管道内利用“冷陷阱”捕获并降低叶轮机械噪声的新概念研究

在叶轮机械管道内探索利用"冷陷阱"捕获并降低叶轮机械噪声的新方法，即通过对叶轮机械管道消声结构外壁敷设"冷陷阱"- - 低温制冷系统，利用管道中心到管壁的径向温度梯度所导致的管内声线朝向冷端方向弯曲偏折原理，使管内掠入射的声波成分减少，而斜入射进入消声结构的声波成分增多，这样就有利于发挥现有消声器的吸声潜能，使管内消声结构能够"捕获"并降低更多的叶轮机械噪声。从理论上研究温度梯度场中叶轮机械管内声线传播路径弯曲偏折问题，建立声传播路径和声线偏折对于冷端消声结构声学特性影响的理论模型，进行数值计算；研究声波垂直入射和掠入射条件下温度梯度场对冷端消声结构附近声线偏折的影响规律；通过实验和理论两方面对比验证探索低温制冷方式和具有低温制冷系统的管内消声结构的设计准则。本课题基于温度梯度导致声线偏折理论的低温制冷降噪新概念技术研究可为将来涡扇发动机短舱消声和机场环境噪声控制探索一条崭新途径。

自然界温度梯度作用下产生声波朝向冷端的折射效应一直未应用到噪声控制设计中。本项目依据温度梯度导致声线朝向冷端弯曲偏折的原理，提出了在管道内利用“冷陷阱”捕获并降低噪声的新方法，设计了一种具有低温制冷系统的消声器，即通过对管道消声结构外壁敷设“冷陷阱”--低温制冷系统，利用管道中心到管壁的径向温度梯度所导致的管内声线朝向冷端方向弯曲偏折，使管内掠入射的声波成分减少，而斜入射进入消声结构的声波成分增多，这样就有利于发挥现有消声器的吸声潜能，使消声结构能够“捕获”并降低更多的管内声源噪声。本项目在此基础上，对存在温度梯度情况下吸声结构和消声器的声学特性进行了初步理论分析和大量实验研究，主要研究工作和创新点概括如下：1、通过户外和半消声室实验研究，分别建立了基于温度梯度、声线偏折的具有低温制冷系统的消声器测试平台，通过不同温度梯度下所产生的插入损失和1/3倍频程噪声谱对比，得出以下结论：消声器管道内存在外冷内热的径向温度梯度能够增大消声器的消声量，逾量消声量随着温度梯度的增大而增大，高频噪声的降低幅度要明显大于低频噪声，通过增加消声器的长度可以使一部分未偏折到消声器内壁就已经离开前端消声器的声波被后端消声器内壁吸声结构所“捕获”，进而能够整体提高消声器由冷端温度梯度引起的逾量消声量。目前实验结果表明:具有低温制冷系统消声器所引起的插入损失最大能够达到3.5-5.1dBA。2、声波垂直入射条件下，理论分析了温度变化对吸声结构吸声特性的影响，通过对吸声结构底部安装温度控制装置，通过驻波管实验研究了温度变化对不同吸声结构声学特性的影响。分析得到随着温度的降低，吸声性能曲线向着低频方向偏移，低频吸声系数有所上升，共振峰频带宽度变宽的结论。3、从理论上研究了温度梯度场中管内声线传播路径弯曲偏折问题，进行了声线偏折对于冷端消声结构声学特性影响的理论分析和数值计算，理论分析与实验测量结果趋势性吻合，在一定程度上验证了该分析方法的可行性。本项目基于温度梯度导致声线偏折理论的低温制冷降噪新概念技术研究可为将来涡扇发动机短舱消声和叶轮机械噪声控制等探索一条崭新途径。