小孔噴注消聲器在宇航設備上的應用

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研究所 北京 100054)

(2 中國航天員科研訓練中心 北京 100094)

0 引言

宇航設備中的供氧排氣系統非常重要，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與固體邊界之間的相互作用以及流體介質內部的湍流作用所引起。流噪聲的產生機理主要是固體壁面和流體介質之間的相對運動以及流體介質自身的不規則湍流運動所激發的介質內部的應力及壓力擾動的傳遞。基于流噪聲問題的復雜性，即使各國專家學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域內有所應用[10?12]。

馬大猷等[2?4]、李沛滋等[5]在Lighthill[1]流噪聲理論基礎上，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，管內流噪聲能量由低頻向高頻轉移，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，可以實現對流噪聲的有效控制。

之后，大量的研究采用數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，但在實際的應用中，理論方法仍比數值仿真方法應用廣泛。

本文以噴注噪聲理論為基礎，參考馬大猷等提出的小孔噴注消聲器設計方法，為宇航設備供氧排氣系統的噴口設計小孔噴注消聲器。由于宇航設備供氧排氣系統對通流面積、幾何尺寸、質量等條件具有嚴格的限制，設計只能在固定的范圍內進行，難以同時滿足小孔直徑、數量及小孔間距的理論設計要求。本設計通過限制孔間距條件，降低小孔設計直徑，滿足了設計要求，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，對噴口楔形結構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Lighthill[1]導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；ρ為噴注介質密度，kg/m3；V為噴注流速度，m/s；D為噴口孔徑，m；ρ0為環境中的介質密度，kg/m3；c0為環境聲速，m/s。

馬大猷等[2?4]和李沛滋等[5]以經典理論公式為基礎，在此領域做出了重要貢獻，推導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，P1為聲源駐點壓力，P0為環境壓力，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，根據文獻[3]對不同駐壓比下的實驗研究發現，在一定的駐壓比范圍內，沖擊噪聲顯著影響整個噴注噪聲，且沖擊噪聲較不穩定，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一方向噴射，應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，其計算公式變為

式(5)中，D為各小孔總面積的有效直徑。

此時，小孔孔間距應滿足如下關系：

式(6)中，b為小孔的孔間距。

小孔噴注消聲器的噪聲應采用公式(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生低頻噪聲，消聲器的降噪效果降低。

2 消聲器設計及測試

2.1 噴口及噪聲

本次研究的宇航設備供氧排氣系統有兩套噴口系統，結構如圖1所示，相應參數分別如下：

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。

該噴口結構與一般噴口不同，在噴口外側存在喇叭口結構，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分離，測試在排氣系統實驗室進行。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，調節排氣系統使其處于正常工作狀態下，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。測試結果及其與計算結果的對比如表1所示。

圖1 噴口結構Fig.1 Structure of nozzle

根據公式(4)理論計算噴注噪聲A聲級與測量結果相比，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。頻譜數據顯示，在200 Hz以內的頻率范圍，噪聲基本不隨頻率變化，均在45 dB附近，且噴口A和噴口B的結果差距不大；200 Hz至10000 Hz之間，隨著頻率增加，噪聲值穩定升高，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，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以內的低頻范圍，噪聲值較為平穩，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 消聲器設計及效果

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

根據系統運行要求，消聲器的通流面積不應小于噴口截面積的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，為滿足系統的幾何及質量限制，消聲器采用直管壁面打孔結構，直管直徑為14 mm，長度為22 mm，如圖3所示，材質采用硬質聚乙烯材料。

根據小孔噴注消聲器的設計原則，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、數量和孔間距是相互矛盾的。在此次設計中，若滿足公式(6)的要求，需要小孔直徑為2 mm，孔數為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，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，但計算結果能夠滿足系統聲學要求(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，孔數為33個，小孔直徑為0.5 mm時，孔數為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]中的經驗數據得到，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，并將計算結果與測試結果進行對比。對比結果顯示，計算結果與測量結果吻合良好，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現，安裝小孔消聲器后，20 Hz～100 Hz范圍內的噪聲變化較小，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的結果顯示，本文計算結果基本滿足該結論，但噴口A無消聲器時的噪聲計算結果誤差較大，達到6.9 dB(A)，遠超出2 dB(A)，現對比誤差進行分析。

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

公式(4)是前人根據普通噴口結構的大量測試數據歸納而來，適用于無任何附加結構的噴口，而噴口A在普通噴口結構后附加了喇叭口結構，此附加結構對噴注噪聲的影響并未在公式(4)中體現。

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

文獻[10]中采用數值仿真方法研究了駐壓比在3～7范圍內噴口后附加楔形結構(相當于半個喇叭口結構)的影響，仿真結果顯示附加楔形結構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。同時實驗測試結果表明其噴口附加楔形結構后，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構對其噪聲有明顯的抑制作用。

3.2 孔間距

本次設計中由于條件限制，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果與計算結果進行了對比，對比顯示，1 mm、0.5 mm兩種孔徑方案下的實際測試結果基本與計算結果保持一致，沒有出現測試結果顯著高于計算結果的情況，結果表明設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，未對噪聲產生明顯影響。可見，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果產生明顯影響，仍可按公式(5)計算噪聲值。

4 結論

根據小孔噴注消聲器設計原則設計并加工宇航設備供氧排氣系統排氣口的消聲噴注消聲器，對比理論計算結果與實驗測試結果，得到如下結論：

(1)在宇航設備供氧排氣系統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，雖然由于現場條件限制，無法完全按照設計原則進行消聲器設計，但仍能得到令人滿意的設計方案。

(2)噴注噪聲的公式預測結果與實驗測試結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。此時，噴口后附加的喇叭口結構不會對噴注噪聲產生明顯影響。

(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構對噴注噪聲會造成較為明顯的影響，此時預測公式是不適用的。

(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測。