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(shí)，散熱器熱邊出口氣流來自飛機(jī)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(shí)，距離排氣口10 m處，測(cè)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(dòng)，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(gè)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：

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(cè)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(dòng)，該運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)人耳不再起干擾作用。

    2 消聲器設(shè)計(jì)

    通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)在散熱器冷、熱邊排氣口各加裝一臺(tái)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(shí)降到95dB(A)以下；在熱邊流量8000 kg/h、冷邊流量12000 kg/h時(shí)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(gè)微小通道，氣流可以通過它們排入大氣，同時(shí)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(gè)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(shí)需要注意以下四方面因素，把握好孔徑、孔距、孔數(shù)三個(gè)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。粌H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(huì)很差。

    （2）如果小孔間距較小，氣流通過小孔后還會(huì)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(shí)，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。  

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(shí)，距離排氣口10m測(cè)得的聲壓級(jí)為95dB(A)。試驗(yàn)室工作人員反映，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，安裝消聲器前后，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，距離排氣口10m處測(cè)得的聲壓級(jí)。

表1  加裝消聲器前后測(cè)量值比較

圖3 加消聲器前后散熱器出口的噪聲頻譜