Helmholtz型脈沖發(fā)動機噪聲構成及測點布置,聲學論文

Helmholtz型脈沖發(fā)動機噪聲構成及測點布置,聲學論文脈沖發(fā)動機是一種高效節(jié)能、構造緊湊的內(nèi)燃機，是在特定聲學條件和加熱條件下，燃燒經(jīng)過與聲脈動互相耦合，構成一種非穩(wěn)態(tài)的周期性脈動的燃燒經(jīng)過。國外，從1960年到1980年初，脈沖發(fā)動機的研究主要集中在無閥式設計，由于它簡化了發(fā)動機構造，提高了使用壽命。此后的一段時間里，脈沖發(fā)動機的發(fā)展比擬緩慢。近期20多年，脈沖發(fā)動機又由于構造簡單和價格低廉而得到重視，國外已有不少基于脈動燃燒技術的熱水、熱風、蒸氣等裝置投入市場，并在枯燥、焚化、煅燒等工業(yè)領域獲得成功。美國TIFA公司、CURTIS公司和德國IGEBA、MOTAN公司都是將脈沖發(fā)動機應用于病蟲害防治設備即煙霧機上。有關噪聲特性方面的研究，Barr等人和Margolis建立了部分數(shù)學模型，Barr等人建立的數(shù)學模型中提到噪聲受排氣管長度和排氣管內(nèi)溫度分布的影響，并且噪聲越大能夠到達更有力的脈動效果。Kilicarslan等人對以液化石油氣為燃料的脈沖發(fā)動機進行了試驗研究，通過將噴管長度以間隔20cm遞增，發(fā)現(xiàn)其基頻峰值隨噴管長度的增加呈遞減趨勢。Ohiwa等人進行了尾管橫截面積從5cm2改變到2.5cm2的試驗研究，發(fā)現(xiàn)噪聲值下降了5dB。Unui等人設計出雙燃燒室構造的脈沖發(fā)動機，使其兩個燃燒室并行，在噴管間安裝溝通的通道和退藕的燃燒室，使得噪聲值下降了6.5dB噪聲值。國內(nèi)從20世紀50年代末開場將小型脈沖發(fā)動機應用于病蟲害防治機具煙霧機上，至90年代中期，已研發(fā)構成較為成熟的產(chǎn)品廣泛應用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)、衛(wèi)生等領域的病蟲害防治中，大大提高了防治效率，減少了農(nóng)藥使用劑量。但由于脈沖發(fā)動機的工作原理是在聲學構造條件下構成的脈動燃燒工作經(jīng)過，因而產(chǎn)生的噪聲較強。由于脈沖煙霧機一般為人工手提或背負的操作工作方式，且噪聲高達100dB(A)左右，因而對操作者的聽力產(chǎn)生直接的刺激或損傷，同時在城市衛(wèi)生、害蟲和病疫防治經(jīng)過中，噪聲對周圍環(huán)境也會產(chǎn)生較大的影響，因而測量分析研究脈沖發(fā)動機的噪聲構成，為今后設計低噪聲的脈沖噴氣式煙霧機或其它產(chǎn)品提供一定理論根據(jù)。1、脈沖發(fā)動機的聲學構造及理論模型脈沖發(fā)動機構造非常簡單，由燃燒室和噴管構成的Helmholtz型聲學構造如此圖1所示。其工作原理為，點火燃燒經(jīng)過(圖1a)：進入燃燒室的可燃混合氣由火花塞點燃，燃燒伴隨著放熱經(jīng)過，使燃燒室內(nèi)的溫度和壓力升高，燃燒區(qū)膨脹，燃燒產(chǎn)物向兩端排出，工作點由A點到達B點(圖1e)；氣體膨脹經(jīng)過(圖1b)：在燃燒室內(nèi)壓力作用下，進氣閥關閉，燃燒產(chǎn)物沿噴管向外流出，燃燒室壓力由B點開場下降直至低于大氣壓(C點)，燃燒室內(nèi)構成負壓；可燃混合氣吸入經(jīng)過(圖1c)：在燃燒室負壓作用下，進氣閥開啟，可燃混合氣自動吸入，使燃燒室內(nèi)的壓力由點C升到點D；壓縮經(jīng)過并重新點火燃燒(圖1d)：新鮮的可燃混合氣被吸入燃燒室的同時，在負壓的作用下，噴管末端管中部分已燃廢氣也會反向運動返回燃燒室，同樣由于氣流的運動慣性，燃燒室內(nèi)的可燃混合氣自動的進一步壓縮，壓力由D點升到A點，并被高溫的廢氣或熾熱的燃燒室壁重新點燃，由此進入下一循環(huán)。這樣的燃燒經(jīng)過無限地自動循環(huán)下去，而無需火花塞再次點火，因而火花塞只在發(fā)動機起動時工作。固然脈沖發(fā)動機基本構造及工作原理非常簡單，但要使脈沖發(fā)動機能正常工作起來，在沒有任何的供油裝置(如泵等)和供氣裝置(如風機等)，而完全依靠于燃燒室噴管構成的聲學構造與油氣混合物構成的加熱條件，構成的自激振蕩的周期性的脈動燃燒工作經(jīng)過。當前，這種發(fā)動機在脈動燃燒經(jīng)過中還有很多機理不清楚，因而脈動燃燒發(fā)動機還完全依靠于經(jīng)歷體驗法進行構造設計。由于脈沖發(fā)動機工作時，燃燒室內(nèi)各點壓力大體一樣，現(xiàn)假設如下，燃燒室內(nèi)各點壓力一樣，在噴管長度足夠長的時候，能夠?qū)⑵浜喕癁橐粋€點源(見圖2)，而在燃燒室與噴管的接觸面2上能夠以為與點源的距離為零，壓力為點源的原始壓力p，該壓力與燃燒強度有關，直接遭到燃料供應條件的影響。聲波在噴管這種均勻有限長管中傳播時，可將噴管部分設定為一維平面波傳播，噴管內(nèi)氣流的波動方程為：聲壓有極小值；當2k(x+/4)=2n時總聲壓有極大值，是一種具有正弦特性的壓力脈動信號。2、脈沖發(fā)動機噪聲構成及測點布置根據(jù)脈沖發(fā)動機的工作原理，可知其主要聲源由進氣噪聲、排氣噪聲和燃燒噪聲構成。排氣噪聲：在圖2中排氣口處，當聲波傳播到噴管末端時，除了因端口突變即構成負載引起的沿X軸負方向傳播的反射聲波Pr，還有沿X軸正方向傳播的透射聲波Pt，此即為排氣噪聲，其方程為：pt=patej(t-kx)(7)理論上，當負載確定時，排氣噪聲的幅值Pat由發(fā)射波幅值Pai決定。進氣噪聲：進氣門周期性開閉引起進氣管道內(nèi)氣流壓力起伏變化，進而構成空氣動力性噪聲，稱為進氣噪聲。進氣噪聲也是一個具有正弦特性的周期信號，單向閥膜片的開閉頻率與燃燒的工作頻率一樣。燃燒噪聲：脈沖發(fā)動機的燃燒噪聲通過發(fā)動機殼體輻射產(chǎn)生，燃燒噪聲主要集中在燃燒室部分，通過燃燒室向外輻射。實際上脈沖發(fā)動機的進氣噪聲主要包括周期性進氣噪聲、進氣管中壓力脈動可能引起的氣柱共振噪聲和進氣通道截面突變構成的渦流噪聲。排氣噪聲主要包括周期性排氣噪聲、出氣管道截面的突變引起的渦流噪聲等。針對進氣噪聲、排氣噪聲和燃燒噪聲的測點分布如此圖3所示。為了解進氣和排氣的噪聲特性，在水平面內(nèi)，分別距進氣口和排氣口300mm的半圓上均布5個測點，測點1~5是針對排氣噪聲，測點6~10是針對排氣噪聲。測點11位于距燃燒室柱部幾何中心300mm處，為針對燃燒噪聲的測點。這種布點測量方式方法稱為針對性測量法。由于脈沖發(fā)動機燃燒室噴管總長為1100mm，卻存在多個噪聲源，為避免各噪聲源互相的干擾影響，除采用上述針對性測量法外，還采用了近場測量法。即緊靠發(fā)動機殼體外表50mm處布點，在進氣口、排氣口及燃燒室左側分別設定一個測點(對應圖4中的測點1，14和2)，其余針對燃燒室噴管殼體外側自燃燒室左側起，水平方向每隔100mm布一個測點，共11個測點3~13，如此圖4所示。3、測試結果及分析3.1針對性測量法表1和圖5為針對性測量法各測點的聲壓級值。測試結果表示清楚，最大聲壓級發(fā)生在排氣口位置沿噴管軸線方向的測點3，高達98.9dB(A)；其次為進氣口位置沿化油器軸線方向的測點8，為97.7dB(A)；燃燒室側面的測點11處的聲壓級僅為93.0dB(A)。位于排氣口的5個測點，沿噴管軸線方向上聲壓級最大，偏離軸線方向聲壓級衰減非常明顯，45方向上的測點2和測點4的聲壓級只要88.5dB(A)、87.8dB(A)，與軸線上的測點3相比，噪聲衰減值到達10dB(A)以上；偏離軸線90方向的測點1和測點5的聲壓級為83.8dB(A)、86.0dB(A)，最大衰減到達15.1dB(A)。因而，脈沖發(fā)動機排氣口位置處沿噴管軸線方向的噪聲值遠遠高于軸向兩側的噪聲值，且軸向偏轉的角度越大下降得越多，軸向兩側基本呈對稱衰減。排氣噪聲具有明顯的軸向指向性，這與最初將噴管假設為一維平面波相吻合。針對進氣噪聲的測點6~測點10的測試結果也表現(xiàn)出類似于排氣噪聲的軸向指向性特性。沿進氣口單向閥軸線方向聲壓級最強，軸向偏轉越多，噪聲衰減越多，但衰減的幅度遠不如排氣噪聲那么明顯，偏轉90的測點6引起的最大衰減值僅為4.9dB(A)。這是由于燃燒室內(nèi)產(chǎn)生燃燒噪聲輻射后，因距測點6~測點11更進一些，引起疊加的結果。3.2近場測量法表2和圖6為近場測量法各測點的聲壓級值。很顯然近場測量法由于測點距離發(fā)動機殼體外表非常近，對應的噪聲值比針對性測量法高得多。測試結果表示清楚，最大聲壓級仍發(fā)生在排氣口位置沿噴管軸線方向的測點14，高達126.3dB(A)，其次為進氣口位置沿化油器軸線方向的測點1，聲壓級為119.2dB(A)，兩者相差7.1dB(A)。緊隨其后的是位于燃燒室部位的測點2~測點5，以位于燃燒室左側的測點2噪聲值107.4dB(A)為最高，其余3個測點的聲壓級很接近，其范圍為102.2~104.3dB(A)。位于噴管一側的7個測點(測點6~測點12)的噪聲值變化范圍為89.4~98.4dB(A)，假如不考慮測點6和7，將測點5與測點8直接連起來，能夠看出，從燃燒室錐部測點4起至噴管末端測點12止，噪聲值呈近似線性衰減趨勢。即能夠理解為進氣噪聲和排氣噪聲對發(fā)動機側面的影響很小，主要是由燃燒室內(nèi)的燃燒噪聲產(chǎn)生的結果，測點6和7位置處構成較小的噪聲值可能主要與該處的橫截面突變引起的發(fā)射噪聲與反射噪聲在這里處的疊加消減的結果。4、結論通過分析小型脈沖發(fā)動機的構造特點，構建了對應的聲學模型。建立了針對排氣噪聲、進氣噪聲和燃燒噪聲的針對性測量法和圍繞發(fā)動機外表近距離布點的近場測量法。兩種方式方法測試結果表示清楚，脈沖發(fā)動機的排氣噪聲為主要聲源，其次為進氣噪聲，而燃燒噪聲相對于排氣噪聲和進氣噪聲來講要低得多。同時排氣噪聲和進氣噪聲均出現(xiàn)單向指向性特性，即排氣噪聲沿噴管軸向和進氣噪聲沿化油器進氣閥軸向上的噪聲強度最強，偏移軸向則噪聲強度減弱