CN107636391A - 用于改进脉冲燃烧器的操作的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于降低噪声和/或振动水平的脉冲燃烧器系统。该系统包括脉冲燃烧器，该脉冲燃烧器包括燃烧室、入口管、排气管和用于将燃料喷射到燃烧室中的第一燃料喷射器。脉冲燃烧器具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式。该系统包括用于测量燃料燃烧器内部的压力的至少一个压力传感器和/或用于测量入口管处或排气管处的流体速度的至少一个流体速度传感器。如果测量出的压力和/或测量的速度高于预定阈值，则控制器调节对脉冲燃烧器的燃料供应速率，以减少一个或多个附加振荡模式的激发。

Description

用于改进脉冲燃烧器的操作的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年3月19日提交的美国临时专利申请No.62/135,503、于2015年3月19日提交的美国临时专利申请No.62/135,473和于2015年3月19日提交的美国临时专利申请No.62/135,332的根据35 U.S.C.119(e)的权益，其每个的全部内容通过引用明确地并入本文。
本文提到的所有出版物、专利申请、专利和其它参考文献通过引用整体并入本文。本文提及的专利和科学文献建立了本领域技术人员可获得的知识。本文引用的已发行专利、申请和其他出版物通过引用以相同的程度并入本文，如同每个被具体和独立地指示通过引用并入。在不一致的情况下，以本公开为准。
技术领域
本公开涉及燃烧器和喷气发动机。更具体地，本公开涉及脉冲燃烧器和脉冲喷气发动机及其操作。
背景技术
典型的脉冲燃烧器(或脉冲喷气发动机)由燃烧室、入口管、燃料喷射器，火花塞(或其它点火装置)和排气管组成。燃烧室、入口管和排气管经常是圆柱形的，但不限于这种几何形状，并且可以采取各种形状。入口管和排气管的直径通常小于燃烧室的直径，并且入口管的长度通常显著小于排气管的长度。
脉冲燃烧器的优点包括它们在没有任何外部机械或移动部件的情况下吸入新鲜空气并且维持操作的能力。脉冲燃烧器也可以被用作推力产生装置，在这种情况下，它们通常被称为“脉冲喷气”或“脉动喷气”发动机。脉冲喷气发动机已经使用了很长时间，并在上个世纪被用于推动几种类型的飞机。脉冲喷气发动机经常被表征为分流排气管，以帮助推力产生。
脉冲喷气发动机被表征为它们的简单性，特别是由于缺少移动部件。然而，流入和流出脉冲喷气发动机的振荡性质倾向于产生非常高的噪声和振动水平，其经常被认为是脉冲喷气发动机的广泛实施中最严重的障碍。开发改进的脉冲喷气发动机的一个特别目标是解决高噪声和振动水平。此外，开发改进的脉冲喷气发动机的另一个目标是提高来自脉冲喷气发动机的效率、机械能转换和/或推力。
脉冲喷气发动机的提出的应用涉及具有垂直起飞和着陆(Vertical Take-Offand Landing(VTOL))能力的飞机，例如，诸如在美国专利No.6,793,174 B2中提出的。在这样的飞机中，安装在机身/机体下/内部的脉冲喷气发动机的阵列提供用于起飞和降落的垂直升降。然而，脉冲喷气发动机的阵列产生高噪声和振动水平，这阻止了它们的广泛实施。开发改进的脉冲喷气发动机的另一个目标是解决由两个或更多个脉冲喷气发动机产生的高噪声和振动水平。
先前已经提出，一种用于对抗脉冲喷气发动机的振荡性质的方法是同时但是以反相操作两个脉冲喷气发动机。以这种方式，一个脉冲喷气发动机的振荡性质由另一个对抗。在两台脉冲喷气发动机之间产生这种操作的布置已经由几位研究人员设计和测试，例如在美国专利No.4,840,558 A中。这种布置要求两个脉冲喷气发动机的排气管经由具有相对大体积的腔室连接和/或要求两个脉冲喷气发动机的入口管经由具有相对大体积的腔室连接。这些连接室经常被称为“去耦室(decoupling chambers)”。虽然这种布置已经成功地产生了反相操作，但是它也具有减少发动机的振荡压力幅度的有害影响，如由几位研究人员、包括例如R.G.Evans和A.S.Alshami在他们的论文“Pulse Jet Orchard Heater SystemDevelopment:Part I.Design,Construction,and Optimization”中指出的，其公开内容通过引用整体并入本文。这种振荡压力幅度的损失本身就表现为有用的机械功率输出的减少，或在推力产生式脉冲喷气机的情况下，表现为推力的损失。压力幅度的损失可能出于几个原因而发生，其中之一是与没有去耦室的情况相比而言，在进气管和大气之间插入去耦室对从大气吸入燃烧室的流动提供更高的阻力。结果是，在燃烧室和大气之间的给定压力差下，较小量的空气进入腔室，导致较低量的可被燃烧的燃料，并且随后在每个循环中较低的能量释放。类似地，在脉冲喷气机的排气管之间插入去耦室阻碍高速排气，也导致推力损失。
针对以反相操作两个脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)，没有一个现有的工具被特别好地优化。开发用于脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)的操作的改进的系统和方法的一个目标是提供一种在两台脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)之间产生反相操作的布置，其在个别脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)的操作中具有最小干扰。
发明内容
本公开涉及具有可控燃料供应的脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)。电子控制系统使用来自压力传感器和/或速度传感器的信息来检测脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)中的谐波(更高的振荡模式)的存在，并且因此调节燃料喷射分布(对时间)以影响放热速率并使更高的振荡模式和相关联的谐波含量的存在(激发)最小化。也可以操纵放热分布，以使由于压力波中的大幅度影响引起的谐波含量最小化。
脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)中的周期性放热包含显著的谐波含量。高频(基波以上的频率)中的能量可以激发脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)内的较高振荡模式，从而导致脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)中的压力和速度波动的高频含量。这种高频含量是主要造成感知到的噪声的原因，并且更高的振荡模式的最小化可以减少或去除这种高频含量，以从脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)产生较低的噪声和振动水平。在一些实施例中，压力传感器和/或速度传感器允许脉冲喷气发动机(或多个脉冲喷气发动机相结合)在不会在发动机内部激发谐波/高频模式的情况下的操作。在一些实施例中，压力传感器和/或速度传感器使能裁剪放热分布或强制功能，以仅激发基波的、最低频率操作模式。
在一些实施例中，本公开涉及被附接到脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)的一个或多个声共振器。一个或多个声共振器可以被调谐到与要被阻尼或(在数学上)消除的振荡模式的频率相同的对应频率。这种布置可以在脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)中阻尼规定的振荡模式或使其难以呈现。在一些实施例中，通过调节共振器的体积将共振器调谐到所期频率。
脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)中的周期性放热典型地包含显著的谐波含量。高频(基波频率以上的频率)中的能量可以在脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)内激发更高的振荡模式，从而导致脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)中的压力和速度波动中的高频含量。这种高频含量是主要造成感知到的噪声的原因，并且如本文所讨论的由声共振器的较高振荡模式的阻尼可以减少或去除该高频含量以从脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)产生较低的噪声和振动水平。在一些实施例中，使用单个声共振器。在一些实施例中，使用两个或更多个声共振器。
在一些实施例中，本公开涉及借由连接管在其燃烧室处彼此连接的两个或更多个脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)。连接管的长度可以显著短于对应于每个脉冲燃烧器的周期性操作的波长。在一些实施例中，l<λ/8。在脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)在其燃烧室处通过具有显著短于对应于周期性操作的波长的长度的管而相互连接的一些实施例中，脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)同相操作。
在一些实施例中，在脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)的阵列中，可以分别使用力和声压波/信号的相消干涉来实现较低的振动和噪声水平。产生相消干涉可能需要阵列中的一半脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)相对于另一半以反相操作。在一些实施例中，两个或更多个脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)同相操作，使得它们可以共同地对脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)的另一群组进行操作以产生相消干涉。
在一些实施例中，本公开涉及借由连接管在其燃烧室处彼此连接的两个脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)。连接管的长度可以对应于每个脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)的周期性操作的波长的一半。在一些实施例中，两个脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)经由具有对应于以反相操作的每个脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)的周期性操作的波长的一半的长度的管而彼此连接。
本公开的一些实施例涉及操作经由具有对应于每个脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)的周期性操作的波长的一半的长度的管而彼此连接的两个脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)，因为一个脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)的振荡流被另一个脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)的振荡流对抗，因此产生比单个脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)或两个非耦合脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)更少的噪声和振动。组合系统的不稳定性小于单个脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)或两个非耦合脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)的不稳定性，这导致降低的噪声和振动水平。
本文讨论的一个方面涉及一种脉冲燃烧器系统。脉冲燃烧器系统包括第一脉冲燃烧器，其包括燃烧室、入口管、排气管和用于以燃料供应速率将燃料喷射到燃烧室中的第一燃料喷射器。第一脉冲燃烧器具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式。脉冲燃烧器包括以下至少一个：至少一个压力传感器以及用于测量入口管处的第一流体速度的第一流体速度传感器和用于测量排气管处的第二流体速度的第二流体速度传感器。如果压力高于预定压力值，则至少一个压力传感器向控制器发送信号以调节对脉冲燃烧器的燃料供应速率，以减少一个或多个附加振荡模式的激发(例如，控制器确定是否响应于信号来调节燃料供应速率)。如果第一流体速度高于预定的流体速度值，则第一流体速度传感器向控制器发送信号以调节对脉冲燃烧器的燃料供应速率，以减少一个或多个附加振荡模式的激发(例如，控制器确定是否响应于信号来调节燃料供应速率)。如果第二流体速度高于预定流体速度值，则第二流体速度传感器向控制器发送信号以调节对脉冲燃烧器的燃料供应速率，以减少一个或多个附加振荡模式的激发(例如，控制器确定是否响应于信号来调节燃料供应速率)。
在一些实施例中，脉冲燃烧器包括至少一个压力传感器。在一些实施例中，脉冲燃烧器系统包括一个流体速度传感器。在一些实施例中，脉冲燃烧器系统包括两个流体速度传感器。在一些实施例中，脉冲燃烧器包括多个压力传感器和多个流体速度传感器。
在一些实施例中，一个或多个传感器(例如，一个或多个压力传感器、一个或多个流体速度传感器)连续向控制器发送信号。在一些实施例中，信号包括关于测量出的压力或速度的信息(例如，测量出的压力或速度的值)。在一些实施例中，控制器确定是否需要响应于从一个或多个传感器接收到的一个或多个信号来调节对脉冲燃烧器的燃料速率。在一些实施例中，如果测量出的压力和/或速度值超过预定阈值，则控制器调节对脉冲燃烧器的燃料速率。
在一些实施例中，系统包括用于将燃料喷射到燃烧室中的第二燃料喷射器。
在一些实施例中，系统包括第一压力传感器，其中如果压力高于预定压力值，则至少一个压力传感器向控制器发送信号以调节对脉冲燃烧器的燃料供应速率，以减少一个或多个附加振荡模式的激发。在一些实施例中，控制器接收来自第一压力传感器的信号并且确定是否需要调节对脉冲燃烧器的燃料供应速率。在一些实施例中，第一压力传感器减少一个或多个附加振荡模式的第一附加振荡模式的激发，第一压力传感器位于第一附加振荡模式的压力波腹处。
在一些实施例中，燃料供应速率对应于基波振荡模式的频率，其中控制器将第一脉动分布叠加在燃料供应速率上。在一些实施例中，第一脉动分布对应于第一附加振荡模式的第一频率。在一些实施例中，控制器确定燃料供应速率，例如，以优化/降低燃料消耗。在一些实施例中，控制器确定第一脉动分布。
在一些实施例中，控制器调节第二燃料喷射器的第二燃料供应速率以对应于第一附加振荡模式的第一频率。
在一些实施例中，系统包括第一流体速度传感器和/或第二流体速度传感器，其中如果第一流体速度和/或第二流体速度高于预定流体速度值，则第一和/或第二流体速度传感器向控制器发送信号以调节对脉冲燃烧器的燃料供应速率，以减少一个或多个附加振荡模式的激发。
在一些实施例中，第一流体速度传感器和第二流体速度传感器中的至少一个减少了一个或多个附加振荡模式的第二附加振荡模式的激发，第一流体速度传感器和第二流体速度传感器中的至少一个位于第二附加振荡模式的速度波腹处。在一些实施例中，第一速度传感器位于入口管处。在一些实施例中，第二速度传感器位于排气管处。
在一些实施例中，燃料供应速率对应于基波振荡模式的频率。在一些实施例中，控制器将第二脉动分布叠加在燃料供应速率上。在一些实施例中，第二脉动分布对应于第二附加振荡模式的第二频率。在一些实施例中，控制器调节第二燃料喷射器的第二燃料供应速率以对应于第二附加振荡模式的第二频率。在一些实施例中，控制器计算第二脉动分布。
在一些实施例中，系统包括被调谐到一个或多个附加振荡模式中的第三个的第三频率的共振器。在一些实施例中，共振器衰减第一脉冲燃烧器的操作的第三频率。
在一些实施例中，共振器是亥姆霍兹共振器、四分之一波管或六分之一波管。在一些实施例中，共振器被附接到排气管。在一些实施例中，共振器位于第三附加振荡模式的压力波腹处。在一些实施例中，该系统包括一个共振器。在一些实施例中，系统包括两个或更多个共振器(例如，每个具有相同类型或不同类型)。
本文讨论的另一方面涉及一种脉冲燃烧器系统。在一些实施例中，脉冲燃烧器系统包括第一脉冲燃烧器(例如，如本文任何实施例中所讨论的被布置)和第二脉冲燃烧器(例如，如第一脉冲燃烧器被布置)。第一脉冲燃烧器通过连接管连接到第二脉冲燃烧器。连接管在第一端处被附接到第一脉冲燃烧器燃烧室，并且在第二端处被附接到第二脉冲燃烧器燃烧室。该管具有小于或等于基波振荡模式的波长的1/8的长度。
在一些实施例中，连接管的长度导致第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器同相操作。
在一些实施例中，在脉冲燃烧器系统的操作期间，连接管的长度防止第一发动机和第二发动机之间的空气流动。
在一些实施例中，脉冲燃烧器系统包括三个或更多个脉冲燃烧器，其中三个或更多个脉冲燃烧器中的每个如第一脉冲燃烧器被布置，并且其中每个脉冲燃烧器通过如连接管布置的管连接到三个或更多个脉冲燃烧器中的一个或两个脉冲燃烧器。
本文讨论的另一方面涉及一种降低脉冲喷气系统中的噪声和/或振动的方法。该方法包括通过控制器控制对第一脉冲燃烧器的燃料供应速率。第一脉冲燃烧器包括第一燃烧室、第一入口管、第一排气管和用于将燃料喷射到第一燃烧室中的第一燃料喷射器。第一脉冲燃烧器具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式。响应于接收到指示至少一个预定条件的发生的信号，控制器调节对第一脉冲燃烧器的燃料供应速率，以减少一个或多个附加振荡模式的激发。在一些实施例中，从以下中的至少一个压力传感器接收到信号：至少一个压力传感器，其被附接到第一脉冲燃烧器，用于测量燃料燃烧器内部的压力，其中至少一个预定条件包括燃料燃烧器内的测量出的压力超过预定阈值压力值；以及至少一个流体速度传感器，其被附接到第一脉冲燃烧器，用于测量入口管处或出口管处的流体速度，其中至少一个预定条件包括入口管处或出口管处的测量出的流体速度超过预定的阈值流体速度值。
在一些实施例中，控制器接收来自位于一个或多个附加振荡模式的第一附加振荡模式的压力波腹处的至少一个压力传感器的信号，其中控制器计算对应于第一附加振荡模式的第一频率的第一脉动分布以减少第一振荡模式的激发。
在一些实施例中，控制器通过将第一脉动分布叠加在第一燃料喷射器的第一燃料供应速率上来调节对第一脉冲燃烧器的燃料供应速率。
在一些实施例中，第一脉冲燃烧器包括用于将燃料喷射到燃烧室中的第二燃料喷射器，其中控制器通过调节第二燃料喷射器的第二燃料供应速率以对应于第一脉动分布从而调节对第一脉冲燃烧器的燃料供应速率。
在一些实施例中，控制器接收来自位于一个或多个附加振荡模式的第二附加振荡模式的速度波腹处的至少一个速度传感器的信号，其中控制器计算对应于第二附加振荡模式的第二频率的第二脉动分布，以减少第二振荡模式的激发。
在一些实施例中，控制器通过将第二脉动分布叠加在第一燃料喷射器的第一燃料供应速率上来调节对第一脉冲燃烧器的燃料供应速率。
在一些实施例中，第一脉冲燃烧器包括用于将燃料喷射到燃烧室中的第三燃料喷射器，其中控制器通过调节第三燃料喷射器的第三燃料供应速率以对应于第二脉动分布从而调节对第一脉冲燃烧器的燃料供应速率。
本文讨论的另一方面涉及一种降低脉冲喷气系统中噪声和/或振动的方法。该方法包括提供第一脉冲燃烧器，其中第一燃烧器包括第一燃烧室、第一入口管、第一排气管和用于将燃料喷射到第一燃烧室中的第一燃料喷射器。第一脉冲燃烧器具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式。该方法包括将至少一个共振器附接到第一脉冲燃烧器。该方法包括调节共振器的尺寸以调节共振器的共振频率以对应于一个或多个附加振荡模式的第一振荡模式的第一频率，以减少第一振荡模式的激发。
在一些实施例中，附接包括确定第一振荡模式的压力波腹的位置，并且在与第一振荡模式的压力波腹相对应的位置处附接至少一个共振器。
在一些实施例中，调节共振器的尺寸包括调节共振器的体积以减少第一振荡模式的激发。
在一些实施例中，调节共振器的尺寸包括调节共振器的长度以减少第一振荡模式的激发。
在一些实施例中，该方法包括确定一个或多个振荡模式的第二振荡模式的压力波节的位置，其中第二振荡模式具有不同于第一频率的第二频率；在与第二振荡模式的压力波腹对应的位置处将第二共振器附接到第一脉冲燃烧器；并且调节第二共振器的尺寸以使第二振荡模式的激发最小化。
在一些实施例中，该方法包括通过具有第一端和第二端的管将第二脉冲燃烧器附接到第一脉冲燃烧器，第二脉冲燃烧器如第一脉冲燃烧器被布置，其中第一端被附接到第一燃烧室，并且第二端被附接到第二脉冲燃烧器的燃烧室，其中管具有小于或等于基波振荡模式的波长的1/8的长度。
本文所讨论的另一方面涉及一种降低脉冲燃烧器系统中的噪声和/或振动的方法。该方法包括提供第一脉冲燃烧器，其包括第一燃烧室、第一入口管、第一排气管和用于将燃料喷射到燃烧室中的第一燃料喷射器。该方法还包括提供第二脉冲燃烧器，其包括第二燃烧室、第二入口管、第二排气管和用于将燃料喷射到燃烧室中的第二燃料喷射器。第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器在孤立地操作时具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式。该方法还包括通过将连接管的第一端附接到第一燃烧室并且将连接管的第二端附接到第二燃烧室来将第一脉冲燃烧器连接到第二脉冲燃烧器。连接管具有小于或等于基波振荡模式的波长的1/8的长度。
本文讨论的另一方面涉及包括第一脉冲燃烧器的脉冲燃烧器系统。第一脉冲燃烧器包括燃烧室、入口管、排气管和用于以燃料供应速率将燃料喷射到燃烧室中的第一燃料喷射器。第一脉冲燃烧器具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式。第一共振器被附接到第一脉冲燃烧器。第一共振器具有以下尺寸，其被选择为使得第一共振器的第一共振频率对应于一个或多个附加振荡模式的第一振荡模式的第一频率，其中第一共振器减少第一振荡模式的激发。
在一些实施例中，第一共振器在对应于第一振荡模式的压力波腹的位置处被附接到第一脉冲燃烧器。
在一些实施例中，脉冲燃烧器系统包括被附接到第一脉冲燃烧器的第二共振器，第二共振器具有以下尺寸，其被选择为使得第二共振器的第二共振频率对应于一个或多个附加振荡模式的第二振荡模式的第二频率。在一些实施例中，第二共振器减少第二振荡模式的激发，其中第二共振器在对应于第二振荡模式的压力波腹的位置处被附接到第一脉冲燃烧器。
本文讨论的另一方面涉及一种包括第一脉冲燃烧器系统和第二脉冲燃烧器系统的脉冲燃烧器系统。第一脉冲燃烧器包括第一燃烧室、第一入口管、第一排气管和用于将燃料喷射到燃烧室中的第一燃料喷射器。第二脉冲燃烧器包括第二燃烧室、第二入口管、第二排气管和用于将燃料喷射到燃烧室中的第二燃料喷射器。第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器在孤立地操作时具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式。脉冲燃烧器系统包括将第一脉冲燃烧器燃烧室连接到第二脉冲燃烧器燃烧室的管。该管具有小于或等于基波振荡模式的波长的1/8的长度。
在一些实施例中，第一脉冲燃烧器包括被附接至其上的第一共振器，第二脉冲燃烧器包括被附接至其上的第二共振器，第一共振器与第二共振器相同。
在一些实施例中，第一共振器和第二共振器中的每个具有以下尺寸，其被选择为使得第一和第二共振器的共振频率对应于一个或多个附加振荡模式的第一振荡模式的第一频率，其中第一共振器和第二共振器中的每个减少第一振荡模式的激发。
在一些实施例中，第一共振器在与第一振荡模式的压力波腹对应的第一脉冲燃烧器上的位置处被附接到第一脉冲燃烧器，并且第二共振器在与第一振荡模式的压力波腹对应的第一脉冲燃烧器上的位置处被附接到第二脉冲燃烧器。
本文讨论的一个方面涉及一种脉冲燃烧器系统。脉冲燃烧器系统包括第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器。第一脉冲燃烧器包括第一燃烧室、第一入口管、第一排气管和用于将燃料喷射到燃烧室中的第一燃料喷射器。第二脉冲燃烧器包括第二燃烧室、第二入口管、第二排气管和用于将燃料喷射到燃烧室中的第二燃料喷射器。第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器在孤立地操作时具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式。管将第一脉冲燃烧器燃烧室连接到第二脉冲燃烧器燃烧室。该管具有对应于基波振荡模式波长的1/2的长度。
在一些实施例中，脉冲燃烧器系统在操作期间减少连接管与第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器的燃烧室之间的气体交换。在一些实施例中，没有气体从连接管行进到第二脉冲燃烧室中。在一些实施例中，没有气体从第二脉冲燃烧器行进到连接管中。
在一些实施例中，管具有连接到第一脉冲燃烧器的第一端和连接到第二脉冲燃烧器的第二端，其中第一端具有第一振荡压力，并且第二端具有第二振荡压力，其中第二振荡压力与第一振荡压力相反。在一些实施例中，第一端和第二端是操作期间的压力波腹。在一些实施例中，连接管的中心在操作期间是压力波节。在一些实施例中，第一端和第二端在操作期间是速度波节。在一些实施例中，连接管具有对应于操作期间的基波振荡模式的频率的管振荡模式频率。
在一些实施例中，连接管的长度导致第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器以反相操作。
在一些实施例中，第一脉冲燃烧器的振荡由第二脉冲燃烧器的振荡对抗，其中与孤立地操作单个脉冲喷气燃烧器发动机相比而言，脉冲燃烧器系统产生降低的噪声和振动水平。
在一些实施例中，连接管是U形的。
本文所讨论的另一方面涉及一种减少脉冲燃烧器系统中的噪声和/或振动的方法。该方法包括提供第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器。第一脉冲燃烧器包括第一燃烧室、第一入口管、第一排气管和用于将燃料喷射到燃烧室中的第一燃料喷射器。第二脉冲燃烧器包括第二燃烧室、第二入口管、第二排气管和用于将燃料喷射到燃烧室中的第二燃料喷射器。第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器在孤立地操作时具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式。该方法还包括通过将连接管的第一端附接到第一燃烧室并且将连接管的第二端附接到第二燃烧室来将第一脉冲燃烧器连接到第二脉冲燃烧器。连接管具有对应于基波振荡模式波长的1/2的长度。
关于本公开的给定方面描述的实施例的元件可以被用在本公开的另一方面的各种实施例中。例如，可以设想的是，依赖于一个独立权利要求的从属权利要求的特征可以被用在任何其他独立权利要求的装置和/或方法中。
附图说明
通过参考结合附图的以下描述，本公开的前述和其它目的、方面、特征和优点将变得更加明显且更好地被理解，其中：
图1是典型的常规脉冲燃烧器的设置。
图2A是示出了根据本公开的一些方面的示例性脉冲燃烧器的前三种振荡模式的曲线图。
图2B是示出了根据本公开的一些方面的跨0Hz至4000Hz的频率范围的A加权(dB)对频率(Hz)的曲线图。
图3A是根据本公开的一些方面的使用压力传感器的本公开的可能实施例的设置。
图3B是示出了根据本公开的一些方面的压力上升和下降期间放热的不稳定分量的影响的曲线图。
图3C是根据本公开的一些方面的标准单发动机脉冲方案的曲线图。
图3D是根据本公开的一些方面的优化的单发动机脉冲方案的曲线图，其中通过修改脉冲喷射分布来抑制不期望的振荡模式。
图4是根据本公开的一些方面的使用速度传感器的本公开的另一可能实施例的设置。
图5是根据本公开的一些方面的本公开的可能实施例的设置。
图6A是根据本公开的一些方面的本公开的另一可能实施例的设置。
图6B是根据本公开的一些方面的亥姆霍兹(Helmholtz)共振器(左)和四分之一波管(右)的示例性形状。
图7A-E示出了根据本公开的一些方面的具有不同体积的附接共振器的脉冲燃烧器的麦克风信号的曲线图。
图7F是根据本公开的一些方面的可以附接共振器的示例性脉冲燃烧器。
图8是根据本公开的一些方面的包括同相操作的两个脉冲燃烧器800和800'的实验设置的设置。
图9是根据本公开的一些方面的解释本发明的某些实施例的工作的类似电路。
图10是根据本公开的一些方面的连接的脉冲燃烧器1000a、1000b、1000c和1000d的阵列的设置。
图11A是根据本公开的一些方面的来自具有以同相操作的两个发动机的实验发动机室的归一化压力对时间的曲线图。
图11B示出了根据本公开的一些方面的被用于获得图11A中示出的数据的每个发动机的尺寸。
图12A是根据本公开的一些方面的具有以反相操作的两个脉冲燃烧器1200和1200'的脉冲燃烧器布置的设置。
图12B-图12C是根据本公开的一些方面的以反相操作的两个脉冲燃烧器的示例性设置。
图13A是根据本公开的一些方面的来自具有以反相操作的两个脉冲喷气发动机的实验发动机室的归一化压力对时间的曲线图。
图13B是根据本公开的一些方面的具有与图13A中示出的发动机相同尺寸的示例性单发动机的归一化压力对时间的曲线图。
图14A-C是根据本公开的一些方面的来自各种脉冲喷气发动机配置的麦克风信号(左侧)和左侧信号的快速傅里叶变换(FFT)的波形对时间的曲线图。
图14D示出了根据本公开的一些方面的具有被用于获得图14B中示出的数据的亥姆霍兹共振器的发动机的尺寸。
图14E是根据本公开的一些方面的图14D中示出的发动机的照片。
图14F示出了根据本公开的一些方面的被用于对图14A-图14C中示出的数据进行噪声测量的设置的两个示例性视图。
从下面结合附图所阐述的详细描述，本公开的特征和优点将变得更加明显，其中相同的参考字符自始至终标识对应的元素。在附图中，相同的附图标记通常指示相同的、功能上相似的和/或结构上相似的元件。
具体实施方式
在本文档中，“脉冲燃烧器(pulse combustor)”、“脉动喷气发动机(pulse jetengine)”、“脉动喷气机(pulse jet)”、“脉冲喷气发动机(pulsejet engine)”或“脉冲喷气机(pulsejet)”是指相同的装置。可以理解，脉冲喷气机或脉冲喷气发动机是被用于推力产生的脉冲燃烧器。
本文公开的一些实施例涉及用于在脉冲燃烧器的操作期间降低噪声和/或振动水平并增加效率的系统和方法。在一些实施例中，一个或多个压力传感器和/或一个或多个速度传感器被用于测量脉冲燃烧器中的压力和/或速度。压力传感器和/或速度传感器测量燃烧器中的压力和/或速度，并且向控制器(例如，电子控制系统)发送关于测量出的压力和/或速度值的信号。如果控制器确定测量出的压力和/或速度值超过预定阈值，则控制器调节对脉冲燃烧器的燃料供应速率，从而减少/消除脉冲燃烧器不期望的振荡模式的激发(例如，除了燃烧器的基波振荡模式的振荡模式)。在一些实施例中，控制器计算合适的脉动分布，其可以被用于响应于从一个或多个压力传感器和/或一个或多个速度传感器接收到的信号来减少/消除不期望的振荡模式。在一些实施例中，压力传感器被放置在正在被减少/消除的不期望的振荡模式的压力波腹处。在一些实施例中，速度传感器被放置在正在被减少/消除的不期望的振荡模式的速度波腹处。
在一些实施例中，本公开涉及使用声共振器(例如，亥姆霍兹共振器、四分之一波管、六分之一波管)来减少在脉冲燃烧器(或几个脉冲燃烧器)的操作期间感知到的噪声和/或振动水平的系统和方法。在一些实施例中，一个或多个声共振器被调谐到要被减少/消除的振荡模式的频率。在一些实施例中，通过调节共振器的尺寸(例如，腔室体积或高度或管长度)来调谐声共振器。在一些实施例中，共振器被附接在对应于要被减少/消除的振荡模式的压力波腹的位置处。
在一些实施例中，本公开涉及使用同相操作的脉冲燃烧器的系统和方法。在一些实施例中，本公开涉及使用同相操作的两个或更多个脉冲喷气机的系统和方法，使得它们可以共同地对脉冲喷气机的另一群组进行操作以产生相消干涉，并且因此降低噪声和振动水平。在一些实施例中，第一脉冲燃烧器与第二脉冲燃烧器相同。在一些实施例中，第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器中的每个在孤立地操作时具有基波振荡模式波长和一个或多个附加振荡模式。在一些实施例中，脉冲燃烧器在其燃烧室处彼此连接。在一些实施例中，连接脉冲燃烧器的管具有对应于显著短于基波振荡模式波长的长度，例如，连接管具有等于或小于基波振荡模式波长的1/8的长度。
在一些实施例中，本公开涉及使用以反相操作的脉冲燃烧器的系统和方法。反相操作允许使用第二脉冲燃烧器的振荡性质来对抗第一脉冲燃烧器的振荡性质(并且反之亦然)，从而与单独操作的单个脉冲燃烧器或者两个非耦合的单脉冲燃烧器相比而言，降低了噪声和振动水平。以反相操作的脉冲燃烧器可以是几个脉冲燃烧器的布置的一部分，其中至少两个脉冲燃烧器以反相操作。在一些实施例中，第一脉冲燃烧器与第二脉冲燃烧器相同。在一些实施例中，第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器中的每个在孤立地操作时具有基波振荡模式波长和一个或多个附加振荡模式。在一些实施例中，脉冲燃烧器在其燃烧室处彼此连接。在一些实施例中，连接脉冲燃烧器的管具有对应于基波振荡模式波长的1/2的长度。
本文中讨论的一些实施例涉及在反相操作期间减小或最小化对第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器的独立操作的干扰。本文中讨论的一些实施例涉及在反相操作期间减小或最小化第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器的振荡压力幅度。本文讨论的一些实施例涉及在反相操作期间减小或最小化第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器的机械功率输出损失或推力损失。
本文中讨论的一些实施例涉及确定用于将脉冲燃烧器彼此连接以在反相操作期间实现所期系统性能的位置(例如，减少的噪声、减少的振动、减少的对第一脉冲燃烧器和第二脉冲燃烧器的独立操作的干扰)。本文中讨论的一些实施例涉及确定将第一脉冲燃烧器连接到第二脉冲燃烧器的管(或任何其它连接器类型)的尺寸，以在反相操作期间实现所期系统性能。
图1是典型的常规脉冲燃烧器100的设置。在图1中，脉冲燃烧器100包括以下：连接到燃烧室102的入口管104。燃烧室102还被连接到排气管106。还存在位于入口管104中的燃料喷射器108，但是燃料喷射器108的其他位置和几何形状也是可能的。例如，还可以将燃料喷射器108放置在燃烧室102中。火花塞110位于燃烧室102中，用于启动脉冲燃烧器。火花塞110可以位于燃烧室102中的任何地方。也可以使用任何其它点火装置(诸如，例如电热塞)来代替火花塞110。
当燃料和空气被引入燃烧室中时，由火花塞或其它点火装置产生的火花点燃燃料-空气混合物。随后的燃烧过程导致燃烧室内的气体的温度和压力升高。然后，这些气体通过入口管和排气管膨胀并逸出。逸出气体的高速度导致燃烧室内的过度膨胀和负压。然后，该负压反转入口管和排气管中的流动方向。经由入口管从大气吸入的新鲜空气与燃料(其被喷射在入口管中或直接被喷射至燃烧室中)混合并进入燃烧室，在那里遇到来自先前燃烧事件的高温燃烧产物。这些燃烧产物点燃新鲜燃料-空气混合物以产生另一个燃烧事件，并且该过程无限期地重复。应该注意的是，由于燃烧室中的负压而导致在排气管中也存在流动反转，但由于排气管的较长长度，所以经由排气管从大气吸入的新鲜空气在过程重新启动之前不会达到燃烧室。还应该注意的是，火花塞通常只需要启动发动机的操作，而不是维持它。因此，一旦发动机启动了，火花塞就可以被关闭。
脉冲燃烧器的工作循环的净结果是入口端和排气端产生气体的振荡流。这些振荡流是造成推力生成的原因。排气管通常生成最高量的推力，但入口管也可生成显著量的推力。因此，为了使来自入口管点的推力处于与来自排气管的推力相同的方向，入口管经常转向到与排气管相同方向的点(或反之亦然)，或者简单地被附接至燃烧室与排气管的同一侧。脉冲喷气发动机可以以各种形式被制造。一些具有多个入口，而另一些具有垂直于排气管的入口。然而，所有这些实施例具有相同的工作原理并且本质上是相同的装置。
脉冲喷气发动机经常使用声学理论进行分析；在科学和工程文献中已经提出，脉冲燃烧器的燃烧室和相对短的入口管的组合表现为亥姆霍兹共振器，而脉冲燃烧器的相对长的排气管定性地表现为四分之一波管(或六分之一波管，根据一些研究人员)，例如，如在“A new acoustic model for valveless pulsejets and its application foroptimization thrust”,F.Zheng et al.,J.Eng.Gas Turbines Power 130(4),041501(Apr 28,2008)中讨论的。因此，脉冲喷气发动机可以被建模为亥姆霍兹共振器和四分之一波管或六分之一波管的组合。这个模型从此被称为“亥姆霍兹模型(Helmholtz model)”。
在科学和工程文献中已经提出，脉冲喷气发动机的操作振荡模式是由于亥姆霍兹共振器(燃烧室和入口管的组合)的自然振荡模式和四分之一波管或六分之一波管(排气管)的基波模式而造成。因此，脉冲燃烧器的稳定操作频率与假设的亥姆霍兹共振器和四分之一波管或六分之一波管的基频有关。
在亥姆霍兹模型被用于预测脉冲喷气发动机的操作频率取得一些成功的同时，它还预测了脉冲喷气发动机内部的压力变化(随时间)，并且脉冲喷气发动机的开口端(入口端和排气端)处的对应的速度变化(随时间)应为正弦的。然而，已经通过实验数据观察到，这些变化显著地从正弦偏差，换句话说，它们显示出大量的较高频率变化。如果获得了变化的傅里叶变换，则除了基波峰值之外，还可以观察到谐波。相反，如果信号是纯正弦的，则傅立叶变换将只揭示正弦的频率处的一个峰值(“基波(fundamental)”)。然而，如果与正弦行为存在任何偏离、例如时域中的多个子峰值，则傅里叶变换将揭示多个峰值；遵循基波的峰值经常被称为“谐波(harmonics)”。本领域技术人员将熟悉傅立叶变换以及基波峰值和谐波的概念。
如先前提到的，通常使用的亥姆霍兹模型预测正弦压力和速度变化(随时间)，但是这种行为未通过实验被观察到。在单脉冲燃烧循环过程中，实验结果示出了许多峰值和更尖锐的峰值(在时域中)。还应注意的是，脉冲燃烧器的压力和速度变化引起了脉冲燃烧器周围的声压场。如果这些变化是纯正弦的、如亥姆霍兹模型预测的，则噪声水平也不会像通过实验观测到的那样高，这是因为人耳不能均匀地感知所有频率。相反，人耳倾向于对低于约1000Hz的降低的频率(由本领域技术人员熟悉的分贝A-加权近似)降低敏感。图2B是示出了根据本公开的一些方面的跨0Hz至4000Hz的频率范围的A加权(dB)对频率(Hz)的曲线图。典型脉冲燃烧器的操作频率范围从约50Hz至250Hz。人耳对100Hz或更低的频率非常不敏感，但是在这些频率下操作的发动机已被感知为是异常响亮的。其原因在于声信号不是完美的正弦，并且更高的谐波含有大量的能量。谐波本身表现为人耳更敏感的较高频率，并且这是脉冲燃烧器中的压力和速度变化不是正弦的直接结果，如亥姆霍兹模型将预测的那样。
因此，提供脉冲喷气发动机中的谐波含量(压力和速度波动的正弦行为的偏离)的解释是有用的，并且还提供用于控制或消除脉冲喷气发动机中的谐波含量的系统和方法(例如，使压力和速度波动更正弦)。在脉冲喷气发动机中谐波含量的控制或消除导致声信号中较高频率的降低，并且提供降低的噪声水平，特别是因为人耳对较高频率不成比例地敏感。谐波含量的控制或消除可以对振动水平具有相同的含义，换句话说，谐波含量的控制或消除可以提供降低的高频振动水平。本文讨论的一些实施例涉及用于实现来自脉冲喷气发动机的降低的噪声和振动水平的系统和方法。
在一些实施例中，本公开利用燃料进入脉冲喷气发动机的不稳定和受控喷射。已经示出这种燃料喷射显著提高脉冲喷气发动机中的效率和/或机械能转换。本文中讨论的一些实施例涉及用于提高来自脉冲喷气发动机(或脉冲燃烧器)的效率、机械能转换和/或推力的系统和方法。
如与基于恒定供应压力的燃料喷射或连续燃料喷射相反，美国专利No.7,637,096B2提出将燃料脉动到脉冲燃烧器中以提高从脉冲燃烧器输出的效率和/或机械能。压力传感器提供关于燃烧室内的压力循环/变化的信息，并且该信息由反馈电路使用以在循环中最有利的点处喷射燃料的离散的、稳定的脉冲，其被定义为产生燃烧器内最高的不稳定压力幅度。
美国专利No.7,637,096 B2的方法似乎是以离散的脉冲将燃料脉动到发动机中，并且使用压力传感器控制/确定定时以减少燃料消耗。这种技术可以产生更有效的操作(如与没有脉冲定时的任何控制的操作相比而言)，这是因为它将在需要时喷射燃料。然而，这种技术的一个显著缺点是它不监视或控制能量到哪里去-以消耗更少的燃料脉动燃料，而是燃烧过程仍然不受控制并且包括高频含量，导致了发动机内部的更高振荡模式的激发。在本文讨论的一些实施例中，目的是不仅在不可用时切断燃料供应(从而节省燃料)，而且还监视和控制能量进入哪个振荡模式(例如，将能量引导至基波振荡模式中)。本文中讨论的一些实施例涉及在操作期间仅激发基波振荡模式。
此外，本文讨论的一些实施例涉及使燃料消耗最小化并且提供高于常规系统的燃料效率(例如，高于美国专利No.7,637,096 B2中公开的系统的燃料效率)。在一些实施例中，实现了高的燃料效率，这是因为能量释放受到控制并且不激发较高振荡模式，该较高振荡模式为推力(或机械能)生产的低效模式，这是因为它们更容易受到粘性(摩擦)损失(由于它们的高频率而造成)。在一些实施例中，释放的所有能量被引导到基波模式，其是推力(或机械能)生产的最有效(最低频)的模式。
图2A是示出了示例性脉冲燃烧器200内部的气体的前三个计算出的振荡模式的曲线图。在一些实施例中，振荡模式可以使用于2006年2月10日提交的题为“AcousticAnalysis of Valveless Pulsejet Engines”美国临时专利申请No.62/293,533中描述的方法来计算，其全部内容通过引用并入本文。在一些实施例中，振荡模式可以使用在“Vortex-driven acoustically coupled combustion instability”,T.J.Poinsot etal.,J.Fluid Mech.,vol.77,pp.265-292(1987)中描述的方法来计算，其全部内容通过引用并入本文。
在一些实施例中，振荡模式可以使用“Acoustics II:electrical-mechanical-acoustical analogies”,Kurt Heutschi，瑞士苏黎世联邦理工学院中描述的方法来计算，其可从http://www.isiweb.ee.ethz.ch/teaching/courses/ak2/elektro-mechanische-akustische-analogien-english.pdf(01/18/2013)获得，其全部内容通过引用并入本文并被称为“Heutschi”。计算声管道的振荡模式的一种方法是在长度方向上将管道离散成小段(例如，如Heutschi,幻灯片47-49中示出的)。然后每个流体段可以被分配类似的电容(以表示流体的顺应性)和类似的电感(以表示流体的惯性)。在这个类比中，流体压力类似于电压，并且流体体积流速类似于电流，并且类似电容和电感的值是气体状态(例如密度和温度)和管道性质(例如横截面积和离散长度)的函数。然后可以将流体段的电容和电感连接以形成用于声管道的类似电路(与电传输线具有很强的相似性)，并且该电路(管道)的模态形状和频率可以使用本领域技术人员熟悉的广泛可用的电路解算器(例如，PSpice)或等效模态分析技术、例如通过将电压和电流的微分方程式转换成矩阵并且然后计算对应矩阵的特征值和本征模来计算。
在一些实施例中，可以使用“Principles of Vibration and Sound”,ThomasD.Rosing和Neville H.Fletcher,Springer,2004中描述的方法来计算振荡模式。在一些实施例中，可以使用“Fundamentals of Physical Acoustics”,David T.Blackstock,Wiley-Interscience,2000中描述的方法来计算振荡模式。
可以通过将脉冲喷气发动机作为具有连续变化的面积和/或温度分布(沿其长度)的声管道，并且然后使用已知方法来计算其可允许的振荡模式，来计算振荡模式。y轴表示轴向位置处的压力振荡幅度。振荡模式曲线与其形状而不是它们的绝对幅度相关。换句话说，振荡模式的分析示出了压力幅度如何沿着发动机的长度而变化，但不能确定该幅度的绝对值(其取决于其它因素)。例如，压力幅度的绝对值可以随着发动机节流(例如，给定更多的功率/燃料)而改变，但压力分布不能改变，并且分布是用于分析的相关信息。
第一模式形状222是用于第一计算出的振动模式的脉冲燃烧器内部的不稳定压力分布。第二模式形状224是用于第二计算出的振动模式的脉冲燃烧器内部的不稳定压力分布。第三模式形状226是用于第三计算出的振动模式的脉冲燃烧器内部的不稳定压力分布。如上面讨论的，y轴幅度不旨在指示三种振荡模式的相对强度。模式形状的相对幅度在图2A中无关紧要，并且只有模式形状(对长度)是相关的。还应注意的是，附加的振荡模式也是可能的，但是未被示出以保持图2A中的清晰度。示例性脉冲燃烧器200的几何形状被示出以提供长度比例的视觉参考。
图3A是根据本公开的一些方面的脉冲燃烧器300的另一实施例的设置。脉冲燃烧器300是图1中示出的类型的脉冲燃烧器。压力传感器330感测脉冲燃烧器内的压力，并在功能上(电子地)连接到电子控制系统332。电子控制系统332也在功能上连接到并控制燃料喷射器308。
在一些实施例中，压力传感器可以在脉冲喷气发动机中典型地观察到的幅度(例如，高达约3atm)处检测高频压力波动(例如，高达约750Hz)。在一些实施例中，这种传感器是压电类型的，例如，Kistler 211B6或211B5压力传感器。
图4是根据本公开的一些方面的脉冲燃烧器400的另一实施例的设置。脉冲燃烧器400是图1中示出类型的脉冲燃烧器。速度传感器434感测在脉冲燃烧器400的入口端处的流体的速度，并在功能上(电子地)连接到电子控制系统432。速度传感器436感测在脉冲燃烧器400的排气端处的流体的速度，并且也在功能上(电子地)连接到电子控制系统432。电子控制系统432也在功能上连接到燃料喷射器408并控制燃料喷射器408。
如上面讨论的，脉冲燃烧器在燃烧室和入口管和排气管中产生压力和速度振荡。如上面解释的，传统上使用亥姆霍兹模型来分析脉冲燃烧器，该模型预测脉冲燃烧器中的正弦压力和速度变化(对时间)。然而，实验证据示出了变化不是正弦的。
分析脉冲燃烧器的另一种方法是假设它们是声管道。填充有可压缩流体(例如，空气)的管道的几何形状将指示在其内的流体的不同可允许的振荡模式(即驻波)。每个模式对应于不稳定的压力和速度幅度分布(在空间中)以及振荡频率。图2A示出了针对示例性脉冲燃烧器200的前三种振荡模式的不稳定压力幅度的空间分布。本领域技术人员将熟悉声管道的这种分析。
可以通过燃烧器内的不稳定的放热来激发图2A中示出的振荡模式，其通过脉冲燃烧器中的周期性燃烧事件来实现。这种现象在数学上被表征为著名的瑞利准则(Rayleighcriterion)。瑞利准则指示出，取决于放热的时间和空间分布，可以激发不同的振荡模式。脉冲燃烧器中的放热过程在很大程度上是不受控制的(除了以周期性间隔发生的)，并且因此，典型的脉冲燃烧器中的放热的傅立叶变换包含显著的谐波含量。谐波含量意味着来自放热的能量在许多频率上扩散，并且正是出于这个原因，典型的燃烧过程可以(并且通常)激发多种振荡模式。当这些振荡模式同时被激发时，脉冲燃烧器中的净压力和速度变化是由于每个激发的振荡模式引起的压力和速度变化的总和。虽然每个独立的振荡模式对应于正弦变化(对时间)，但具有不同空间分布(例如如图2A中示出的)和不同频率的不同激发的振荡模式的总和不是正弦的。
因此，典型的脉冲燃烧器中的压力和速度变化不是正弦的。此外，脉冲燃烧器周围的声压场包含高于操作的基频的显著谐波含量，并且如上面解释的，这种谐波含量对高感知到的噪声水平承担重大责任。因此，本公开的一些方面涉及在脉冲燃烧器的操作中控制、去除或减轻谐波含量的设计方法和/或装置。
在一些实施例中，例如图3A和图4中示出的实施例，通过压力传感器和/或速度传感器来监视脉冲燃烧器中的压力和速度变化。虽然压力传感器和速度传感器在分离的图中被示出，但是本领域普通技术人员将理解，在一些实施例中，脉冲燃烧器可以配备有压力传感器和速度传感器两者。在一些实施例中，如果通过燃烧过程激发了脉冲燃烧器中较高的振荡模式(例如，高于基波模式的振荡模式)，则这些较高模式将被压力传感器和/或速度传感器检测到。
在一些实施例中，电子控制系统(例如，332和/或432)利用从压力传感器和/或速度传感器接收到的信息来调节或控制燃料供应以影响放热分布(profile)，以消除或最小化脉冲燃烧器内的较高振荡模式的激发。
在一些实施例中，使用来自压力传感器和/或速度传感器的信息的电子控制系统使得燃料喷射系统以周期性方式向脉冲燃烧器供应燃料，但具有在给定的平均时间燃料流速内(经由放热分布)消除或最小化更高振荡模式的激发的分布(燃料流速对时间)。换句话说，在一些实施例中，电子控制系统可以使用从压力传感器和/或速度传感器接收到的信号来调节对脉冲燃烧器的燃料供应速率。
在一些实施例中，压力传感器和/或速度传感器被耦接到燃料喷射系统，其中压力传感器和/或速度传感器在感测到预定的事件/状况时(例如，在感测到高于预定/预设阈值的压力和/或速度时)向燃料喷射系统发送信号以调节分布(燃料流速对时间)。
在一些实施例中，可以在接收到用于调节分布的信号之后立即调节分布(燃料流速对时间)。该分布(燃料流速对时间)可以是硬编码的，即先验确定并被编程到电子控制系统中，或者其可以被实时计算。在脉冲燃烧器循环中的任何点处都不需要分布来切断燃料供应，也不需要分布在循环的任何部分期间稳定地提供燃料。
在一些实施例中，电子控制系统(例如，332、432)在脉冲燃烧器(例如，300、400)内产生实际上尽可能接近正弦的压力和/或速度变化(对时间)。如上面讨论的，如果这些变化是正弦的，则对应的振动和声场也将是(接近)正弦的，具有最小的谐波含量(高频中的最小能量)，导致了较低的噪声水平。继而，这也导致更高的效率、更高的机械能转换和/或推力，出于至少以下原因：对于输入到脉冲燃烧器的给定量的热能(供应到脉冲燃烧器的燃料)，最有效的是使所有能量激发基波(第一、最低频率)模式，这是因为该模式最少受到粘性损失。具有较高频率的较高模式更容易受到粘性损失的影响，并且因此机械能转换和/或推力产生的效率较低。在典型的脉冲燃烧器中，放热分布包含显著的谐波含量，其激发脉冲燃烧器内更高的振荡模式。这意味着与基波模式相比而言，供应给脉冲燃烧器的一些能量已被引导到更高的振荡模式，受到更高的粘性损失。
在一些实施例中，以这样的方式调节放热：仅激发管道的基波振荡模式。瑞利准则描述了热量可以如何激发声音/压力波的这个过程，而仅激发基波的正确放热将是燃烧室中的正弦放热(对时间)，以实现这种正弦放热不仅仅是正弦地喷射燃料那么简单，这是因为存在许多实际上不可能控制的中间过程(例如，空气-燃料湍流混合、液滴蒸发、燃烧化学本身)。鉴于燃料喷射和放热之间的复杂路径，可以凭经验确定产生规定放热所需的燃料喷射方案。换句话说，发动机可以使用输入(燃料喷射分布)和输出(发动机中的压力和速度波动)进行建模，并且可以改变输入(燃料喷射分布)以实现所期输出(例如，单模激发)。可以使用包括了与控制理论和优化原理相关的那些的几种方法来确定用于实现单模振荡的燃料喷射分布。在一些实施例中，可以使用包括与控制理论和优化原理相关的那些的几种方法来确定用于实现单模振荡的燃料喷射分布。
瑞利准则提供了：如果在某一点处存在声/压振荡，则在压力振荡的正(上升)部分期间不稳定的放热将强化/加强振荡，并且在压力振荡的负(下摆)部分期间不稳定的放热将削弱/抑制振荡，如图3B中示出的。因此，如果放热是周期性的，并且不稳定放热的正分量与任何声压振荡的正部分一致，则这些振荡将增长并且变得非常强大(这是在脉冲喷气发动机中发生的情况)。
在一些实施例中，用于抑制不期望的振荡的策略包括以脉冲喷射燃料，但是以这样的方式：在压力循环的负(下摆)部分发生不稳定的放热，这抑制了不期望的振荡模式。
在一些实施例中，可以如下抑制不期望的声/压振荡：以与不期望的模式相同的频率的脉冲喷射燃料，但是喷射的相位/定时是经验上变化的(相对于压力振荡，其可以经由压力传感器被检测到，例如图3A中示出的)，直到周期性的放热与压力循环的负部分一致并消除不期望的模式为止。
在一些实施例中，可以通过以方波方式首先脉动燃料来抑制不期望的声/压振荡。对于方波变化的变量可以包括脉冲的脉冲宽度和相位滞后(例如，如图3C中示出的)。换句话说，脉冲相对于压力传感器的过零点开始的定时可以改变(压力信号从负跨越到正的时间)，这个过零触发点可以在一些实施例中由微控制器或由专用模拟电路检测到。在一些实施例中，参考点的精确选择不是关键的(或不重要的)，其目的是沿着循环扫描喷射点，以查看它在哪里工作最好，并且这两个变量(脉冲宽度和相位/时间滞后)可以改变，直到燃烧器的性能最大化为止。
在一些实施例中，设计了用于脉冲喷气发动机的新脉冲方案。在一些实施例中，压力传感器(例如，如图3A中示出的)或速度传感器(例如，如图4中示出的)被用于确定哪些其它振荡模式被激发。基波振荡模式具有最低的频率。在一些实施例中，跟随基波的模式(例如，第二振荡模式)具有比基波更高的频率，并且跟随该模式的模式(例如，第三振荡模式)具有甚至更高的频率。除了基波之外，最强大的振荡模式通常是直接跟随在基波之后的振荡模式。在一些实施例中，为了消除/抑制基波之后的振荡模式，可以以不期望的模式的频率脉动燃料，并且可以扫描相位延迟和脉冲宽度，直到实现所期结果(例如，直到消除不期望的模式)为止。这种燃料脉动可以在已经驱动基波/发动机的标准方波上叠加(如下面图3D中示出的)。在一些实施例中，也可以使用分离的燃料喷射器来提供用于抑制不期望的振荡模式的第二较高频率脉冲，目的是在发动机内部产生正确的放热分布，在一些实施例中，其可以更容易产生以不同频率脉动的多个燃料喷射器以对抗不同的模式。
在一些实施例中，提供单个燃料喷射器以消除/抑制不期望的模式或振荡模式。在一些实施例中，提供多个燃料喷射器以消除/抑制不期望的模式或振荡模式。在一些实施例中，发动机包括第一燃料喷射器和一个或多个附加燃料喷射器，其中附加燃料喷射器的数量对应于被消除/抑制的振荡模式的数量。在一些实施例中，发动机包括三个或更多个脉冲喷射器。
在一些实施例中，更多燃料使用二次脉冲进入发动机，如图3D中示出，但是这种燃料以比使用单个脉冲更有效的方式被使用。换句话说，在一些实施例中，如果喷射相同量的燃料，在一种情况下使用单个脉冲(例如，如在专利No.7637096B2中)，并且在一种情况下使用单加叠加双脉冲(single-plus-superimposed-double-pulse)，则后一种情况将更有效率，这是因为能量是从低效率的更高模式中获取的，并被引导到基波(最有效的模式)中。
在一些实施例中，可以使用控制系统和可用技术来生成仅激发基波振荡模式的新的燃料喷射分布(例如，该技术不需要依赖于上面讨论的方波方法，可以使用其它合适的方法)。控制系统可以从压力传感器和/或速度传感器接收输入，该压力传感器和/或速度传感器向控制系统发送指示哪些模式被激发的信号，并且控制系统可以在每个循环处调节燃料供应，以确保仅激发基波。
在一些实施例中，压力传感器和/或速度传感器连续向控制系统发送信号。该信号可以提供关于测量出的压力和/或速度(例如压力和/或速度值)的信息。控制器接收信号并确定信号是否指示预定条件的发生(例如，如果压力值高于预定阈值压力值、和/或如果速度值高于预定阈值速度值的话)。在一些实施例中，如果控制器确定测量出的压力值不高于预定值，则控制器不对燃料喷射分布进行调节。在一些实施例中，如果控制器确定测量出的速度值不高于预定阈值，则控制器不对燃料喷射分布进行调节。在一些实施例中，如果控制器确定压力和/或速度值高于预定阈值，则控制器调节燃料喷射分布，例如如上面讨论的(例如，通过在现有脉冲喷射分布上叠加新的脉动分布或通过调节分离的燃料喷射器的脉动分布)。
在一些实施例中，供应给燃烧器的所有能量被引导至基波模式中，从而导致最小的粘性损失，并且因此是与常规脉冲燃烧器相比而言更有效的装置。在一些实施例中，供应给被引导至基波模式中的燃烧器的能量数量被最大化。例如，在一些实施例中，供应给燃烧器的能量超过约90％或超过约95％被引导至基波模式中。本文公开的一些实施例涉及提供降低的噪声(和高频振动)水平，并且提高脉冲燃烧器的效率。
在脉冲燃烧器中，特别是在高风门(功率)水平下，突然或大量的放热可导致大压力幅度。大幅度压力波可以通过“变陡峭(steepening)”而与低幅度声压波的行为不同。例如，压力变化(在时间和空间上)可以变陡峭以展示出更多的“尖峰”或更尖锐的特征。压力分布的变陡峭也可以本身表现为傅里叶变换中的高频含量(谐波)，对应于如上面解释的较高的噪声水平。在一些实施例中，电子控制系统可以裁剪周期性燃料供应分布(对时间)，以还使压力分布的变陡峭最小化，并且再次使脉冲燃烧器中、并且因此在其周围的振动和声压场中的压力和/或速度变化(对时间)中的谐波含量最小化。电子控制系统(例如，332、432)可以接收来自上面描述的一个或多个压力传感器(例如，330)和/或速度传感器(例如，434、436)的信号，其指示出测量出的压力和/或速度值高于预定阈值。电子控制系统(例如，332、432)可以向燃料喷射器(例如，308、408)发送信号以调节燃料供应速率，以将压力和/或速度降低到高于预定阈值的值。
在一些实施例中，电子控制系统(例如，332、432)可以利用来自一个或多个流体压力传感器(例如，330)或一个或多个流体速度传感器(例如434)或两者的信息来调节燃料供应速率以便使脉冲燃烧器中的压力和/或速度变化中的谐波含量最小化。图3A示出了其中压力传感器330向电子控制系统332供应信息的实验设置。在一些实施例中，如果使用压力传感器，则不应该将其放置在对应于要被检测的振荡的模式的波节的纵向位置处，否则压力传感器将不能检测到该振荡模式的存在。例如，针对图2A中示出的脉冲燃烧器，放置在燃烧室和尾管的接口附近的压力传感器将不能检测出第二振荡模式224的存在，这是因为该位置是第二振荡模式的波节(node)，并且因此不会由于该模式而经历压力振荡。在一些实施例中，如果要使用压力传感器来检测振荡模式，则应将该压力传感器放置于该振荡模式的压力波腹(anti-node)处，在那里由于该模式而造成其将经历最大压力振荡。然而，实际上，找到远离所有相关振荡模式(通常是前四个或五个振荡模式)的压力波节的位置可能是具有挑战性的，并且因此使用处于感兴趣的振荡模式的波腹附近位置处的多个压力传感器可能更实际。
在一些实施例中，可以使用具有数个压力传感器的脉冲燃烧器。在一些实施例中，可以使用具有两个或更多个压力传感器(例如，2、3、4、5、大于5个压力传感器)的脉冲燃烧器。在一些实施例中，压力传感器位于与脉冲燃烧器的所有相关振荡模式(例如，前4-5个振荡模式)的压力波节分离的距离处。在一些实施例中，脉冲燃烧器包括多个压力传感器，其中每个压力传感器的位置通过确定提供监视器的特定传感器的振荡模式的波腹的位置来确定。在一些实施例中，为感兴趣的每个振荡模式(例如，脉冲燃烧器的前4-5个振荡模式)提供压力传感器，并且每个压力传感器被放置在与提供特定压力传感器的感兴趣的振荡模式的波腹对应的位置处。
在一些实施例中，如果使用速度传感器，则也应将其放置在与感兴趣的振荡模式的速度波腹对应的位置处以实现最大灵敏度。在一些实施方式中，速度波腹是压力波节。在一些实施例中，用于放置速度传感器的适当位置包括脉冲燃烧器的入口端和/或一个或多个排气端(例如，图4的脉冲燃烧器400的速度传感器434和436)，这是因为这些是压力波节并且因此是所有可允许的振荡模式的速度波腹。在一些实施例中，因此可以使用一个或多个速度传感器来检测来自这两个位置的所有振荡模式的存在。流体速度可以从动态压力测量结果推断出，即使用指向流动的压力探针。
在一些实施例中，脉冲燃烧器包括在入口端处的速度传感器。在一些实施例中，脉冲燃烧器包括在其排气端处的速度传感器。在一些实施例中，脉冲燃烧器包括在其入口端处的第一速度传感器以及其排气端处的第二速度传感器。
在一些实施例中，可以使用压力传感器和速度传感器的组合，排气管可以是发散的(或喇叭型的)以帮助推力产生，和/或入口管可以是u形的以指向与排气管相同的方向(或反之亦然)。
图5是根据本公开的一些方面的脉冲燃烧器500的设置。脉冲燃烧器500是图1中示出的类型的脉冲燃烧器。亥姆霍兹共振器544被附接到脉冲燃烧器500，并且包括被附接到腔室540的颈部542。颈部542的另一端被附接到脉冲燃烧器500，例如如图5中示出的。
图6A是根据本公开的一些方面的脉冲燃烧器600的设置。脉冲燃烧器600是图1中示出的类型的脉冲燃烧器。亥姆霍兹共振器644是图5中示出的类型的亥姆霍兹共振器，并且被附接到脉冲燃烧器600。四分之一波管646是具有一个封闭端和被附接到脉冲燃烧器600的一端的管。
在一些实施例中，可以改进脉冲燃烧器的几何形状以衰减或使某些振荡模式变得不可能。特别地，在一些实施例中，被调谐到规定频率('fR')并被附接到脉冲燃烧器的声振荡器(诸如亥姆霍兹共振器或四分之一波管)在脉冲燃烧器内以规定频率fR抑制振荡。在一些实施例中，选择声振荡器来抵消规定频率fR的波。在一些实施例中，选择振荡器的尺寸以抵消规定频率fR的波。在一些实施例中，将声振荡器调谐到与未修改的脉冲燃烧器的振荡模式相同的频率，并且因此，该振荡模式被阻尼或(理论上/数学上)变得不可能。
声共振器通常具有为其几何形状的函数的共振频率。例如，亥姆霍兹共振器是具有短颈部(例如，如图6B中示出的)的腔室/空腔，并且亥姆霍兹共振器的共振频率是其中c是声速，S是颈部的横截面表面积，V是腔室/空腔的体积，并且L是颈部的长度。因此，通过调节这些几何参数，可以调节亥姆霍兹共振器的共振频率；在本公开中，该调节被称为调谐。换句话说，共振器的共振频率被调节(通过调节几何形状)，直到共振频率等于发动机内部不期望的振荡模式的频率为止，然后，亥姆霍兹共振器吸收/阻尼或数学上/物理上抵消发动机内部的不期望的振荡模式。在一些实施例中，该腔室(亥姆霍兹共振器)是大气缸，并且使用可移动活塞来调节体积。在一些实施例中，调节活塞的位置(例如，手动或远程)以改变频率并调谐共振器。在一些实施例中，该调谐可以在发动机运行时进行。在一些实施例中，调谐在发动机运行之前完成。
在一些实施例中，可以类似于亥姆霍兹共振器操作的另一类型的共振器是四分之一波管。四分之一波管是在一端封闭并在另一端开口的管，例如，如图6B中右边示出的。四分之一波管的共振频率是其中c是声速，并且L是管的长度。在一些实施例中，可以通过改变管的长度来调节四分之一波管的频率f。
上面给出的用于亥姆霍兹共振器和四分之一波管共振器的等式是理想的/理论的结果。在实践中，存在一些二阶/非理想效果(如粘度)，这使得该方程不能严格适用，这就是为什么在开发过程期间能够对共振器进行一些经验性调节很重要的原因。上面给出的等式提供了所需共振器的近似尺寸的概念，但是可以凭经验进行微调。
具有亥姆霍兹共振器544的脉冲燃烧器500在图5中被示出。如上面解释的，未修改的脉冲燃烧器允许几种振荡模式的可能性。在一些实施例中，亥姆霍兹共振器被调谐到规定频率('fR')并且被附接到脉冲燃烧器的尾管。在一些实施例中，被调谐到规定频率(fR)的亥姆霍兹共振器将以规定频率fR抑制任何振荡模式。因此，在一些实施例中，将fR设置为与要被阻尼或(数学上)消除的振荡模式的频率相同的频率。要被阻尼或消除的振荡模式通常不是第一模式(“基波”模式)，这是因为这对于脉冲燃烧器的操作是重要的。因此，声共振器(例如，图5中的亥姆霍兹共振器544)可以被调谐以对抗更高的振荡模式，例如被调谐以对抗第二或第三振荡模式，这是因为这些模式通常在基波模式之后包含最多的能量，并且对脉冲燃烧器中的压力和速度波动(对时间)的正弦行为的不期望偏离具有最大的影响。应当注意，虽然图5示出了被附接到脉冲燃烧器500的亥姆霍兹共振器，但在一些实施例中，任何其它类型的声共振器(诸如四分之一波管)也可以被用于产生基于与亥姆霍兹共振器相同的物理原理的类似结果。因此，本公开包括可以被用于抑制或消除脉冲燃烧器内的流体的指定振荡的所有声共振器。
关于在数学上或理论上沿着脉冲燃烧器的长度放置声共振器，这无关紧要。在一些实施例中，声共振器放置的位置是重要的。在一些实施例中，为了最大效果(阻尼)，声共振器应该被放置在要被阻尼的振荡模式的压力波腹处或其附近，这是因为在压力波腹处预期最大压力幅度，导致了与声共振器的最大相互作用(并且因此，抵消)。在一些实施例中，将声共振器放置在要被阻尼的振荡模式的压力波节处或其附近将导致该特定振荡模式的最小阻尼，这是因为在该位置处将存在最小压力波动以与声共振器相互作用，如关于上述压力传感器的放置所描述的。像这样，在一些实施例中，声共振器不应该被放置在对应于要被阻尼的振荡模式的波节的纵向位置处。
在一些实施例中，用于放置声共振器的理想位置可以通过观察模式形状(例如，在图2A中)来确定。在一些实施例中，理想位置是发生最大压力振荡的压力波腹。例如，如果目标是消除图2A中的第二模式224，则应该将共振器放置在排气/尾管的中点225处，在那里压力幅度可以看作是最大值。
在一些实施例中，用于阻尼或(数学上)消除振荡模式的特定类型的声共振器的选择是重要的。具有宽频率响应的声共振器由于其高带宽而可以与除预期的振荡模式之外的振荡模式相互作用并且阻尼该振荡模式。这可能是不期望的，特别是如果声共振器与基波(第一振荡模式)相互作用并且阻尼基波的话，这是因为这将负面地影响脉冲燃烧器的操作。然而，在一些实施例中，利用具有大带宽的声共振器也可能是有利的，这是因为可以允许两个或更多个不期望的振荡模式通过施加单个声共振器而被阻尼。大带宽是有益还是有害取决于特定情况和脉冲喷气发动机设置。在一些实施例中，特别是在期望/需要窄带宽的情况下，例如为了避免与旨在被阻尼的振荡模式以外的振荡模式的相互作用，可以采用四分之一波管作为声共振器，这是因为它们可以具有相对窄带宽。
在一些实施例中，在获得所期压力和速度波动之前，脉冲燃烧器中的两个或更多个振荡模式可能需要阻尼。在多个振荡模式要在脉冲燃烧器中被阻尼或(数学上)消除的一些实施例中，可以沿脉冲燃烧器的长度附接多个声共振器。每个声共振器可以被调谐到要被阻尼的振荡模式的相应频率，并且(理想地)被放置在要被阻尼的振荡模式的相应压力波腹处，例如，如图6A中示出的。取决于所期频率响应，可以在这种应用中使用不同类型的声共振器，如图6A中示出的，其中同时采用亥姆霍兹共振器和四分之一波管两者。
在常规的脉冲喷气发动机操作中，可以激发几种振荡模式，如上面讨论的。基波(第一模式)始终被激发(其是脉冲喷气发动机的基本操作)，但是另外还可以激发多种其他不需要的模式(例如，基波之后的第二和第三振荡模式)，并且可能需要使用不同的共振器来对抗/消除不同的不需要的模式。在一些实施例中，如果激发第二和第三振荡模式，为了对抗/消除它们，则被调谐到第二和第三模式的相应频率的两个不同的共振器可以被使用，并且被放置在它们相应的波腹处，如上面讨论的。在一些实施例中，第二振荡模式是不需要的模式中最麻烦和最强大的。
在一些实施例中，可以使用具有宽带宽范围的声共振器来抑制或消除一个或多个不期望的振荡模式。在一些实施例中，可以使用具有窄带宽范围的声共振器(例如，四分之一波管)来抑制或消除一个或多个不期望的振荡模式。在一些实施例中，可以选择一个或多个声共振器来抑制或消除特定的不期望的振荡模式或不期望的振荡模式的范围。
图7A-E示出了根据本公开的一些方面的具有不同体积的附接的共振器的脉冲燃烧器的麦克风信号的曲线图。图7A是没有共振器附接的脉冲燃烧器的麦克风信号的曲线图，即未修改的脉冲燃烧器。
图7F是可以附接声共振器的示例性内燃机。在一些实施例中，声共振器被附接在排气管/尾管的中点处。在一些实施例中，如图2A中看出的，声共振器被附接在对应于图7F中约18英寸的位置处，这是第二模式的压力波腹大致位于的位置。
如图7A中的曲线中看出的，曲线在单个着火循环的过程中具有多个峰值；信号是非常不均匀和锯齿状的，其产生大部分感知到的噪声。图7B是具有体积为3.5in3且高度为1英寸的共振器的脉冲燃烧器的麦克风信号曲线图。图7B中的曲线示出了比图7A中的曲线较少的粗糙度，指示出声共振器的存在导致至少一些不期望的振荡模式的抑制/抵消。图7C是具有体积为6.9in3且高度为2英寸的共振器的脉冲燃烧器的麦克风信号的曲线图。图7C中的曲线具有比图7A-B中的曲线更规则(更正弦)的形状和较少的粗糙度，指示出声共振器的存在导致至少一些不期望的振荡模式的抑制/抵消。图7D是具有体积为10.4in3且高度为3英寸的共振器的脉冲燃烧器的麦克风信号的曲线图。图7D中的曲线具有比图7A-C中的曲线更规则(更正弦)的形状和较少的粗糙度，指示出声共振器的存在导致至少一些不期望的振荡模式的进一步抑制/抵消。图7E是具有体积为12.1in3且高度为3.5英寸的共振器的脉冲燃烧器的麦克风信号的曲线图。图7E中的曲线具有比图7A-D中的曲线更规则(更正弦)的形状和较少的粗糙度，指示出声共振器的存在导致至少一些不期望的振荡模式的抑制/抵消。
如图7A-E中示出的，可以通过改变共振器的体积/高度来实现调谐共振器以抑制或消除不期望的模式或振荡模式。图7C-E中的曲线具有拥有比图7A-B中的曲线更正弦的形状的麦克风信号。
图7A-E示出了来自单个发动机的麦克风信号。图7C-E中的曲线具有以下形状/形式，如果它们以与自身相同或相似的信号进行反相则将抵消，即如果这些信号以半循环相位移位并且被叠加在原始信号上，所产生的幅度将因为相消抵消而显著更少(180°相移信号实际上由另一台以反相运行的发动机提供)。这在下面的图14A-C中示出。在顶部的曲线图(图7A-B)是非常不规则和锯齿状的，并且那些信号如果使用与其自身相同或相似的信号进行反相，则不会抵消。
图7D-E中的曲线实现了约7-8dBA的噪声降低。10dBA的噪声降低通常被接受为主观上的响亮的一半。图7A-E中的示例的共振器尺寸、声压级和噪声降低的细节在下面表1中示出：
表1：图7A-7E中结果的配置
图 7A 7B 7C 7D 7E
腔室高度(英寸) 0 1 2 3 3.5
腔室体积(英寸3) 0 3.5 6.9 10.4 12.1
声压级(dBA) 113.5 112 108.5 106.5 105
噪声降低(dBA) 0 -1.5 -5 -7 -8.5
已经提出，与单个孤立地操作的发动机相比而言，来自多个脉冲喷气发动机的力和声压波/信号之间的相消干涉分别可以导致降低的振动和噪声水平。在一些实施例中，产生这样的相消干涉的一种方式是相对于彼此来操纵/控制脉冲喷气发动机的相位。在一些实施例中，脉冲喷气机的配对以反相操作，或换句话说，180°异相操作，使得当一个发动机排气时，另一个发动机正在摄取空气，导致了力或声压波/信号的相消干涉。
在一些实施例中，排列两个发动机，并且发动机异相操作。
在一些实施例中，排列多于两个的发动机(诸如对于前述的VTOL应用，例如，如美国专利No.6,793,174B2中讨论的)；在这样的实施方式中，一些发动机可以同相操作，并且一些发动机可以异相操作。例如，在具有需要相消干涉的多个发动机的阵列中，一半的发动机(发动机组A)可以相对于组A中的发动机同相锁定。发动机阵列的剩余一半(发动机组B)也可以相对于发动机组B中的发动机同相锁定，但是发动机组B的相位可以相对于发动机组A的相位移位180°，换句话说，发动机组A和发动机组B以反相操作，以产生力和声压波/信号的相消干涉。
因此，设计新颖系统和方法是有用的，该新颖系统和方法用于迫使两个或更多个脉冲燃烧器(或脉冲喷气发动机)以在个别脉冲燃烧器(或脉冲喷气发动机)的操作中具有最小干扰的情况下同相操作。
图8示出了根据本公开的一些方面的包括同相操作的两个脉冲燃烧器800和800'的实验设置。在图8中，脉冲燃烧器800包括以下：被连接到燃烧室802的入口管804。燃烧室802也被连接到排气管806。脉冲燃烧器800还可以包括位于入口管804中的燃料喷射器808，但是燃料喷射器808的其它位置和几何形状也是可能的。例如，还可以将燃料喷射器808放置在燃烧室802中。火花塞810位于燃烧室802中以用于启动发动机。也可以使用任何其他点火装置(诸如电热塞)来代替火花塞。
在图8中，脉冲燃烧器800'包括以下：被连接到燃烧室802'的入口管804'。燃烧室802'也被连接到排气管806'。脉冲燃烧器800'还可以包括位于入口管804'中的燃料喷射器808'，但燃料喷射器808'的其它位置和几何形状也是可能的。例如，也可以将燃料喷射器808'放置在燃烧室802'中。火花塞810'位于燃烧室802'中以用于启动发动机。也可以使用任何其他点火装置(诸如电热塞)来代替火花塞。脉冲燃烧器800'可以具有与脉冲燃烧器800相同的物理尺寸。连接管850将燃烧室802与燃烧室802'连接。连接管850与燃烧室802和燃烧室802'流体连接。图8中的连接管850被示出为直的几何形状，但连接管850的确切形状对于脉冲燃烧器800和800'的操作并不重要。例如，在一些实施例中，连接管850可以具有弯曲或弧形的构造。
图9是根据本公开的一些方面的电路，其可以被用于分析或模拟将在下面讨论的脉冲燃烧器的行为。在图9中，亥姆霍兹共振器952包括电容器954、电感器956和接地端958。电容器954的一个端子被连接到接地端958，而电容器954的另一个端子被连接到电感器956和电感器960。电感器956在一端处被连接到电容器954和电感器960，而另一端被连接到接地端958。
亥姆霍兹共振器952'包括电容器954'、电感器956'和接地端958'。电容器954'的一个端子被连接到接地端958'，而电容器954'的另一个端子被连接到电感器956'和电感器960。电感器956'在一端处被连接到电容器954'和电感器960，而另一端被连接到接地端958'。接地端958和接地端958'可以处于相同的参考电压电平。
在一些实施例中，如果两个脉冲喷气机在其燃烧室处通过短管道连接，则它们将同相操作。在一些实施例中，短管道是指l＜λ/8，换句话说，连接管道长度小于波长的八分之一，其中波长是基波操作模式的波长，其可以被定义为λ＝c/f(其中c是声速并且f是发动机操作所处的频率)。
图10示出了根据本公开的一些方面的连接的脉冲燃烧器1000a、1000b、1000c和1000d的阵列。脉冲燃烧器1000b的燃烧室分别借由连接管1050b和连接管1050c与脉冲燃烧器1000a的燃烧室和脉冲燃烧器1000c的燃烧室流体连接。脉冲燃烧器1000c的燃烧室分别借由连接管1050c和连接管1050d与脉冲燃烧器1000b的燃烧室和脉冲燃烧器1000d的燃烧室流体连接。连接管1050a和连接管1050e分别与脉冲燃烧器1000a和脉冲燃烧器1000d流体连接，并且以虚线示出以指示出它们可以以连续阵列被连接到其它脉冲燃烧器，或者可以在阵列不包含任何进一步的相邻脉冲燃烧器的情况下被终止(封闭)。图10示出了出于说明目的的四个脉冲燃烧器，但是本公开的范围包括任何数量的脉冲燃烧器，如果存在两个或更多个的话。例如，在一些实施例中，可以使用2-10个脉冲燃烧器，或者可以使用多于10个脉冲燃烧器。
如上面讨论的，脉冲燃烧器在燃烧室中产生压力振荡和入口管和排气管中的流动振荡。这些振荡的频率被表示为“f”，其指的是发动机内每秒燃烧事件的数量，即发动机的操作频率，其等于(或接近)基波(第一)模式的频率，这是发动机的主要驱动力。在大多数发动机中，基波的频率在大约50-250Hz之间。脉冲燃烧器内的平均声速被表示为“c”。可以使用公式λ＝c/f来计算被表示为“λ”的对应波长。
连接管、例如图8中的连接管850的长度被表示为“1”，并且该长度可以显著短于波长λ。在数学符号中，l<<λ。在一些实施例中，l＜λ/8或小于λ的12.5％。
如上面讨论的，脉冲燃烧器可以被建模为亥姆霍兹共振器和四分之一波管或六分之一波管的组合。孤立的单脉冲燃烧器将通常具有稳定的振荡模式。脉冲喷气机可以具有许多不同模式及其对应的频率和波长，但是发动机背后的主要驱动力和承载最大能量的主要驱动力是基波(第一)模式。得到激发的其他模式(第二、第三等)包含比基波更少的能量，并且可以被视为被叠加在基波上的滋扰。因此，出于讨论发动机的基本操作及其相对于其他发动机的行为(例如，同相、反相)的目的，最相关的模式是基波，因此，如本文所讨论的稳定模式的频率和波长是基波的频率和波长。实际上，发动机的频率(f)是每秒燃烧事件的数量，这个频率大约是基波模式的频率，并且可以容易地被测量。对应的波长是λ＝c/f(c是声音的速度)。
这种稳定的振荡模式是由于亥姆霍兹共振器(燃烧室和入口管的组合)的自然振荡模式和四分之一波管或六分之一波管(排气管)的基波模式。因此，脉冲燃烧器的稳定操作频率与假设的亥姆霍兹共振器和四分之一波管或六分之一波管的基频有关。因此，脉冲燃烧器的操作波长λ有时可以近似为由脉冲燃烧器的燃烧室和入口管组成的亥姆霍兹共振器的操作波长，例如在“A new acoustic model for valveless pulsejets and itsapplication for optimization thrust”,F.Zheng et al.,J.Eng.Gas Turbines Power130(4),041501(Apr 28,2008)中讨论的。本领域技术人员将知道如何计算该波长。如上面讨论的，亥姆霍兹共振器的 并且对应的波长可以被计算为λ＝c/f。(假设的亥姆霍兹共振器的)该波长可以被用于近似连接管的最大允许长度。
如果两个脉冲燃烧器在其燃烧室处经由连接管彼此连接，则存在多于一种可能的振荡模式。如果允许气体通过连接管移动，则可能导致具有较高频率的振荡模式。这是因为连接管可以为气体逸出并进入燃烧室提供额外的通道。这继而可以导致燃烧室的更快的排空和填充，这对应于更高的操作频率。
在一些实施例中，连接管(例如，图8中的连接管850)的长度远小于波长λ(例如，小于λ的约12.5％)，并且如果脉冲燃烧器以其自然的、非耦合的操作频率但是同相地操作，则连接管将不允许来自燃烧室的任何气体或将任何气体排出至燃烧室中。这是两个或更多个脉冲燃烧器的耦合系统的稳定操作模式(例如，如图8中示出的)，如已经通过实验验证的，例如如图11A中示出的。
解释上述现象的一种方法是考虑可以近似为亥姆霍兹共振器(即，燃烧室和入口管)的脉冲燃烧器的部分。亥姆霍兹共振器经常被分析为电气组件的类似物；特别地，腔室类似于电容器，并且入口管类似于电感器。此外，流体压力类似于电压，并且流体的体积速度类似于电流。使用该类似，亥姆霍兹共振器可以被分析为电路，包括串联的电容器和电感器，例如，如图9中示出的。本领域技术人员将知道如何计算这种电路的频率和模式形状即解决方案的形式。用于计算这种系统的模式/频率的示例性方法在例如由H.John Pain和Patricia Rankin(John Wiley&Sons,Ltd.)的“Introduction to Vibrations and Waves”中进行了讨论。如上面讨论的，图8中的连接管850与波长λ相比而言较短，并且出于这个原因，其类似于图9中的电感器960。
诸如图9中示出的亥姆霍兹共振器952或亥姆霍兹共振器952'的单个孤立的亥姆霍兹共振器具有基波振荡模式，其中(燃烧)室压力(或以类似的术语，跨电容器两端的电压)以可计算的恒定频率正弦变化。如果两个亥姆霍兹共振器经由短管在其腔室处被连接，例如如图8中示出的(并且类似的，图9)，则基波振荡模式指示(燃烧)室压力正弦且同相地变化。这可以由本领域技术人员使用分析或数值方法进行验证。其中气体跨连接管850传输的其他操作模式对应于较高的频率，并且因此不是由系统优选的(这是因为它们是不符合单个孤立的脉冲喷气发动机的自然操作模式的操作模式)。前述电声类似的说明不考虑排气管(不存在针对排气管的简单电气类似物)，但是还对排气管进行建模的更详细的电路将产生相同或类似的结果，换句话说，基波模式通常需要两个脉冲燃烧器(或两个类似电路)同相操作。已经通过实验验证了，仅使用亥姆霍兹共振器的分析足以解释和预测脉冲燃烧器之间的相位关系。
而在理想情况下，在优选的(稳定的)操作模式中，在燃烧室(例如，图8中的燃烧室802和802')之间不会通过连接管(例如图8中的连接管850)交换气体，非理想效果(诸如粘度)可能会导致与该理想行为的偏离。然而，即使当与理想行为存在偏离时，连接两个脉冲燃烧器的燃烧室的长度远小于λ的管(例如，如图8中示出的)可以导致脉冲燃烧器以同相操作，这是因为这种操作模式使经由连接管的燃烧室之间的气体交换最小化。
在标准脉冲喷气机中，以恒定速率/压力供应燃料。装置的脉动性质是由于装置中的声波动引起的。燃烧需要燃料和空气，并且在不断地(或以恒定压力)供应燃料的同时，空气仅在压力/声循环的进气部分期间周期性地摄入，并且因此燃料组合只会周期性地出现，导致定期燃烧，这激励发动机中的驻波/模式。燃料可以被脉动至发动机中，但这通常仅用于提高燃料经济性，而不是用于影响发动机的脉动操作。像这样，发动机的脉动性质是由于发动机的声波/模式特性而造成。
单个脉冲喷气发动机具有其对应的频率和压力分布的特性操作(基波)模式，并且构建燃料喷射系统以激励该模式，即发动机的基本操作。如果两个这样的发动机使用短管道连接在一起，则它们可以以多种方式操作。如果发动机以反相操作(使用短管道连接)，则当发动机1处于其循环的正压部分时，发动机2将处于其循环的负压部分，并且空气将务必从发动机1流到发动机2。这种额外的空气流入和流出发动机从根本上改变了单个发动机操作所处于的振荡模式、频率和压力分布，并且原始燃料喷射系统被设计为激励，这是为什么这种操作模式(反相)不会是这种发动机的首选操作模式。事实上，除了最初设计发动机操作处于的操作模式之外的任何操作模式将不是该发动机的优选操作模式。在一些实施例中，当两个发动机通过短管道连接时，可以保证以原始模式操作的唯一方法是不存在空气流经连接管道，并且仅当发动机同相锁定时才可能。当发动机同相操作时，发动机1和发动机2两者同时具有其正和负压力循环。在任何时候，跨两台发动机不存在压力差，并且因此没有空气将通过连接管道流入或流出任何一个发动机，这允许发动机就像它们孤立地操作、即处于相同模式一样。这就是为什么通过短管道连接的两台发动机将更愿意自然而然地同相锁定，这是因为这两台发动机都是以发动机被设计操作处于的模式操作的。
因此，在一些实施例中，为了实现同相操作的两个发动机，目标是以这样的方式连接两个发动机：连接有效地充当所期操作模式中的封闭端。因此，如果同相操作是所期的，则当发动机同相操作时，连接管道应当有效地是封闭端，不允许任何气体流动。在一些实施例中，连接管将引起发动机的同相操作，而不管燃料如何被喷射(例如恒定或脉动的)。
在一些实施例中，连接管(例如，图8中的连接管850)可以具有大约是入口管804(或入口管804')的直径的一半的直径。在一些实施例中，连接管(例如，图8中的连接管850)具有小于入口管的直径的直径。在一些实施例中，连接管(例如，图8中的连接管850)的直径应当足够大以对脉冲燃烧器具有明显的影响，但是足够小以不影响脉冲燃烧器的操作的基波性质。
在一些实施例中，两个或更多个脉冲燃烧器同相操作。在一些应用中，诸如涉及上面描述的VTOL飞机的那些，需要脉冲燃烧器的阵列，并且控制脉冲燃烧器(或脉冲喷气发动机)的相对相位的能力对于跨一个或多个阵列创建可预测的力分布并且在一个或多个燃烧器阵列周围创建可预测的声压场以控制/降低噪声水平是必不可少的。
虽然前述描述和说明讨论了两个脉冲燃烧器，但是可以将解释扩展到两个以上相同脉冲燃烧器的阵列。在一些实施例中，如果阵列中的每个脉冲燃烧器的燃烧室借由使用针对连接管850(l<<λ)描述的相同的设计标准的短连接管连接到相邻脉冲燃烧器的燃烧室，则可以同相地操作多于两个相同脉冲燃烧器的阵列，例如如图10中示出的。
图11A示出了根据本公开的一些方面的同相操作的两个燃烧器的归一化压力对时间的曲线图。曲线图从图11B中示出的实验腔室获得。图11B示出了用于获得图11A中示出的结果的每个发动机的尺寸。
如图11A中看出的，发动机1和发动机2展示出非常紧密排列的正弦或近似正弦压力分布。该分布展示出几乎没有的粗糙度。
图12A示出了根据本公开的一些方面的具有以反相操作的两个脉冲燃烧器1200和1200'的脉冲燃烧器布置。在图12A中，脉冲燃烧器1200包括连接到燃烧室1202的入口管1204。燃烧室1202还被连接到排气管1206。还存在位于入口管1204中的燃料喷射器1208，但是燃料喷射器1208的其他位置和几何形状也是可能的。例如，还可以将燃料喷射器1208放置在燃烧室1202中。火花塞1210可以位于燃烧室1202中以用于启动发动机。也可以使用任何其他点火装置(诸如电热塞)来代替火花塞。
脉冲燃烧器1200'可以包括被连接到燃烧室1202'的入口管1204'。燃烧室1202'也被连接到排气管1206'。还存在位于入口管1204'中的燃料喷射器1208'，但燃料喷射器1208'的其他位置和几何形状也是可能的。例如，也可以将燃料喷射器1208'放置在燃烧室1202'中。火花塞1201'位于燃烧室1202'中以用于启动发动机。也可以使用任何其他点火装置(诸如电热塞)来代替火花塞。脉冲燃烧器1200'具有与脉冲燃烧器1200相同的物理尺寸。连接管1251将燃烧室1202与燃烧室1202'连接。连接管1251与燃烧室1202和燃烧室1202'流体连接。图12A中的连接管1251被示出为弯曲的(u形的)，但是连接管1251的确切形状对于如本文描述的脉冲燃烧器的操作不是关键的。
在一些实施例中，连接管1251的长度可以是脉冲燃烧器(例如1200、1200')的稳定操作模式的波长λ的一半。换句话说，在一些实施例中，连接管1251的长度标称为λ/2。
在一些实施例中，连接管1251的长度为波长的一半，λ/2(具有这种长度的管经常被称为声学“半波管”)。如果允许气体通过连接管1251移动，则其将导致与发动机优选在自然地(孤立地)操作的振荡模式不同的振荡模式。这是因为连接管为气体逸出和/或进入燃烧室提供了额外的通道，这导致更快或更慢的排空和填充燃烧室，这对应于与单个发动机的自然的、孤立的振荡模式不同的振荡模式。在一些实施例中，如果脉冲燃烧器以其自然的、孤立的操作模式/频率但是以反相(180°异相)操作，则连接管1251将不会允许来自燃烧室的任何气体或将任何气体排出到燃烧室中。这是耦合系统的稳定操作模式，如已经通过实验验证的，例如，如图13A中示出的。发动机通过36英寸长、0.25英寸直径的管连接。
换句话说，稳定模式通常是其中连接管(例如，图12A的1251)与燃烧室(例如，图12A的1200和1200')不交换气体的模式。在一些实施例中，该稳定模式对应于其中长度为λ/2的连接管(例如，图12A的1251)容纳半周期波并且脉冲燃烧器(例如，图12A的1200、1200')的燃烧室(例如，图12A的1202、1202')在连接管(例如，图12A的1251)的任一端施加反相压力振荡的情况。在一些实施例中，连接管(例如，图12A的1251)的端部构成压力波腹，并且连接管(例如，图12A的1251)的中心构成压力波节。然后声学原理意味着连接管端部处的速度波节，如图12C中示出的，这意味着没有气体与燃烧室交换。
在理想情况下，在燃烧室(例如，图12A中的燃烧室1202和1202')和连接管(例如，图12A中的1251)之间不会交换气体，诸如粘度的非理想效果可能会导致与理想行为的偏离。然而，即使当与理想行为存在偏离时，连接两个脉冲燃烧器(例如，图12A中的脉冲燃烧器1200和1200')的燃烧室(例如，图12A中的燃烧室1202和1202')的具有长度为λ/2的管将致使脉冲燃烧器以反相操作，这是因为这种操作模式使连接管和燃烧室之间的气体交换最小化。
在一些实施例中，如果以反相操作的两个发动机是所期构造，则发动机需要与半波管连接。从短连接管(长度小于约λ/8)开始，随着连接管的长度增加，然后最终连接管本身将变得足够长以能够在其本身中吸收一些气体。例如，当连接管的长度与波长相比而言较短时(例如，小于约λ/8)，这样的管不能容纳任何波行为。然而，在一些实施例中，如果连接管较长(例如，长于约λ/8)，则其长度如与波长相比而言开始变得显著，并且因此该管可以开始容纳波行为，即它可以开始将其暴露在任何一端的波动内在化。在这种情况下，任意长度的长管将不会导致发动机以反相锁定。在一些实施例中，具有被仔细选择/优化的长度的管将导致发动机以反相锁定。
在一些实施例中，连接管道有效地是用于以反相操作的发动机的封闭端。例如，发动机1(1200)可以处于其循环的正压部分(例如，如图12B中示出的)。这在连接管1251以下发送正压脉冲。如果这个正压脉冲到达发动机2(1200')的循环的正压部分处，则没有气体将能够从连接管道1251进/出并且从发动机2出/进，这是因为连接管道1251的该端部1253处和发动机2 1200'中的压力相同。基本上，发动机2(1200')内的高压希望将空气发送到连接管道1251中，但是来自发动机1(1200)的正压脉冲到达的时间正好，并且对抗来自发动机2(1200')的高压(并且反之亦然)。这使得连接管道1251看起来像封闭端并产生反相操作。然而，这可能仅当连接管道1251的长度为波长的一半以使得脉冲被正确定时时才是可能的。
本文中讨论的一些实施例涉及设计两个脉冲喷气发动机以反相操作的脉冲喷气系统。在一些实施例中，从发动机1到发动机2的空气不存在泄漏，这是因为在发动机1的循环的正压部分处(当由发动机1发出脉冲时)，来自发动机2正压到达的时间正好以对抗进入连接管的任何流动，连接管允许脉冲双向行进，并且不断地使用来自一个发动机的压力来阻止从一个发动机到另一个的空气流动。
在一些实施例中，发动机将以反相操作，而不管燃料如何被喷射(例如恒定或脉动的)。
长管展示出它们自己的振荡模式，并且“半波管”具有其中端部在相对的压力下振荡的模式(例如，如下面的图12C中示出的)。在正确的连接管长度(例如λ/2)处，该模式(在连接管道中)的频率与个别发动机的频率相同，并且管端部处的压力波动保持任何气体不会进入或离开发动机，只要它们以反相操作，这就是为什么发动机偏向自然地以反相操作的原因。
在一些实施例中，连接管(例如，图12A中的连接管1251)可以具有大约为入口管1204(或入口管1204')的直径的大约一半的直径。在一些实施例中，连接管(例如，连接管1251)具有小于入口管(例如图12A中的入口管1204或1204')的直径的直径。在一些实施例中，连接管(例如，图12A中的连接管1251)的直径应足够大以对脉冲燃烧器(例如，图12A中的脉冲燃烧器1200或1200')具有明显的影响，但足够小以不影响脉冲燃烧器的操作的基波性质。在一些实施例中，连接管的直径凭经验确定。
在一些实施例中，其中两个脉冲燃烧器(例如，图12A中的1200、1200')经由连接管(例如，图12A中的连接管1251)连接而以反相操作的布置提供优于单个或常规脉冲燃烧器的优点。在一些实施例中，单脉冲燃烧器可以具有引起振荡流和压力变化的间歇操作。这可能会导致高噪声和振动水平。在一些实施例中，两个脉冲燃烧器180°异相操作，这导致由于一个脉冲燃烧器引起的振荡被由于另一个脉冲燃烧器的振荡对抗。在一些实施例中，两个脉冲燃烧器的反相振荡导致相消干涉，与单个常规脉冲燃烧器或两个非耦合脉冲燃烧器相比而言，这导致更少的振动和较低的噪声水平。
图13A是根据本公开的一些方面的来自具有以反相操作的两个脉冲喷气发动机的实验发动机室的归一化压力对时间的曲线图。在一些实施例中，反相抵消了人耳相对不敏感的低频基波分量。因此，在一些实施例中，反相导致信号幅度的急剧下降，但是提供额外的2-3dBA的感知到的噪声降低对修改的发动机噪声测量结果，在图14B中示出。然而，反相对降低振动水平具有显著的效果，其不能使用A-权重(A-weighting)来量化。
图13B是具有与图13A中示出的脉冲喷气发动机相同尺寸的具有单脉冲喷气发动机的实验发动机室的归一化压力对时间的曲线图。用于获得图13A-B中示出的数据的脉冲喷气发动机的尺寸与图11B中示出的脉冲喷气机的尺寸相同。图13B中示出的脉冲喷气发动机的测量使用在燃烧室处连接的压力传感器来进行。
图14A-C是根据本公开的一些方面的来自各种脉冲喷气发动机配置的麦克风信号(左侧)和左侧信号的快速傅里叶变换(FFT)的波形对时间的曲线图。图14A的左侧是来自单个未修改的脉冲喷气发动机的麦克风信号的波形对时间的曲线，给出了113.5dBA的水平处的噪声。图14A中的波形分布是粗糙的，并且在单个点火循环上包括多个尖峰。如图14A右侧的FFT图像中看出的，由于在第一个大峰值之后存在多个峰值，因此存在显著的谐波含量，指示了不期望的振荡模式。通常会出现高频含量和信号粗糙度，这是因为不受控制的燃烧过程激发了发动机内部的多个振荡模式，就像声管道一样。信号的粗糙度通常产生大多数感知到的噪声。典型的大型无阀脉冲喷气机以大约100Hz、人耳对此非常不敏感的低频电火，但是这些脉冲喷气机仍然被认为非常响亮，这是由于信号的粗糙度，这增加了显著的高频含量对人类可以听得很好的信号。图14A中示出的发动机的尺寸和设置与图7F中针对发动机中示出的那些相同。
用于噪声信号的FFT(快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform)，或本质上仅仅是傅立叶变换)指示跨频谱的能量分布。如果波形是完美的正弦，则FFT将在正弦的频率处显示单个峰值。但是相反，波形是锯齿状的，并且在点火循环的过程中显示多个峰值(例如，如图14A中示出的)，这意味着能量不仅仅处于基波模式(其大致对应于第一FFT峰值)，但是由于锯齿状和多峰化而引起能量也扩散到更高的频率中，导致了图14A中较高频率处的峰值。
图14B(左)是来自单个修改的脉冲喷气发动机的麦克风信号的波形对时间的曲线图，给出了106dBA水平的噪声。如图14B中看出的，信号的幅度显著低于图14A中的幅度；此外，右侧的FFT图示出了一个大的基波峰值，以及显著较小的附加峰值，指示出与图14A相比而言谐波/高频含量显著降低。与未修改的发动机相比而言，去除谐波/高频含量导致约7.5dBA的噪声降低，这是显著的降低。减少10dBA通常被接受为主观上地一半响亮。图14B中的发动机的尺寸与图7F中的发动机的尺寸相同，但是如图14D中示出的，发动机具有被附接到排气管/尾管的亥姆霍兹共振器。亥姆霍兹共振器的腔室容积为10.4in3并且高度为3英寸(例如，如上面图7D中示出的发动机)。图14E是具有如图14D中示出的亥姆霍兹共振器的发动机的照片。
在图14B中，FFT波形比图14A中看到的更平滑或“更清洁”，并且可以看出，高频含量已被大量地消除。这也可以在FFT中看到，其中较高频率处的峰值已经大大减小，并且只有很强的基波剩余，这指示出能量主要集中在单个频率处，导致了平滑的波形。
图14C(左)是来自以反相运行、给出了104.5dBA的水平处的噪声的双重修改的脉冲喷气发动机设置的麦克风信号的波形对时间的曲线图。如图14C中看出的，与图14B中的信号相比而言，以反相操作修改的发动机导致信号幅度的进一步降低。此外，如图14C中示出的，以反相操作修改的发动机导致约1.5dBA的附加噪声降低。此外，如图14C中示出的，以反相操作修改的发动机导致振动的显著降低。与单个未修改的脉冲喷气相比而言，图14C中示出的布置导致9dBA的噪声降低，这是显著的降低。
在图14C中，反相两台发动机的效果是引起基极/基波信号的破坏性抵消，并且在FFT曲线图中可以看出，基波分量/峰值本质上被消除，这是因为此——它本质上意味着几乎这个基极/基频处不再有能量，这是因为它已经被反相效果抵消了。在～400Hz处可以看到一个小的高频峰值。出现这个峰值是因为来自图14B的信号不是完美的正弦，它们接近于完美的正弦，但实际上并不完美，并且缺陷使信号无法完美抵消。结果是一些高频含量存活并且实际上可以增加以产生一些较高频率的小峰值，这在图14C中看到。然而，总噪声水平仍然降低，并且随着修改的信号(图14B)的质量改善，抵消的质量改善并且任何更高频率峰值的可能性降低。在图14C中，两个相同的发动机(例如，每个如图14B中示出的)经由42英寸长、0.25英寸直径的管连接以用于反相操作。
图14F包括用于两个以反相操作的发动机的噪声测量的实验设置的两个视图。
本文描述的主题可以在数字电子电路中、或在计算机软件、固件或硬件中被实施，包括在本说明书中公开的结构装置及其结构等同物、或它们的组合。本文描述的主题可以被实施为一个或多个计算机程序产品，诸如有形地体现在信息载体中(例如，在机器可读存储装置中)、或者体现在传播信号中的一个或多个计算机程序，用于由数据处理装置(例如，可编程处理器、计算机或多台计算机)执行或者控制其操作。计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序或代码)可以以任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，并且可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为适合在计算环境中使用的模块、组件、子例程或其他单元。计算机程序不一定对应于文件。程序可以被存储在保持其他程序或数据的文件的一部分中、专用于所讨论的程序的单个文件中、或多个协调文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件)中。可以将计算机程序部署为在一个计算机上或在一个站点或跨多个站点分布并由通信网络互连的多个计算机上执行。
在本说明书中描述的包括本文描述的主题的方法步骤的过程和逻辑流程可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器执行，以通过对输入数据和产生输出操作来执行本文描述的主题的功能。处理和逻辑流程也可以由专用逻辑电路执行，并且本文描述的主题的装置可以被实现为专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。
适合于执行计算机程序的处理器借由示例包括通用和专用微处理器以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元素是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器装置。通常，计算机还将包括或可操作地被耦接以从用于存储数据的一个或多个大容量存储装置(例如磁性、磁光盘或光盘)接收数据或传输数据到大容量存储装置或两者。适用于体现计算机程序指令和数据的信息载体包括所有形式的非易失性存储器，借由示例包括半导体存储装置(例如，EPROM、EEPROM和闪速存储装置)；磁盘(例如，内部硬盘或可移动磁盘)；磁光盘；以及光盘(例如，CD和DVD盘)。处理器和存储器可由专用逻辑电路补充或并入其中。
为了提供与用户的交互，本文描述的主题可以在具有显示装置(例如CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器的计算机上被实施，用于向用户和键盘和指针装置(例如，鼠标或轨迹球)，用户可以通过该装置向计算机提供输入。其他类型的装置也可以被用于提供与用户的交互。例如，提供应用户的反馈可以是任何形式的感觉反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈)，并且可以以任何形式接收来自用户的输入，包括声音、语音或触觉输入。
本文描述的主题可以在包括后端组件(例如，数据服务器)、中间件组件(例如，应用服务器)或前端组件(例如，具有图形用户界面或网络浏览器的客户端计算机，用户可以通过其与本文所述的主题的实施方式进行交互)，或这种后端、中间件和前端组件的任何组合。系统的组件可以通过数字数据通信的任何形式或介质、例如通信网络互连。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)，例如因特网。
可以设想的是，所要求的公开的系统、装置、方法和过程包括使用来自本文所述实施例的信息开发的变化和适应。本文描述的系统、装置、方法和过程的适应和/或修改可以由相关领域的普通技术人员执行。
在整个说明书中，其中将物品、装置和系统描述为具有、包括或包含特定组件，或者其中将过程和方法描述为具有、包括或包含特定步骤，可以设想的是，另外地，本公开的物品、装置和系统本质上由所述组件组成或由所述组件组成，并且存在根据本公开的过程和方法，其本质上由所述的处理步骤组成或由其组成。
应当理解，只要本公开保持可操作，执行某些动作的步骤或顺序的顺序就是无关紧要的。此外，可以同时进行两个或多个步骤或动作。
本文中提及的任何出版物、例如在背景技术部分中不是承认该出版物是关于本文提出的任何权利要求的现有技术。为了清楚起见，呈现了背景技术部分，并不意味着对于任何权利要求的现有技术的描述。
应当理解，所公开的主题在其应用上不限于结构的细节以及在以下描述中阐述或在附图中示出的组件的布置。所公开的主题能够具有其他实施例并且以各种方式被实践和执行。此外，应当理解，本文中使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被视为限制。
像这样，本领域技术人员将理解，本公开所基于的概念可以容易地用作设计其他结构、方法和系统的基础，用于执行公开的主题的若干目的。因此，重要的是，声称被视为包括这些等同的结构，只要它们不脱离所公开的主题的精神和范围。
虽然已经在前述示例性实施例中描述和说明了所公开的主题，但是应当理解，本公开仅借由示例进行，并且所公开主题的实施方式的细节的许多变化可以在不脱离所公开的主题的精神和范围的情况下，其仅由所附权利要求限定。

Claims (40)

1.一种脉冲燃烧器系统，包括：
第一脉冲燃烧器，其包括燃烧室、入口管、排气管和用于以燃料供应速率将燃料喷射到所述燃烧室中的第一燃料喷射器，其中所述第一脉冲燃烧器具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式；以及
以下至少一个：
用于测量所述燃料燃烧器内的压力的至少一个压力传感器，其中如果所述压力高于预定压力值，则所述至少一个压力传感器向控制器发送信号以调节对所述脉冲燃烧器的燃料供应速率，以减少所述一个或多个附加振荡模式的激发；以及
用于测量所述入口管处的第一流体速度的第一流体速度传感器和用于测量所述排气管处的第二流体速度的第二流体速度传感器，其中如果所述第一流体速度和/或所述第二流体速度高于预定流体速度值，则所述第一流体速度传感器和/或所述第二流体速度传感器向控制器发送信号以调节对所述脉冲燃烧器的燃料供应速率，以减少所述一个或多个附加振荡模式的激发。
2.根据权利要求1所述的脉冲燃烧器系统，包括用于将燃料喷射到所述燃烧室中的第二燃料喷射器。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的脉冲燃烧器系统，包括所述第一压力传感器，其中如果所述压力高于所述预定压力值，则所述至少一个压力传感器向所述控制器发送信号以调节对所述脉冲燃烧器的燃料供应速率，以减少所述一个或多个附加振荡模式的激发。
4.根据权利要求3所述的脉冲燃烧器系统，其中所述第一压力传感器减少所述一个或多个附加振荡模式的第一附加振荡模式的激发，所述第一压力传感器位于所述第一附加振荡模式的压力波腹处。
5.根据权利要求4所述的脉冲燃烧器系统，其中所述燃料供应速率对应于所述基波振荡模式的频率，其中所述控制器将第一脉动分布叠加在所述燃料供应速率上，所述第一脉动分布对应于所述第一附加振荡模式的第一频率。
6.根据权利要求4所述的脉冲燃烧器系统，其中所述控制器调节所述第二燃料喷射器的第二燃料供应速率以对应于所述第一附加振荡模式的第一频率。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的脉冲燃烧器系统，包括所述第一流体速度传感器和所述第二流体速度传感器中的至少一个，其中如果所述第一流体速度和所述第二流体速度中的至少一个高于所述预定流体速度值，则所述第一流体速度传感器和所述第二流体速度传感器中的至少一个向所述控制器发送信号以调节对所述脉冲燃烧器的燃料供应速率，以减少所述一个或多个附加振荡模式的激发。
8.根据权利要求7所述的脉冲燃烧器系统，其中所述第一流体速度传感器和所述第二流体速度传感器中的至少一个减少所述一个或多个附加振荡模式的第二附加振荡模式的激发，所述第一流体速度传感器和所述第二流体速度传感器中的至少一个位于所述第二附加振荡模式的速度波腹处。
9.根据权利要求7-8中任一项所述的脉冲燃烧器系统，其中所述第一速度传感器位于所述入口管处，并且所述第二速度传感器位于所述排气管处。
10.根据权利要求8-9中任一项所述的脉冲燃烧器系统，其中所述燃料供应速率对应于所述基波振荡模式的频率，其中所述控制器将第二脉动分布叠加在所述燃料供应速率上，所述第二脉动分布对应于所述第二附加振荡模式的第二频率。
11.根据权利要求8-9中任一项所述的脉冲燃烧器系统，其中所述控制器调节所述第二燃料喷射器的第二燃料供应速率以对应于所述第二附加振荡模式的第二频率。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的脉冲燃烧器系统，包括被调谐到所述一个或多个附加振荡模式中的第三个的第三频率的共振器，所述共振器衰减所述第一脉冲燃烧器的操作的第三频率。
13.根据权利要求12所述的脉冲燃烧器系统，其中所述共振器是亥姆霍兹共振器或四分之一波管。
14.根据权利要求12-13中任一项所述的脉冲燃烧器系统，其中所述共振器被附接到所述排气管。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的脉冲燃烧器系统，其中所述共振器位于所述第三附加振荡模式的压力波腹处。
16.一种脉冲燃烧器系统，包括：
如权利要求1-15中的任一项中被布置的第一脉冲燃烧器；
如所述第一脉冲燃烧器被布置的第二脉冲燃烧器；以及
将所述第一脉冲燃烧器连接到所述第二脉冲燃烧器的管，所述管在第一端处被附接到所述第一脉冲燃烧器燃烧室，并且在第二端处被附接到所述第二脉冲燃烧器燃烧室，其中所述管具有小于或等于所述基波振荡模式的波长的1/8的长度。
17.根据权利要求16所述的脉冲燃烧器系统，其中所述连接管的长度使得所述第一脉冲燃烧器和所述第二脉冲燃烧器同相操作。
18.根据权利要求16-17中任一项所述的脉冲燃烧器系统，其中所述连接管的长度在所述脉冲燃烧器系统的操作期间防止所述第一发动机和所述第二发动机之间的空气流动。
19.根据权利要求16-18中任一项所述的脉冲燃烧器系统，包括三个或更多个脉冲燃烧器，其中所述三个或更多个脉冲燃烧器中的每个如所述第一脉冲燃烧器被布置，并且其中每个脉冲燃烧器通过如所述连接管被布置的管被连接到所述三个或更多个脉冲燃烧器中的一个或两个脉冲燃烧器。
20.一种降低脉冲喷气系统中的噪声和/或振动的方法，包括：
由控制器控制对第一脉冲燃烧器的燃料供应速率，其中所述第一脉冲燃烧器包括第一燃烧室、第一入口管、第一排气管和用于将燃料喷射到所述第一燃烧室中的第一燃料喷射器，其中所述第一脉冲燃烧器具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式；并且
其中所述控制器响应于从以下中的至少一个接收到指示至少一个预定条件的发生的信号来调节对所述第一脉冲燃烧器的燃料供应速率以减少所述一个或多个附加振荡模式的激发：
至少一个压力传感器，其被附接到所述第一脉冲燃烧器以用于测量所述燃料燃烧器内部的压力，其中所述至少一个预定条件包括所述燃料燃烧器内部的测量出的压力超过预定阈值压力值；以及
至少一个流体速度传感器，其被附接到所述第一脉冲燃烧器以用于测量所述入口管处或所述出口管处的流体速度，其中所述至少一个预定条件包括在所述入口管处或所述出口管处的测量出的流体速度超过预定阈值流体速度值。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述控制器接收来自位于所述一个或多个附加振荡模式的第一附加振荡模式的压力波腹处的至少一个压力传感器的信号，其中所述控制器计算对应于所述第一附加振荡模式的第一频率的第一脉动分布以减少所述第一振荡模式的激发。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述控制器通过将所述第一脉动分布叠加在所述第一燃料喷射器的第一燃料供应速率上来调节对所述第一脉冲燃烧器的燃料供应速率。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一脉冲燃烧器包括用于将燃料喷射到所述燃烧室中的第二燃料喷射器，其中所述控制器通过调节所述第二燃料喷射器的第二燃料供应速率以对应于所述第一脉动分布从而调节对所述第一脉冲燃烧器的燃料供应速率。
24.根据权利要求20-23中任一项所述的方法，其中所述控制器接收来自位于所述一个或多个附加振荡模式的第二附加振荡模式的速度波腹处的至少一个速度传感器的信号，其中，所述控制器计算对应于所述第二附加振荡模式的第二频率的第二脉动分布以减少所述第二振荡模式的激发。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述控制器通过将所述第二脉动分布叠加在所述第一燃料喷射器的第一燃料供应速率上来调节对所述第一脉冲燃烧器的燃料供应速率。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一脉冲燃烧器包括用于将燃料喷射到所述燃烧室中的第三燃料喷射器，其中所述控制器通过调节所述第三燃料喷射器的第三燃料供应速率以对应于所述第二脉动分布从而调节对所述第一脉冲燃烧器的燃料供应速率。
27.一种降低脉冲喷气系统中的噪声和/或振动的方法，包括：
提供第一脉冲燃烧器，其中所述第一燃烧器包括第一燃烧室、第一入口管、第一排气管和用于将燃料喷射到所述第一燃烧室中的第一燃料喷射器，其中所述第一脉冲燃烧器具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式；并且
将至少一个共振器附接到所述第一脉冲燃烧器；并且
调节所述共振器的尺寸以调节所述共振器的共振频率以对应于所述一个或多个附加振荡模式的第一振荡模式的第一频率以减少所述第一振荡模式的激发。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述附接包括确定所述第一振荡模式的压力波腹的位置，并且将所述至少一个共振器附接在与所述第一振荡模式的压力波腹相对应的位置处。
29.根据权利要求27-28中任一项所述的方法，其中调节所述共振器的尺寸包括调节所述共振器的体积以减少所述第一振荡模式的激发。
30.根据权利要求27-28中任一项所述的方法，其中调节所述共振器的尺寸包括调节所述共振器的长度以减少所述第一振荡模式的激发。
31.根据权利要求27-30中任一项所述的方法，包括：
确定所述一个或多个振荡模式的第二振荡模式的压力波节的位置，其中所述第二振荡模式具有不同于所述第一频率的第二频率；
在与所述第二振荡模式的压力波腹对应的位置处将第二共振器附接到所述第一脉冲燃烧器；并且
调节所述第二共振器的尺寸以使所述第二振荡模式的激发最小化。
32.根据权利要求27-31中任一项所述的方法，包括通过具有第一端和第二端的管将第二脉冲燃烧器附接到第一脉冲燃烧器，所述第二脉冲燃烧器如所述第一脉冲燃烧器被布置，其中所述第一端被附接到所述第一燃烧室，并且所述第二端被附接到所述第二脉冲燃烧器的燃烧室，其中所述管具有小于或等于所述基波振荡模式的波长的1/8的长度。
33.一种降低脉冲燃烧器系统中的噪声和/或振动的方法，包括：
提供第一脉冲燃烧器，其包括第一燃烧室、第一入口管、第一排气管和用于将燃料喷射到所述燃烧室中的第一燃料喷射器；
提供第二脉冲燃烧器，其包括第二燃烧室、第二入口管、第二排气管和用于将燃料喷射到所述燃烧室中的第二燃料喷射器，其中所述第一脉冲燃烧器和所述第二脉冲燃烧器在孤立地操作时具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式；并且
通过将所述连接管的第一端附接到所述第一燃烧室并且将所述连接管的第二端附接到所述第二燃烧室来将所述第一脉冲燃烧器连接到所述第二脉冲燃烧器，其中所述连接管具有小于或等于等于所述基波振荡模式的波长的1/8的长度。
34.一种脉冲燃烧器系统，包括：
第一脉冲燃烧器，其包括燃烧室、入口管、排气管和用于以燃料供应速率将燃料喷射到所述燃烧室中的第一燃料喷射器，其中所述第一脉冲燃烧器具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式；以及
第一共振器，其被附接到所述第一脉冲燃烧器，所述第一共振器具有以下尺寸，其被选择为使得所述第一共振器的第一共振频率对应于所述一个或多个附加振荡模式的第一振荡模式的第一频率，其中所述第一共振器减少所述第一振荡模式的激发。
35.根据权利要求34所述的脉冲燃烧器系统，其中所述第一共振器在对应于所述第一振荡模式的压力波腹的位置处被附接到所述第一脉冲燃烧器。
36.根据权利要求35所述的脉冲燃烧器系统，包括被附接到所述第一脉冲燃烧器的第二共振器，所述第二共振器具有以下尺寸，其被选择为使得所述第二共振器的第二共振频率对应于所述一个或多个附加振荡模式的第二振荡模式的第二频率，其中所述第二共振器减少所述第二振荡模式的激发，其中所述第二共振器在对应于所述第二振荡模式的压力波腹的位置处被附接到所述第一脉冲燃烧器。
37.一种脉冲燃烧器系统，包括：
第一脉冲燃烧器，其包括第一燃烧室、第一入口管、第一排气管和用于将燃料喷射到所述燃烧室中的第一燃料喷射器；
第二脉冲燃烧器，其包括第二燃烧室、第二入口管、第二排气管和用于将燃料喷射到所述燃烧室中的第二燃料喷射器，所述第一脉冲燃烧器和所述第二脉冲燃烧器在孤立地操作时具有基波振荡模式和一个或多个附加振荡模式；以及
连接所述第一脉冲燃烧器燃烧室与所述第二脉冲燃烧器燃烧室的管，其中所述管具有小于或等于所述基波振荡模式的波长的1/8的长度。
38.根据权利要求37所述的脉冲燃烧器系统，其中所述第一脉冲燃烧器包括附接至其的第一共振器，并且所述第二脉冲燃烧器包括附接至其的第二共振器，所述第一共振器与所述第二共振器相同。
39.根据权利要求38所述的脉冲燃烧器，其中所述第一共振器和所述第二共振器中的每个具有以下尺寸，其被选择为使得所述第一共振器和所述第二共振器的共振频率对应于所述一个或多个附加的第一振荡模式的第一频率，其中所述第一共振器和所述第二共振器中的每个减少所述第一振荡模式的激发。
40.根据权利要求39所述的脉冲燃烧器，其中所述第一共振器在与所述第一振荡模式的压力波腹对应的第一脉冲燃烧器上的位置处被附接到所述第一脉冲燃烧器，并且其中所述第二共振器在与所述第一振荡模式的压力波腹对应的第二脉冲燃烧器上的位置处被附接到所述第二脉冲燃烧器。
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