CN115148179A - 一种气流消音装置设计方法及高超声速风洞气流消音装置 - Google Patents

一种气流消音装置设计方法及高超声速风洞气流消音装置 Download PDF

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CN115148179A CN202210824418.9A CN202210824418A CN115148179A CN 115148179 A CN115148179 A CN 115148179A CN 202210824418 A CN202210824418 A CN 202210824418A CN 115148179 A CN115148179 A CN 115148179A
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Abstract

本发明公开了一种气流消音装置设计方法及高超声速风洞气流消音装置，涉及噪声处理领域，包括：通过将声压的时域问题转换为频域问题，以得到相应的控制方程；根据加权残量法的系统方程推导方法，代入控制方程及其边界条件，推导得到声场仿真的系统方程；将系统方程应用于仿真软件的声学模块中，对风洞的环境温度、压强进行设置，并将风洞中纵截面作为气流消音面进行网格划分，声学模块基于有限元算法对各网格上的声压分别进行计算，并基于声压选择与各网格相对应的消音模块。本发明公开一种气流消音装置设计方法及高超声速风洞气流消音装置，以保证其设计的气流消音装置满足实际场景的应用需要。

Description

一种气流消音装置设计方法及高超声速风洞气流消音装置
技术领域
本发明涉及噪声处理领域。更具体地说，本发明涉及一种在密闭环境下对气流消音装置进行设计的方法，以及应用气流消音装置设计方法制备得到适应于高超声速风洞气流消音装置。
背景技术
消声原理也是利用吸声材料和护面材料及隔声材料设计成一定结构来降低噪声的一种方法。对所有的空气动力性噪声，噪声源采取消声治理后，要求既要有适宜的消声量（即声学性能），同时对设备的运行不能有明显的影响（即良好的空气动力性能）。
消声器是一种既能使噪声得到有效的衰减又能保证气流正常通过的一种设备，对于高超声速风洞来说，其原有的消音器包括为卧式多孔散流筒和阻性消声段组成，其中卧式多孔散流筒的主要作用在于将亚扩段出口的气流进行扩散开来，没有消音的作用，故对其不进行讨论，而原有的消声器采用阻性消声板（即板式结构的消音器），其缺点在于与气流接触的面积大，易在工作中产生撕裂，且不方便后期的维修。
另外，对于高超声速风洞来说，其是在一个密闭的环境下进行实验，其气流较大，为了保证其实验的效果通常需要对其内部的噪声进行控制，其控制的量不能对设备的运行以及实验有明显的影响，而现有的消音器在直接安装的时候，其消音效果通常依赖于人为经验以及估计，影响实验中对各参数的精准把握，进而使得实验效果不能满足精度控制的需要。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种气流消音装置的设计方法，包括：
步骤一，利用媒质中与声波相关的三个基本方程，推导在有源情况下空间中有关声压p的波动方程，通过将声压的时域问题转换为频域问题，以将波动方程转换得到相应的控制方程；
步骤二，在空间中的边界上，具有与控制方程相关的边界条件，根据加权残量法的系统方程推导方法，代入控制方程及其边界条件，推导得到声场仿真的系统方程；
步骤三，将系统方程应用于仿真软件的声学模块中，对风洞的环境温度、压强进行设置，并将风洞中纵截面作为气流消音面进行网格划分，声学模块基于有限元算法对各网格上的声压分别进行计算，并基于声压选择与各网格相对应的消音模块；
步骤四，在步骤三计算完成后，基于传递损失公式分析在各个频率下的传递损失值，以计算出消音模块的消声量，以对消音模块的消音效果是否满足要求进行验证。
优选的是，在步骤一中，所述三个基本方程被配置为包括媒质中声波的连续方程、运动议程和物态议程；
所述声压p的波动方程为：
Figure 542375DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 271034DEST_PATH_IMAGE002
为拉普拉斯算子，p代表声压，C0代表声速，
Figure 331394DEST_PATH_IMAGE003
代表求导数，
Figure 963364DEST_PATH_IMAGE005
表示媒质静态密度，q代表声源强度，t代表时间；
所述波动方程转换成控制方程的过程是将声源强度、声压引入至波动方程中得到对应的声波波动方程：
Figure 880504DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 129083DEST_PATH_IMAGE008
为在位置r处频域内的声压，
Figure 963440DEST_PATH_IMAGE010
为频率，
Figure 449916DEST_PATH_IMAGE011
为在位置r处频域内的声源强度，j代表空间的节点；
令声波波动方程中波数，消去，以得到只依赖于空间坐标的室内有源Helmholtz方程：
Figure 678903DEST_PATH_IMAGE012
。
优选的是，在步骤二，所述系统方程被配置为：
Figure 149199DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，所述K称为刚度矩阵，M称为质量矩阵，C称为阻尼矩阵，F称为载荷矩阵，
Figure 613678DEST_PATH_IMAGE015
为节点声压向量。
优选的是，在步骤四，所述传递损失公式为：
Figure 718775DEST_PATH_IMAGE016
；
其中，TL消声模块的为传递损失，A in为消声模块的入口截面积为，A out为消声模块的出口截面积，c为声速，P in为入口处的声压，P3为第三点处的声压。
一种应用气流消音装置设计方法制备得到的高超声速风洞气流消音装置，其特征在于包括：设置在风洞的亚扩段出口，并与风洞内侧壁相配合的阻性消声段；
其中，阻性消声段被配置为包括由消声元件构建的至少三级矩阵消声模块，在风洞中各级矩阵消声模块之间被配置为具有预定的间距。
优选的是，各级矩阵消声模块上分别设置有相配合的检修通道，且在空间上各级的检修通道被配置为呈错开布局。
优选的是，所述消声元件被配置为包括：
有效吸声长度不小于1.8m的吸声体，其上设置有穿孔率不小于20%的吸声孔；
填充在吸声体内部的吸声介质；
其中，所述吸声介质外部设置有防漏层，所述吸声介质的吸声系数被配置为不小于0.95。
优选的是，所述吸声体被配置为包括：
采用镀锌孔板围合构成多边形结构的吸声件；
分别设置在吸声件两端的圆弧形导流件；
其中，所述吸声件被配置为采用厚度不小于1mm的镀锌孔板，且所述镀锌孔板上的吸声孔的直径被配置为不小于3mm。
优选的是，各消声元件通过相配合的安装组件，以在风洞内部构建各级矩阵消声模块，所述安装组件被配置为包括：
相对设置在风洞底部内侧壁上的两根下梁；
设置在下梁上，并间隔预定距离的多根纵梁；
设置在纵梁上的多根横梁。
优选的是，还包括设置在风洞的亚扩段出口以及阻性消声段之间，并与风洞内侧壁相配合的减速稳流段，所述减速稳流段被配置为包括：
与风洞进风口内部结构相配合的锥形导流孔板；
设置在锥形导流孔板下游的开孔稳流板
本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明通过公开了一种气流消音装置的设计方法，其可以应用于现有的仿真声学模块，在输入相关参数后，可以对特定环境中消音装置中的消音效果进行模拟，并采用消声器的传递损失模型进行验证，以保证设计的消音装置满足使用需要。
其二，本发明提供一种高超声速风洞气流消音装置，其采用多级矩阵消声元件构成，化面为点，可以有效减小气流对消音元件的损伤，且多级的设计，能够满足高超声速风洞中对消音的需要，保证实验效果。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明空间边界条件示意图；
图2为本发明消声器的传递损失原理示意图；
图3为本发明消声装置的网格划分示意图
图4为本发明的消声装置在倍频程中心频率为63Hz情况下的模拟结果云图；
图5为本发明的消声装置在倍频程中心频率为125Hz情况下的模拟结果云图；
图6为本发明的消声装置在倍频程中心频率为250Hz情况下的模拟结果云图；
图7为本发明的消声装置在倍频程中心频率为500Hz情况下的模拟结果云图；
图8为本发明的消声装置在倍频程中心频率为1000Hz情况下的模拟结果云图；
图9为本发明的消声装置在倍频程中心频率为2000Hz情况下的模拟结果云图；
图10为本发明的消声装置在倍频程中心频率为4000Hz情况下的模拟结果云图；
图11为本发明的消声装置在倍频程中心频率为8000Hz情况下的模拟结果云图；
图12为本发明消声装置的横向截面示意图；
图13为本发明消声装置纵向截面示意图；
图14为本发明消声装置在风洞应用时的纵向截面示意图；
图15为本发明消声元件的主视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本项目利用声学有限元法对消声装置的声学性能进行仿真，所采用的仿真软件为COMSOL Multiphysics。COMSOL Multiphysics是一款以有限元理论为核心算法的多物理场仿真软件，由COMSOL公司出品。COMSOL最早是Matlab的一个工具箱（Toolbox），叫做Toolbox1.0。后来改名为Femlab 1.0（FEM为有限元，LAB是取用的Matlab），这个名字也一直沿用到Femlab 3.1。发展至今，COMSOL当前有一个基本模块和八个专业模块：结构力学模块(Structural Mechanics Module)、化学工程模块 ( Chemical Engineering Module)、热传递模块 ( Heat Transfer Module)、地球科学模块（Earth Science Module）、射频模块（RF Module）、AC/DC模块（AC/DC Module)、微机电模块 ( MEMS Module)、声学模块(Acoustics Module)。以及反应工程实验室（ COMSOL Reaction Engineering LAB)、信号与系统实验室（Signal&System LAB）、最优化实验室（Optimization LAB)、CAD导入模块（CAD Import Module)、二次开发模块（COMSOL ScriptTM)。
本次对消声装置进行消声装置降噪量的仿真模拟，模拟的工作主要利用COMSOL的声学模块完成，采用方法为有限元法。COMSOL声学模块具有强大的功能，可以快速、准确地模拟各类流体、固体中的声音传播，从而求解各类经典声学问题，例如声学散射问题、透射声问题、声辐射问题等。
一、利用媒质中与声波相关的三个基本方程，推导在有源情况下空间中有关声压p的波动方程，通过将声压的时域问题转换为频域问题，以将波动方程转换得到相应的控制方程；
对于本发明声学模块的设计来说，对于一个特定空间内的声学问题，假定在空间内位置r处存在一个声源，它在单位时间内向单位体积内的空间提供了
Figure 118664DEST_PATH_IMAGE017
的媒质质量。根据质量守恒定律，媒质中声波的连续方程可写为：
Figure 76256DEST_PATH_IMAGE018
； (1)
式中
Figure 750951DEST_PATH_IMAGE019
为媒质密度增量，
Figure 539915DEST_PATH_IMAGE020
表示媒质静态密度，q为q(r,t）的简写，
Figure 674487DEST_PATH_IMAGE022
为媒质质点速度，t表示时间，div为散度算子在三维空间笛卡尔坐标系中，
Figure 791478DEST_PATH_IMAGE023
。
除了连续性方程之外，用来描述媒质声波的基本方程还有两个，它们不受声源的影响，分别为运动方程：
Figure 535443DEST_PATH_IMAGE024
(2)
和物态方程：
Figure 444493DEST_PATH_IMAGE025
(3)
上两式中，p代表声压，
Figure 982922DEST_PATH_IMAGE027
代表声速，grad为梯度算子在三维空间笛卡尔坐标系中，
Figure 351324DEST_PATH_IMAGE028
。
利用与推导无源波动方程相类似的方法，由媒质中声波的三个基本方程可以得到有源情况下空间中有关声压p的波动方程：
Figure 633401DEST_PATH_IMAGE029
(4)
式中为拉普拉斯算子，在三维空间笛卡尔坐标系中，
Figure 69062DEST_PATH_IMAGE030
。
当声源作简谐振动时，声源强度q(r,t）可以表示为
Figure 106288DEST_PATH_IMAGE031
(5)
式中
Figure 463451DEST_PATH_IMAGE033
为频率，
Figure 773386DEST_PATH_IMAGE034
为在位置r处频域内的声源强度。
由于通常将空间声场作为线性系统考虑，因此空间内部各点的声压的频率与声源相同，声压可以表示为：
Figure 329132DEST_PATH_IMAGE035
(6)
式中
Figure 209363DEST_PATH_IMAGE036
为在位置r处频域内的声压。
将式（5）及式（6）代入式（4）中，可得到简谐声源激励下的声波波动方程为：
Figure 912877DEST_PATH_IMAGE037
(7)
令式中
Figure 536756DEST_PATH_IMAGE039
，称其为波数，并且消去
Figure 648807DEST_PATH_IMAGE040
，即可得到只依赖于空间坐标的那部分方程，即室内有源Helmholtz方程：
Figure 699939DEST_PATH_IMAGE041
(8)
这样就将声压的时域问题转换为频域问题，式（8）即为计算模型的控制方程。
二、在空间中的边界上，具有与控制方程相关的边界条件，根据加权残量法的系统方程推导方法，代入控制方程及其边界条件，推导得到声场仿真的系统方程；
在空间中有两种最常见的边界，即刚性壁面和吸收壁面。如图1的空间边界条件示意图所示，设一封闭空间D，体积为V，内壁总面积为S，其中，B1为刚性壁表面、B2为吸收壁表面。则在边界上与有源Helmholtz方程对应的边界条件分别为：
B1边界上：
Figure 890749DEST_PATH_IMAGE042
(9)
B2边界上：
Figure 318319DEST_PATH_IMAGE043
(10)
式中n为封闭空间壁面外法线方向，
Figure 786341DEST_PATH_IMAGE044
称为比声阻抗，满足下式：
Figure 775419DEST_PATH_IMAGE045
(11)
式中Z为界面声阻抗。
根据Galerkin型加权残量法的系统方程推导方法，设试函数为，代入有源Helmholtz方程及其边界条件，将产生残量和，
Figure 453525DEST_PATH_IMAGE046
(12)
Figure 622469DEST_PATH_IMAGE047
(13)
根据伽辽金法确定权函数，有
Figure 7314DEST_PATH_IMAGE048
(14)
由格林第一公式
Figure 400249DEST_PATH_IMAGE049
(15)
式（14）可以简化为
Figure 565651DEST_PATH_IMAGE050
(16)
在声场中任意一点的声压可用各节点声压来表示，即
Figure 833560DEST_PATH_IMAGE051
(17)
式中为节点i处的形函数，为节点i处的声压。
将式（17）代入式（16)，可得
Figure 10594DEST_PATH_IMAGE052
(18)
式中为形函数的导数矩阵，其表达式为：
Figure 840010DEST_PATH_IMAGE053
(19)
整理式（18)，可得到
Figure 758287DEST_PATH_IMAGE054
(20)
令
Figure 3455DEST_PATH_IMAGE055
(21)
Figure 864357DEST_PATH_IMAGE056
(22)
Figure 926991DEST_PATH_IMAGE057
(23)
Figure 473510DEST_PATH_IMAGE058
(24)
其中K称为刚度矩阵，M称为质量矩阵，C称为阻尼矩阵，F称为载荷矩阵。
最后，将式（21)、(22)、(23)、(24）代入式（20)，可得到
Figure 850265DEST_PATH_IMAGE013
(25)
此式即为声场仿真的系统方程，式中的p为节点声压向量。根据此式可以得到声场中任意一点的声压，从而进一步获得所需要的声场参数。
三、将系统方程应用于仿真软件的声学模块中，对风洞的环境温度、压强进行设置，并将风洞中纵截面作为气流消音面进行网格划分，声学模块基于有限元算法对各网格上的声压分别进行计算，并基于声压选择与各网格相对应的消音模块，在这个过程中可以通过将各级看成是一个面，对每个面上的消音元件进行布局设计，设计后再通过验证的方式对其是否满足要求进行测试，同时各消音元件也可以进行网格划分，以对每个消音元件的消音量进行设计和验证，保证其消音效果满足使用的要求；
本发明的计算模型，模型根据前面设计方案进行绘制。模型四周边界以硬壁面来假设，环境温度和压强按照各系统实际情况设置。计算时计算采用声学模块有限元法进行，计算前对每个模型进行网格划分，消声装置网格划分示意如图3所示。消声装置采用分段式设置，共设置三段，每段消声器长度为2m，每段消声器设置12X10个矩阵消声元件，通流率为60%,各段消声器之间间隔1m空气层。进口边界：流速进口，排气流量247kg/s，气流速度15m/s，气流温度200℃（排气温度）；出口边界：压力出口（标准大气压）。
计算完成后分析消声器在各个频率下的传递损失值，并推导计算出各个系统消声器的消声量。
四、在步骤三计算完成后，基于传递损失公式分析在各个频率下的传递损失值，以计算出消音模块的消声量，以对消音模块的消音效果是否满足要求进行验证；
对于本发明消声器的传递损失建模原理来说，传递损失是消声器声学性能的一个重要特征参数，是一个消声器本身的固有特性，其数值可以用来作为消声器性能的评价标准。通常情况下，我们认为传递损失值越大，消声器的消声性能越好。其定义为消声元件入口处的入射声功率级和出口处的透射声功率级之差。
消声器传递损失计算原理如图2所示，声波在消声器内传播时，可用声波方程来表示：
Figure 1891DEST_PATH_IMAGE059
(26)
通常，该偏微分方程的解的形式为：
Figure 501006DEST_PATH_IMAGE060
(27)
式中
Figure 298935DEST_PATH_IMAGE061
为波数，c为声速，
Figure 885906DEST_PATH_IMAGE062
为频率。对于谐响应，在入口处的声压p和质点振速v可以写为
Figure 219935DEST_PATH_IMAGE063
(28)
Figure 889951DEST_PATH_IMAGE064
Figure 614324DEST_PATH_IMAGE065
(29)
忽略
Figure 568767DEST_PATH_IMAGE066
，在入口x=0处定义质点振动速度为1，有
Figure 819620DEST_PATH_IMAGE067
(30)
因此有
Figure 332641DEST_PATH_IMAGE069
，由于在入口处x=0，带入声压关系式，有
Figure 809890DEST_PATH_IMAGE070
(31)
由此可以推出
Figure 128875DEST_PATH_IMAGE071
(32)
在出口x=L处，声压和质点振速分别为：
Figure 171918DEST_PATH_IMAGE072
(33)
Figure 292058DEST_PATH_IMAGE073
(34)
对于消声器的传递损失计算，在出口处通常都是定义无反射边界条件，声阻抗等于
Figure 787762DEST_PATH_IMAGE075
，同时，由于没有反射波，
Figure 910439DEST_PATH_IMAGE076
；
所以有
Figure 807987DEST_PATH_IMAGE077
(35)
由于消声器的传递损失定义为入口入射声功率级与出口辐射声功率级之差，所以定义消声器入口截面积为A in，出口截面积为A out，则入口和出口平面声波的声功率为
Figure 866073DEST_PATH_IMAGE078
(36)
则消声器传递损失为
Figure 176969DEST_PATH_IMAGE079
(37)
在计算中，得到的应该是入口处的声压
Figure 23045DEST_PATH_IMAGE080
，为了计算方便，此公式还可以进一步细化，将式（32）代入式（37)，有
Figure 775100DEST_PATH_IMAGE081
(38)
五、对于本发明的计算结果，消声装置采用分段式设置，共设置三段，每段消声器长度为2m，每段消声器设置12*10个矩阵消声元件，通流率为60%,各段消声器之间间隔1m空气层，每段消声装置设置独立检修通道，消声装置示意图如12所示，在模型环境计算温度为200℃的情况下消声装置消声量计算结果如表1所示：
Figure 269667DEST_PATH_IMAGE082
表1
同时模型在各倍频程中心频率下的计算截图如图4－图11所示，噪声计算结果如表2所示：
Figure 802279DEST_PATH_IMAGE083
表2
从表2所示的结果来看，排气消声器对于噪声的降低具有非常明显的效果，特别是在中高频段，甚至可以在理论上消除500Hz至4000Hz范围内大部分的声音。在低频段虽然效果较高频段稍弱，但是仍然使原始的噪声得到了大大降低。
另外在实际项目测试结果中，500Hz至4000Hz范围内的噪声没有理论上的降噪量大，但根据多年的降噪设计、施工经验，风洞的小孔排气段出口噪音如果在110dB（A）左右，那么在消声器出口的噪音降到≤85dB（A）（出口排气气流1米处测量）完全是没有问题的，符合设计要求。
将设计的消声装置应用于高超声速风洞，如图13所示，在原有风洞位置安装新消声器，在消声器出口噪音≤85dB（A）（出口排气气流1米处测量，小孔排气段出口噪音约为110dB（A）），消声器整体最大压力损失≤500Pa。
具体来说，实现上述目的消声装置如图12－图15所示，包括：设置在风洞的亚扩段出口，并与风洞内侧壁相配合的阻性消声段1；
其中，阻性消声段被配置为包括由消声元件10构建的至少三级矩阵消声模块11，在风洞中各级矩阵消声模块之间被配置为具有预定的间距，这里的预定的间距为0.8-1m；
各级矩阵消声模块上分别设置有相配合的检修通道12，且在空间上各级的检修通道被配置为呈错开布局，在实际应用时，检修通道靠近下层，其在空间上呈错位排列，提高消声器后期检修的工作效率，同时还可以作为风道使用；
所述消声元件被配置为包括：
有效吸声长度不小于1.8m的吸声体13，其上设置有穿孔率不小于20%的吸声孔130；
填充在吸声体内部的吸声介质（未示出）；
其中，所述吸声介质外部设置有防漏层（未示出），所述吸声介质的吸声系数被配置为不小于0.95，在实际的应用时，吸声体有效吸声长度不小于1800mm，吸声体内吸声材料采用32Kg/m声离心玻璃棉，NRC-0.95，装填充实、均匀。玻璃棉用无碱玻纤布（防漏层）完全包裹，防止在使用过程中产生漏棉现象，在保证设备的消音效果的同时，保证设备的稳定性。
所述吸声体被配置为包括：
采用镀锌孔板围合构成多边形结构的吸声件131；
分别设置在吸声件两端的圆弧形导流件132；
其中，所述吸声件被配置为采用厚度不小于1mm的镀锌孔板，且所述镀锌孔板上的吸声孔的直径被配置为不小于3mm，在实际的应用中，吸声体穿孔板采用不小于1mm镀锌孔板，穿孔直径为3mm，穿孔率不小于20%，圆孔呈正三角形排列。镀锌孔板围成300mm三角形排列。圆弧形导流件在转角处采用联合角咬边，吸声体与圆弧形导流装置采用不锈钢铆钉铆接。消声器元件底部放置在支撑梁上，在消声器墙体处采用角钢支撑，顶部采用槽钢连接，采用内六角螺栓M1O将消声器紧固在支撑梁、角钢和槽钢上，即在实际的应用中，可以直接将消音装置安装于风洞中，也可以将其安装于配合的矩形贯穿结构的墙体中，当然的直接安装更具有便利性。
各消声元件通过相配合的安装组件2，以在风洞内部构建各级矩阵消声模块，所述安装组件被配置为包括：
相对设置在风洞底部内侧壁上的两根下梁20；
设置在下梁上，并间隔预定距离的多根纵梁21；
设置在纵梁上的多根横梁22，在具体的实施过程中，对下梁固定角钢的安装包括：1、根据放线的位置在地面钻孔安装下梁固定角钢；2、采用膨胀螺栓（带弹平垫）与地面连接固定；
注意事项：放线时，确保固定角钢两两平行，且在同一平面内。
竖向支撑用的多根纵梁与横梁配合的安装包括：1、竖向支撑安装：将竖向支撑采用U型螺栓与下梁固定角钢连接，连接应保证竖向支撑的垂直度，U型螺栓应牢固可靠不得有松动漏紧的情况。2、横向支撑安装：将横向支撑采用U型螺栓与侧面支撑角钢连接，连接应保证横向支撑的水平度，U型螺栓应牢固可靠不得有松动漏紧的情况。3、横向与竖向支撑安装：将横向支撑与竖向支撑采用U型螺栓连接，连接应保证横向支撑与竖向支撑的垂直度，U型螺栓应牢固可靠不得有松动漏紧的情况。将每列所需消声元件数量堆放于前后支撑架之间。
进一步地，在安装组件定位好后，还包括了将各消声元件与安装组件的配合安装，其安装流程被配置为包括：1、安装消声元件时两人分别在消声器两端，从上向下安装。2、将消声元件抬至纵梁和/或横梁的矩管（纵梁和/或横梁就是矩管）孔位处。3、用螺栓穿过矩管套入其预埋螺母孔，同时预紧螺栓。4、安装下层消声元件，同列安装完后，调整消声元件封头，并紧固所有螺栓。5、依次安装直至整台消声器安装完成。
更进一步地，还包括设置在风洞的亚扩段出口以及阻性消声段之间，并与风洞内侧壁相配合的减速稳流段3，所述减速稳流段被配置为包括：
与风洞进风口内部结构相配合的锥形导流孔板30；
设置在锥形导流孔板下游的开孔稳流板31，相对于现有技术中采用卧式多孔散流筒，容易产生较大的二次低频噪声，同时影响气流的流通面积，阻碍流场建立的情况下，本发明采用了减速稳流段对亚扩段出口的气流进行了减速和稳流操作，具体来说，是通过结构为斜椎体的第一层导流孔板负责将亚扩段出口的气流减速，减少对后面结构的冲击，进一步通过第二层的开孔稳流板，将斜椎体导流孔板导流过来的气流匀速分散到四周，起到减速稳流的作用，以使气流在空间内的分布更为均匀，减小其对后部阻性消声段造成的气流撕扯，增加阻性消声段的使用寿命。
进一步的，在实际应用中，亚扩段出口缝隙用吸声材料进行密实封堵，防止噪声外漏。
本发明应用于高超声速风洞的气流消音装置，具有消声频谱宽，结构简单，消声元件使用寿命长，便于维护等特点。
以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种气流消音装置的设计方法，其特征在于，包括：
步骤一，利用媒质中与声波相关的三个基本方程，推导在有源情况下空间中有关声压p的波动方程，通过将声压的时域问题转换为频域问题，以将波动方程转换得到相应的控制方程；
步骤二，在空间中的边界上，具有与控制方程相关的边界条件，根据加权残量法的系统方程推导方法，代入控制方程及其边界条件，推导得到声场仿真的系统方程；
步骤三，将系统方程应用于仿真软件的声学模块中，对风洞的环境温度、压强进行设置，并将风洞中纵截面作为气流消音面进行网格划分，声学模块基于有限元算法对各网格上的声压分别进行计算，并基于声压选择与各网格相对应的消音模块；
步骤四，在步骤三计算完成后，基于传递损失公式分析在各个频率下的传递损失值，以计算出消音模块的消声量，以对消音模块的消音效果是否满足要求进行验证。
2.如权利要求1所述的气流消音装置的设计方法，其特征在于，在步骤一中，所述三个基本方程被配置为包括媒质中声波的连续方程、运动议程和物态议程；
所述声压p的波动方程为：
Figure 204170DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 544409DEST_PATH_IMAGE002
为拉普拉斯算子，p代表声压，C0代表声速，
Figure 857447DEST_PATH_IMAGE003
代表求导数，
Figure 853085DEST_PATH_IMAGE004
表示媒质静态密度，q代表声源强度，t代表时间；
所述波动方程转换成控制方程的过程是将声源强度、声压引入至波动方程中得到对应的声波波动方程：
Figure 459647DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，
Figure 390694DEST_PATH_IMAGE006
为在位置r处频域内的声压，
Figure 551548DEST_PATH_IMAGE007
为频率，
Figure 462128DEST_PATH_IMAGE008
为在位置r处频域内的声源强度，j代表空间的节点；
令声波波动方程中波数，消去，以得到只依赖于空间坐标的室内有源Helmholtz方程：
Figure 782251DEST_PATH_IMAGE009
。
3.如权利要求1所述的高超声速气流消音验证方法，其特征在于，在步骤二，所述系统方程被配置为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，所述K称为刚度矩阵，M称为质量矩阵，C称为阻尼矩阵，F称为载荷矩阵，
Figure 493986DEST_PATH_IMAGE011
为节点声压向量。
4.如权利要求1所述的高超声速气流消音验证方法，其特征在于，在步骤四，所述传递损失公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
其中，TL消声模块的为传递损失，A in为消声模块的入口截面积为，A out为消声模块的出口截面积，c为声速，Pin为入口处的声压，P3为第三点处的声压。
5.一种将如权利要求1-4任一项所述气流消音装置设计方法应用于高超声速风洞制备得到的气流消音装置，其特征在于包括：设置在风洞的亚扩段出口，并与风洞内侧壁相配合的阻性消声段；
其中，阻性消声段被配置为包括由消声元件构建的至少三级矩阵消声模块，在风洞中各级矩阵消声模块之间被配置为具有预定的间距。
6.如权利要求5所述高超声速风洞气流消音装置，其特征在于，各级矩阵消声模块上分别设置有相配合的检修通道，且在空间上各级的检修通道被配置为呈错开布局。
7.如权利要求5所述高超声速风洞气流消音装置，其特征在于，所述消声元件被配置为包括：
有效吸声长度不小于1.8m的吸声体，其上设置有穿孔率不小于20%的吸声孔；
填充在吸声体内部的吸声介质；
其中，所述吸声介质外部设置有防漏层，所述吸声介质的吸声系数被配置为不小于0.95。
8.如权利要求7所述高超声速风洞气流消音装置，其特征在于，所述吸声体被配置为包括：
采用镀锌孔板围合构成多边形结构的吸声件；
分别设置在吸声件两端的圆弧形导流件；
其中，所述吸声件被配置为采用厚度不小于1mm的镀锌孔板，且所述镀锌孔板上的吸声孔的直径被配置为不小于3mm。
9.如权利要求5所述高超声速风洞气流消音装置，其特征在于，各消声元件通过相配合的安装组件，以在风洞内部构建各级矩阵消声模块，所述安装组件被配置为包括：
相对设置在风洞底部内侧壁上的两根下梁；
设置在下梁上，并间隔预定距离的多根纵梁；
设置在纵梁上的多根横梁。
10.如权利要求5所述高超声速风洞气流消音装置，其特征在于，还包括设置在风洞的亚扩段出口以及阻性消声段之间，并与风洞内侧壁相配合的减速稳流段，所述减速稳流段被配置为包括：
与风洞进风口内部结构相配合的锥形导流孔板；
设置在锥形导流孔板下游的开孔稳流板。
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