空氣散熱器排氣氣流噪聲消聲器的設(shè)計(jì)
在進(jìn)行某型飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)空氣散熱器性能試驗(yàn)時，散熱器熱邊出口氣流來自飛機(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)引氣,，流量為10000kg/h（滿負(fù)荷）,，氣流溫度220℃，熱邊出口管徑100mm,；散熱器冷邊出口氣流來自飛機(jī)發(fā)動機(jī)外涵道引氣,，流量為15000kg/h（滿負(fù)荷），氣流溫度350℃，出口管徑150mm,，因此冷熱邊出口排氣氣流速度分別達(dá)到了236m/s和354m/s,。如此高溫高流速氣體直接排放在試驗(yàn)大廳中，產(chǎn)生很大的噪聲,。當(dāng)滿負(fù)荷供氣時,，距離排氣口10 m處，測得的噪聲值高達(dá)130dB(A),，嚴(yán)重影響了試驗(yàn)室工作人員的工作和活動,，為此需要采取合理有效的措施降低該排氣氣流噪聲。
本文依據(jù)的是中國科學(xué)院聲學(xué)所馬大猷院士提出的小孔噴注控制噪聲理論設(shè)計(jì)了一種有4層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的小孔復(fù)合式消聲器,。
該理論為：將一個大的噴口在不小于原排氣量的前提下,，改為許多小孔來替代，小孔將高頻聲移到人耳不敏感的超聲范圍,，從而達(dá)到降噪的目的,。應(yīng)用結(jié)果證明了該消聲器的優(yōu)良性能和工程適用性。
1 氣流噪聲分析
直徑為D的圓噴口形成自由噴注的結(jié)構(gòu),，如圖：
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圖1 從圓噴口噴入靜止空氣的噴注結(jié)構(gòu)
噴口的噴注形式分為混合區(qū),、過渡區(qū)和充分發(fā)展區(qū)?；旌蠀^(qū)的中心部分是噴注的核心,，核心長度（或說混合區(qū)）的延伸距離大約是噴口直徑的4-4.5倍。過渡區(qū)大致擴(kuò)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(nèi)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(qū)和過渡區(qū)的湍流運(yùn)動，該運(yùn)動形成湍流噪聲,，是一種高頻噪聲,，主要產(chǎn)生在噴口附近。
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(nèi)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,。
2 消聲器設(shè)計(jì)
通過對現(xiàn)場氣流噪聲的分析并綜合考慮了工作人員的工作環(huán)境等指標(biāo)后，決定試驗(yàn)時在散熱器冷,、熱邊排氣口各加裝一臺消聲器,。消聲器的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：距離散熱器冷邊和熱邊排氣口10m處的噪聲值在滿負(fù)荷供氣時降到95dB(A)以下；在熱邊流量8000 kg/h,、冷邊流量12000 kg/h時降到82 dB(A)以下,，即降噪量≥35dB(A)。
由已知的理論得到,，一般是用多孔材料消聲器降低氣流噪聲,。多孔材料中含有無數(shù)個微小通道，氣流可以通過它們排入大氣,，同時受到阻力作用。高速氣流的多孔擴(kuò)散過程就是氣流經(jīng)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(dá)到噪聲降低的效果。其消聲量計(jì)算為：
其中：
設(shè)計(jì)時需要注意以下四方面因素,，把握好孔徑,、孔距、孔數(shù)三個參數(shù),。
（1）從實(shí)用角度出發(fā),，孔直徑d不能選的太小。因?yàn)榭字睆教?，不僅難加工,，而且還容易堵塞，影響排氣量,，增加氣流阻力,。但也不能太大，如果孔徑過大,，消聲效果會很差,。
（2）如果小孔間距較小，氣流通過小孔后還會相互混合成大的噴注而產(chǎn)生低頻噪聲,，從而使消聲效果變差,。為此，設(shè)計(jì)小孔噴注消聲器時,，孔間中心距b應(yīng)滿足：b≥d+6√d
（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的設(shè)計(jì)排氣口流通面積的多倍,。
（4）小孔噴注板應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,，保證在間歇性排氣氣流的沖擊力作用下不能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲,。
在綜合考慮了上述要求后，設(shè)計(jì)的小孔復(fù)合式消聲器由4層多孔板結(jié)構(gòu)組成,，所有材質(zhì)均為t1.5厚不銹鋼板,，層與層之間由支撐件連接。從里往外,，穿孔率分別為：12.2%,、9.12%、5.5%,、5.17%,，消聲段長度1150 mm。
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圖2 小孔復(fù)合式消聲器外形圖
3 降噪效果
將設(shè)計(jì)好的消聲器連接到散熱器冷,、熱邊出口后,，在滿負(fù)荷供氣條件時，距離排氣口10m測得的聲壓級為95dB(A),。試驗(yàn)室工作人員反映,，現(xiàn)場感受降噪效果明顯。
下表為熱邊供氣流量8000 kg/h,、冷邊供氣流量12000 kg/h時,，安裝消聲器前后，在試驗(yàn)現(xiàn)場,，距離排氣口10m處測得的聲壓級,。
表1 加裝消聲器前后測量值比較
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圖3 加消聲器前后散熱器出口的噪聲頻譜
4 結(jié) 語
本文針對某型飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)空氣散熱器性能試驗(yàn)管路排氣出口設(shè)計(jì)了一小孔復(fù)合式消聲器。該消聲器可以有效地降低高速氣流噪聲,，且結(jié)構(gòu)簡單,，體積小，重量輕,，耐高低溫,、耐腐蝕，耐濕度,。能夠保證高速氣流下長期有效作用,，適合試驗(yàn)室等對環(huán)境要求較高的工作環(huán)境。
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