲信號(hào)經(jīng)噪聲測(cè)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，與來自壓力測(cè)量系統(tǒng)的電壓信號(hào)一起實(shí)時(shí)傳輸?shù)?通道并行高速數(shù)據(jù)采集卡DAQ-2010(其采樣頻率可達(dá)2 MHz)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、分析。

PDE模型機(jī)噪聲測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，試驗(yàn)時(shí)按照有關(guān)規(guī)范，將傳聲器安裝在距發(fā)動(dòng)機(jī)噴口中心1 m、270°處。傳聲器高度與發(fā)動(dòng)機(jī)噴口中心平齊，距地面1.4 m。在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作狀態(tài)下，分別對(duì)不同爆震頻率下PDE模型機(jī)的噪聲輻射特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 噪聲輻射的衰減特性

由于在不同位置處脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)出口爆震波輻射的噪聲強(qiáng)度和頻率成分不同，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)出口距離的增大，噪聲強(qiáng)度減弱，即噪聲輻射強(qiáng)度隨著距離聲源位置的增大而發(fā)生衰減。試驗(yàn)測(cè)得了距離發(fā)動(dòng)機(jī)出口徑向位置處1、2、3、4 m時(shí)，該處噪聲輻射大小，發(fā)現(xiàn)峰值聲壓級(jí)隨著傳感器距離發(fā)動(dòng)機(jī)出口徑向位置的增大而衰減得很明顯，脈沖聲壓級(jí)也同時(shí)發(fā)生衰減。試驗(yàn)在同一工況下同時(shí)進(jìn)行，在不同爆震頻率、不同位置處60 mmPDE模型機(jī)噪聲輻射特性參數(shù)變化曲線如圖2所示。從圖中可以看出，距離發(fā)動(dòng)機(jī)出口越遠(yuǎn)，噪聲（尤其是聲壓和聲功率）衰減得越快，因?yàn)樵肼曁幱?個(gè)混響場(chǎng)中，向四周各方向都有輻射，故其能量散失得很快。

3.2 噪聲輻射的指向性

由于噪聲在不同方向輻射的大小不同，即呈現(xiàn)一定的指向特性，為此，本文對(duì)60 mm脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)模型機(jī)進(jìn)行了噪聲指向特性研究。試驗(yàn)在同一工況下進(jìn)行，噪聲測(cè)量傳感器放置在與發(fā)動(dòng)機(jī)出口軸向夾角 (方位角)分別為210°、240°、270°、300°的位置處。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)噪聲輻射大小隨著方位角的不同而發(fā)生變化，根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算得到的特性參數(shù)見表1。根據(jù)表1中各頻率下4個(gè)方位角處的噪聲輻射特性參數(shù)大小，應(yīng)用線性擬合方法擬合出了方 位 角 分 別 為 180° 、330° 、360°的噪聲輻射特性參數(shù)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)出口流場(chǎng)的軸對(duì)稱特性，可以近似認(rèn)為方位角為0°～180°時(shí)的噪聲輻射特性參數(shù)與180°～360°時(shí)的相等，即發(fā)動(dòng)機(jī)噴口周圍聲場(chǎng)中噪聲大小以發(fā)動(dòng)機(jī)的軸線為中心軸呈對(duì)稱分布。根據(jù)180°～360°的噪聲輻射大小相對(duì)稱地得到0°～180°的噪聲輻射特性。在不同爆震頻率下峰值聲壓級(jí)和脈沖聲壓級(jí)的極坐標(biāo)如圖3所示。從圖3中可以看出，在各頻率下噪聲的峰值聲壓級(jí)和脈沖聲壓級(jí)呈現(xiàn)基本相同的變化趨勢(shì)，在180°方位角處，即與發(fā)動(dòng)機(jī)噴口方向相反處的噪聲輻射聲壓級(jí)最小；越靠近0°方位角處，即發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口方向，噪聲輻射聲壓級(jí)越大。

表1 60 mm脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)模型機(jī)指向性噪聲輻射特性 dB

通過高速數(shù)據(jù)采集儀采集到的壓力時(shí)域曲線如圖4所示。觀察各頻率下4個(gè)方位角處的聲壓，隨著方位角的增大，聲壓變化比較明顯，呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。由圖4中顯示的數(shù)據(jù)可以看到，在210°方位角處聲壓為 1000～3000Pa，而在 300°方位角處聲壓為6000～9000Pa。由此可以得出，60 mm脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)模型機(jī)具有一定的指向特性，越靠近發(fā)動(dòng)機(jī)噴口方向，噪聲輻射的強(qiáng)度越強(qiáng)；越靠近發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的相反方向，噪聲輻射強(qiáng)度越弱。

3.3 噪聲輻射的頻率特性

60 mm脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)模型機(jī)的1/3倍頻程特性如圖5所示，圖5右邊表格中顯示的數(shù)據(jù)是在1/3倍頻程的各中心頻率下對(duì)應(yīng)的聲壓值。從圖5中可以看出，聲壓值最大出現(xiàn)在頻率為63000 Hz時(shí)，這是因?yàn)?/3倍頻程的帶寬隨頻率變化而變化，在高頻范圍內(nèi)頻帶寬，結(jié)果使信號(hào)累加的作用增強(qiáng)。60 mm脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的3維頻譜如圖6所示，x軸表示頻率，y軸表示時(shí)間，z軸表示聲壓。從圖6中可以清楚地看到脈沖噪聲的頻率主要集中在低頻范圍內(nèi)。

從圖5、6中可見，對(duì)于60mm脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)模型機(jī)而言，無論工作頻率如何，其噪聲輻射頻譜的頻率范圍都是很寬的，在0～60000 Hz范圍內(nèi)，各種頻率的噪聲信號(hào)都存在。但噪聲輻射的能量主要集中在0～10000 Hz的頻率范圍內(nèi)，且絕大部分能量集中在0～5000 Hz的信號(hào)內(nèi)，即呈現(xiàn)明顯的低頻性。由此可以看出，在一定低頻范圍內(nèi)，60 mm脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲輻射頻譜由氣流脈沖的基頻和諧頻組成。

60 mm脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)模型機(jī)的倍頻程噪聲譜如圖7所示。圖中顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲在各頻率成分下對(duì)應(yīng)的分貝值。通過分析可以得出：60 mm脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲輻射的頻譜很寬，在0～10000 Hz范圍內(nèi)，各種頻率的噪聲信號(hào)都存在，但是噪聲主要集中在低頻范圍內(nèi)，表現(xiàn)出明顯的低頻性。

3.4 噪聲輻射的時(shí)間特性

脈沖噪聲的時(shí)間特性主要是指發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖噪聲的持續(xù)時(shí)間，即脈沖聲波維持一定聲壓所延續(xù)的時(shí)間，脈沖噪聲的持續(xù)時(shí)間又簡(jiǎn)稱脈寬。自由場(chǎng)中的簡(jiǎn)單脈沖波，其持續(xù)時(shí)間即指壓力上升至主要正峰值，而后又迅速降至環(huán)境壓力所需的時(shí)間，稱為A持續(xù)時(shí)間。當(dāng)脈沖噪聲在混響場(chǎng)或因其它原因產(chǎn)生反射形成一系列振蕩波時(shí)，其持續(xù)時(shí)間為：在聲壓脈沖峰波以下20 dB（即自正峰頂下降90%）的聲壓振幅范圍內(nèi)，包括正的和負(fù)的時(shí)間總和，稱為B持續(xù)時(shí)間[5]。

內(nèi)徑為60 mm，爆震室長(zhǎng)度為1.5 m的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在爆震頻率為10 Hz時(shí)的時(shí)間特性曲線如圖8所示。根據(jù)脈沖噪聲時(shí)間特性的定義方法，通過計(jì)算分析可以得出：脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的A持續(xù)時(shí)間為0.2 ms左右，B持續(xù)時(shí)間為5.0 ms左右。由此可見，脈沖噪聲是由1個(gè)或多個(gè)持續(xù)時(shí)間小于1 s的猝發(fā)聲組成的噪聲。

4 結(jié)論

本文對(duì)60 mm脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)模型機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得到了脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲輻射的一些特性。主要結(jié)論如下：

（1）該模型機(jī)噪聲輻射越靠近發(fā)動(dòng)機(jī)噴口，指向性越強(qiáng)；反之，噪聲輻射強(qiáng)度越弱。距離發(fā)動(dòng)機(jī)噴口越遠(yuǎn)，噪聲衰減得越快。

（2）該模型機(jī)噪聲輻射的頻譜很寬，在0～10000 Hz范圍內(nèi)，各種頻率的噪聲信號(hào)都存在，但是噪聲主要集中在低頻范圍內(nèi)。在一定低頻范圍內(nèi)，60 mm脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲輻射頻譜由氣流脈沖的基頻和諧頻組成。

（3）脈沖噪聲A持續(xù)時(shí)間為0.2 ms左右，B持續(xù)時(shí)間為5.0 ms左右，是1個(gè)或多個(gè)持續(xù)時(shí)間小于1 s的猝發(fā)聲組成的噪聲。

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