2相多循環脈沖爆震發動機燃燒噪聲輻射特性試驗研究

李 娜

(沈陽發動機設計研究所,沈陽 110015)

1 引言

脈沖爆震發動機(Pulse Detonation Engine，簡稱 PDE)是利用脈沖式爆震波產生周期性沖量的非定常推進系統[1]。眾所周知，動力裝置的噪聲不但會對人類的生存環境造成不良影響，而且還會引起自身乃至飛行器的聲致結構疲勞破環，也會對機載設備產生不良影響[2]。由于工作過程的特殊性，新概念脈沖爆震發動機的噪聲輻射強度遠遠高于已廣泛應用的渦輪噴氣發動機的。初步研究表明，其噪聲輻射有效聲壓級一般為 140～150 dB[3]，無法滿足國內外有關噴氣發動機噪聲標準的要求，成為制約該類發動機未來實際應用的“攔路虎”。

脈沖爆震發動機一般由進氣道、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）在密封端點火；

（3）爆燃波轉變為爆震波,并向開口端傳播；

（4）爆震波從開口端傳出，膨脹波反射進來；

（5）已燃燃氣排出。

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、變形或斷裂等產生的撞擊噪聲，又稱自振波。它包括一系列阻尼振動。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[5]。新概念脈沖爆震發動機噪聲主要由第2類原因引起。

本文對內徑為60 mm的2相多循環脈沖爆震發動機燃燒噪聲輻射特性進行了試驗研究。

2 試驗裝置及測試系統

整個試驗系統由供油、供氣、點火系統，PDE模型機（由油氣混合室和爆震燃燒室組成）及噪聲、壓力測試系統構成。對內徑為60mm，長度為1.5 m的PDE模型機的噪聲輻射特性進行了試驗研究。試驗時，發動機工作頻率的變化通過改變點火頻率來實現。同時，根據發動機的幾何尺寸及工作頻率供給一定量的空氣和汽油。發動機出口管壁處的壓力波形 (用于監測發動機的工作狀態)利用CY-YD-205型壓電式壓力傳感器獲得，經YE5853型電荷放大器調整后轉換為電壓信號；采用丹麥G.R.A.S聲與振動公司生產的高強度噪聲測試傳感器系統進行噪聲測量,測量前用B＆amp;K4220活塞發聲器對整個系統進行校準。該系統由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。系統性能參數如下：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℃。

發動機工作時的噪聲信號經噪聲測量系統轉化為電壓信號，與來自壓力測量系統的電壓信號一起實時傳輸到4通道并行高速數據采集卡DAQ-2010(其采樣頻率可達2 MHz)，經A/D轉換后，送計算機存儲、分析。

PDE模型機噪聲測量系統如圖1所示，試驗時按照有關規范，將傳聲器安裝在距發動機噴口中心1 m、270°處。傳聲器高度與發動機噴口中心平齊，距地面1.4 m。在發動機穩定工作狀態下，分別對不同爆震頻率下PDE模型機的噪聲輻射特性進行了試驗研究。

3 試驗結果與分析

3.1 噪聲輻射的衰減特性

由于在不同位置處脈沖爆震發動機出口爆震波輻射的噪聲強度和頻率成分不同，隨著發動機出口距離的增大，噪聲強度減弱，即噪聲輻射強度隨著距離聲源位置的增大而發生衰減。試驗測得了距離發動機出口徑向位置處1、2、3、4 m時，該處噪聲輻射大小，發現峰值聲壓級隨著傳感器距離發動機出口徑向位置的增大而衰減得很明顯，脈沖聲壓級也同時發生衰減。試驗在同一工況下同時進行，在不同爆震頻率、不同位置處60 mmPDE模型機噪聲輻射特性參數變化曲線如圖2所示。從圖中可以看出，距離發動機出口越遠，噪聲（尤其是聲壓和聲功率）衰減得越快，因為噪聲處于1個混響場中，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，即呈現一定的指向特性，為此，本文對60 mm脈沖爆震發動機模型機進行了噪聲指向特性研究。試驗在同一工況下進行，噪聲測量傳感器放置在與發動機出口軸向夾角 (方位角)分別為210°、240°、270°、300°的位置處。試驗發現噪聲輻射大小隨著方位角的不同而發生變化，根據相應公式計算得到的特性參數見表1。根據表1中各頻率下4個方位角處的噪聲輻射特性參數大小，應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。由于發動機出口流場的軸對稱特性，可以近似認為方位角為0°～180°時的噪聲輻射特性參數與180°～360°時的相等，即發動機噴口周圍聲場中噪聲大小以發動機的軸線為中心軸呈對稱分布。根據180°～360°的噪聲輻射大小相對稱地得到0°～180°的噪聲輻射特性。在不同爆震頻率下峰值聲壓級和脈沖聲壓級的極坐標如圖3所示。從圖3中可以看出，在各頻率下噪聲的峰值聲壓級和脈沖聲壓級呈現基本相同的變化趨勢，在180°方位角處，即與發動機噴口方向相反處的噪聲輻射聲壓級最小；越靠近0°方位角處，即發動機的噴口方向，噪聲輻射聲壓級越大。

表1 60 mm脈沖爆震發動機模型機指向性噪聲輻射特性 dB

通過高速數據采集儀采集到的壓力時域曲線如圖4所示。觀察各頻率下4個方位角處的聲壓，隨著方位角的增大，聲壓變化比較明顯，呈現增大的趨勢。由圖4中顯示的數據可以看到，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脈沖爆震發動機模型機具有一定的指向特性，越靠近發動機噴口方向，噪聲輻射的強度越強；越靠近發動機噴口的相反方向，噪聲輻射強度越弱。

3.3 噪聲輻射的頻率特性

60 mm脈沖爆震發動機模型機的1/3倍頻程特性如圖5所示，圖5右邊表格中顯示的數據是在1/3倍頻程的各中心頻率下對應的聲壓值。從圖5中可以看出，聲壓值最大出現在頻率為63000 Hz時，這是因為1/3倍頻程的帶寬隨頻率變化而變化，在高頻范圍內頻帶寬，結果使信號累加的作用增強。60 mm脈沖爆震發動機噪聲的3維頻譜如圖6所示，x軸表示頻率，y軸表示時間，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。

從圖5、6中可見，對于60mm脈沖爆震發動機模型機而言，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，各種頻率的噪聲信號都存在。但噪聲輻射的能量主要集中在0～10000 Hz的頻率范圍內，且絕大部分能量集中在0～5000 Hz的信號內，即呈現明顯的低頻性。由此可以看出，在一定低頻范圍內，60 mm脈沖爆震發動機噪聲輻射頻譜由氣流脈沖的基頻和諧頻組成。

60 mm脈沖爆震發動機模型機的倍頻程噪聲譜如圖7所示。圖中顯示了發動機的噪聲在各頻率成分下對應的分貝值。通過分析可以得出：60 mm脈沖爆震發動機噪聲輻射的頻譜很寬，在0～10000 Hz范圍內，各種頻率的噪聲信號都存在，但是噪聲主要集中在低頻范圍內，表現出明顯的低頻性。

3.4 噪聲輻射的時間特性

脈沖噪聲的時間特性主要是指發動機脈沖噪聲的持續時間，即脈沖聲波維持一定聲壓所延續的時間，脈沖噪聲的持續時間又簡稱脈寬。自由場中的簡單脈沖波，其持續時間即指壓力上升至主要正峰值，而后又迅速降至環境壓力所需的時間，稱為A持續時間。當脈沖噪聲在混響場或因其它原因產生反射形成一系列振蕩波時，其持續時間為：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，包括正的和負的時間總和，稱為B持續時間[5]。

內徑為60 mm，爆震室長度為1.5 m的脈沖爆震發動機在爆震頻率為10 Hz時的時間特性曲線如圖8所示。根據脈沖噪聲時間特性的定義方法，通過計算分析可以得出：脈沖爆震發動機的A持續時間為0.2 ms左右，B持續時間為5.0 ms左右。由此可見，脈沖噪聲是由1個或多個持續時間小于1 s的猝發聲組成的噪聲。

4 結論

本文對60 mm脈沖爆震發動機模型機進行了試驗分析，得到了脈沖爆震發動機噪聲輻射的一些特性。主要結論如下：

（1）該模型機噪聲輻射越靠近發動機噴口，指向性越強；反之，噪聲輻射強度越弱。距離發動機噴口越遠，噪聲衰減得越快。

（2）該模型機噪聲輻射的頻譜很寬，在0～10000 Hz范圍內，各種頻率的噪聲信號都存在，但是噪聲主要集中在低頻范圍內。在一定低頻范圍內，60 mm脈沖爆震發動機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持續時間為0.2 ms左右，B持續時間為5.0 ms左右，是1個或多個持續時間小于1 s的猝發聲組成的噪聲。

[1]嚴傳俊，范瑋.脈沖爆震發動機原理及關鍵技術[M].西安:西北工業大學出版社,2005:4-5.

[2]唐狄毅.飛機噪聲基礎[[M].西安:西北工業大學出版社,1995:37-97.

[3]李娜，鄭龍席，嚴傳俊，等.混合式脈沖爆震發動機噪聲輻射特性研究 [J].噪聲與振動控制,2009，29(1):101-105.

[4]鄭龍席，嚴傳俊，范瑋，等.脈沖爆震發動機模型機噪聲輻射特性初探 [J].振動測試與診斷,2006,26(3):176-180.

[5]王秉義.槍炮噪聲與爆炸聲的特性和防治[M].北京:國防工業出版社,2001:32-33.

[6]馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].北京:機械工業出版社,2002:13-15.