空氣散熱器排氣氣流噪聲消聲器的設計
在進行某型飛機環控系統空氣散熱器性能試驗時，散熱器熱邊出口氣流來自飛機發動機壓氣機引氣，流量為10000kg/h（滿負荷），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發動機外涵道引氣，流量為15000kg/h（滿負荷），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到了236m/s和354m/s。如此高溫高流速氣體直接排放在試驗大廳中，產生很大的噪聲。當滿負荷供氣時，距離排氣口10 m處，測得的噪聲值高達130dB(A)，嚴重影響了試驗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。
本文依據的是中國科學院聲學所馬大猷院士提出的小孔噴注控制噪聲理論設計了一種有4層穿孔板吸聲結構的小孔復合式消聲器。
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，從而達到降噪的目的。應用結果證明了該消聲器的優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構，如圖：
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圖1 從圓噴口噴入靜止空氣的噴注結構
噴口的噴注形式分為混合區、過渡區和充分發展區。混合區的中心部分是噴注的核心，核心長度（或說混合區）的延伸距離大約是噴口直徑的4-4.5倍。過渡區大致擴展到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和過渡區的湍流運動，該運動形成湍流噪聲，是一種高頻噪聲，主要產生在噴口附近。
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 消聲器設計
通過對現場氣流噪聲的分析并綜合考慮了工作人員的工作環境等指標后，決定試驗時在散熱器冷、熱邊排氣口各加裝一臺消聲器。消聲器的設計指標為：距離散熱器冷邊和熱邊排氣口10m處的噪聲值在滿負荷供氣時降到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。高速氣流的多孔擴散過程就是氣流經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，達到噪聲降低的效果。其消聲量計算為：
其中：
設計時需要注意以下四方面因素，把握好孔徑、孔距、孔數三個參數。
（1）從實用角度出發，孔直徑d不能選的太小。因為孔直徑太小，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生低頻噪聲，從而使消聲效果變差。為此，設計小孔噴注消聲器時，孔間中心距b應滿足：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計排氣口流通面積的多倍。
（4）小孔噴注板應具有足夠的強度和剛度，保證在間歇性排氣氣流的沖擊力作用下不能產生結構噪聲。
在綜合考慮了上述要求后，設計的小孔復合式消聲器由4層多孔板結構組成，所有材質均為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 小孔復合式消聲器外形圖
3 降噪效果
將設計好的消聲器連接到散熱器冷、熱邊出口后，在滿負荷供氣條件時，距離排氣口10m測得的聲壓級為95dB(A)。試驗室工作人員反映，現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，在試驗現場，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 語
本文針對某型飛機環控系統空氣散熱器性能試驗管路排氣出口設計了一小孔復合式消聲器。該消聲器可以有效地降低高速氣流噪聲，且結構簡單，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，適合試驗室等對環境要求較高的工作環境。
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