空气散热器排气气流噪声消声器的设计

    在进行某型飞机环控系统空气散热器性能试验时，散热器热边出口气流来自飞机发动机压气机引气，流量为10000kg/h（满负荷），气流温度220℃，热边出口管径100mm；散热器冷边出口气流来自飞机发动机外涵道引气，流量为15000kg/h（满负荷），气流温度350℃，出口管径150mm，因此冷热边出口排气气流速度分别达到了236m/s和354m/s。如此高温高流速气体直接排放在试验大厅中，产生很大的噪声。当满负荷供气时，距离排气口10 m处，测得的噪声值高达130dB(A)，严重影响了试验室工作人员的工作和活动，为此需要采取合理有效的措施降低该排气气流噪声。

    本文依据的是中国科学院声学所马大猷院士提出的小孔喷注控制噪声理论设计了一种有4层穿孔板吸声结构的小孔复合式消声器。

    该理论为：将一个大的喷口在不小于原排气量的前提下，改为许多小孔来替代，小孔将高频声移到人耳不敏感的超声范围，从而达到降噪的目的。应用结果证明了该消声器的优良性能和工程适用性。

    1 气流噪声分析

    直径为D的圆喷口形成自由喷注的结构，如图：

图1  从圆喷口喷入静止空气的喷注结构

    喷口的喷注形式分为混合区、过渡区和充分发展区。混合区的中心部分是喷注的核心，核心长度（或说混合区）的延伸距离大约是喷口直径的4-4.5倍。过渡区大致扩展到10倍直径的地方。测量表明沿喷注表面，在喷口附近声压较低，在3-4倍喷口直径的距离内迅速增加到最大值，以后又慢慢降低。喷注噪声大部分来自混合区和过渡区的湍流运动，该运动形成湍流噪声，是一种高频噪声，主要产生在喷口附近。

    喷注湍流噪声的频谱具有宽频带噪声的特征，但对人起干扰作用的只是其中可听声频率范围内的一部分。如喷口直径在几厘米或几十厘米，噪声频谱都在可听声范围，全部噪声都对人起干扰作用。若把喷口直径减小到几毫米或更小，噪声频谱将移向很高的频率，超过了人耳可听范围，频谱的大部分对人耳不再起干扰作用。

    2 消声器设计

    通过对现场气流噪声的分析并综合考虑了工作人员的工作环境等指标后，决定试验时在散热器冷、热边排气口各加装一台消声器。消声器的设计指标为：距离散热器冷边和热边排气口10m处的噪声值在满负荷供气时降到95dB(A)以下；在热边流量8000 kg/h、冷边流量12000 kg/h时降到82 dB(A)以下，即降噪量≥35dB(A)。

    由已知的理论得到，一般是用多孔材料消声器降低气流噪声。多孔材料中含有无数个微小通道，气流可以通过它们排入大气，同时受到阻力作用。高速气流的多孔扩散过程就是气流经过多孔材料形成许多小喷注，然后再汇合成一个面积较大而速度较低的大喷注，达到噪声降低的效果。其消声量计算为：  

    其中：

    设计时需要注意以下四方面因素，把握好孔径、孔距、孔数三个参数。

    （1）从实用角度出发，孔直径d不能选的太小。因为孔直径太小，不仅难加工，而且还容易堵塞，影响排气量，增加气流阻力。但也不能太大，如果孔径过大，消声效果会很差。

    （2）如果小孔间距较小，气流通过小孔后还会相互混合成大的喷注而产生低频噪声，从而使消声效果变差。为此，设计小孔喷注消声器时，孔间中心距b应满足：b≥d+6√d

    （3）为了使排气通畅，考虑到小孔的阻尼作用，消声器的开孔流通面积的设计排气口流通面积的多倍。

    （4）小孔喷注板应具有足够的强度和刚度，保证在间歇性排气气流的冲击力作用下不能产生结构噪声。

    在综合考虑了上述要求后，设计的小孔复合式消声器由4层多孔板结构组成，所有材质均为t1.5厚不锈钢板，层与层之间由支撑件连接。从里往外，穿孔率分别为：12.2%、9.12%、5.5%、5.17%，消声段长度1150 mm。  

图2  小孔复合式消声器外形图

    3 降噪效果

    将设计好的消声器连接到散热器冷、热边出口后，在满负荷供气条件时，距离排气口10m测得的声压级为95dB(A)。试验室工作人员反映，现场感受降噪效果明显。

    下表为热边供气流量8000 kg/h、冷边供气流量12000 kg/h时，安装消声器前后，在试验现场，距离排气口10m处测得的声压级。

表1  加装消声器前后测量值比较

图3 加消声器前后散热器出口的噪声频谱