CN1251981A - 用于喷气发动机的消声方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用来减小在诸如燃气涡轮发动机(10)的排气中之类的导电等离子体附近的噪声波的方法和设备,带有:一个传感器(32),检测噪声波并且产生代表性电噪声信号;一个分析噪声信号的分析器(36),一个根据噪声信号产生倒相的、电干涉信号的波形发生器(38),一个放大器(42),一个时间延迟(46),一个误差校正器(48);及一个施加装置,把电干涉信号传导到等离子体,使等离子体产生消除噪声波的一个脉动干涉波。

Description

用于喷气发动机的消声方法和系统
本发明涉及一种用来减小喷气发动机中的噪声的方法和系统。更具体地说，本发明涉及通过激发发动机内的等离子体以传播声干涉波来消除由喷气发动机产生的声波。
喷气式飞机在其过量噪声级方面是出了名的。居住在机场附近的个人持续承受来自经过飞机的高音调、高音量噪声。飞机上的乘客也必须在长时间段内忍受噪声。这种噪声污染是不舒服的，并且甚至危及这些人的健康。因而，实行政府法规要求飞机遵守一定的最大噪声级。
在燃气涡轮发动机中基本上有三个噪声源。主要噪声源是发动机排气。离开发动机的高速排出气体产生噪声，以及传播来自发动机的机械噪声。一个另外的噪声源因为风扇和压缩机叶片的高速转动出现在空气进口处。最后，机械发动机噪声经飞机的机舱结构传送。
用来抑制发动机噪声的最普通方法包括被动技术，如用消音器机械地屏蔽噪声源。其他被动技术包括机械地屏蔽噪声波、和/或把声能转换成不同的能量形式，如热能或不同频率的声波。这些技术仅在一定程度上是有效的，因为它们允许产生噪声的空气和废气自由地从源流动，并且然后试图补救地掩盖或消散声能。类似地，已经开发了向周围产生低速排气流动气流的排气系统，并因而屏蔽来自高速排气流动气流的噪声。这些技术只有有限的成功。
其他方法集中在更主动的技术上，如把进口空气与排出气体混合，以减小排出气体的速度。这样的旁通系统涉及改变旁通比，并且取决于用来混合旁通空气和排出气体的复杂混合器。关于该技术的一个问题是它通过泄放来自进口的吸入空气降低发动机的效率。
另一种主动技术涉及把水之类的流体引入到排出气体中。流体由排出气体加热，并且迅速膨胀。迅速膨胀产生与由发动机产生的噪声和振动不同相的声音和振动。然而，该方法要求飞机携带大量流体，增加了飞机的重量。
在理论上，借助于消除声波的主动技术应该能够几乎完全抑制发动机噪声。这样一种技术依靠波干涉或相消干涉的原理工作。试图使用相消干涉的方法一般使用一个麦克风、一个控制单元、和一个扬声器。麦克风检测要消除的声波，并且产生一个传送到控制器的电信号。控制器转换该信号，并且把它送到扬声器，扬声器产生与原始声波通常相位相差180°的声波。两个波相互干涉并且抵消。
这些用来集成到往复发动机排气上的技术已经发展了，并且在专利No.5,466,899和5,414,230中描述。可惜，实现理论干涉通常由限制任何理想的、倒相声波形成的实际事实挫败。而且，这些方法不能抵消波的第一半周期或最后的半周期。即使倒相对准是可行的，为了全部抵消两个波也必须仍有对称的压力变化。
这样一种先有技术的具体例子发现在1976年2月3日发给Wanke的美国专利3,936,606中。该专利表明一种用于燃气涡轮发动机的噪声抑制系统，该系统产生一个反波，或倒相波，该波相对于声波同相并且是镜象对称的。一个麦克风检测声波。一个控制器产生一个时间延迟且倒相的镜象对称信号，以通过扬声器产生倒相波。Wanke使用大导管引导声波和反波，以便产生能容易组合成相互抵消的平面波。然而，该方法的实际应用受到限制，因为要求通过波导管引导波以把所有的波能量转换成平面波。
因此，有利的是，开发一种用来减小噪声能够在飞机上实现且能够产生在三维空间传播的干涉波的方法和设备。
本发明的一个目的在于提供一种消声方法。
本发明的另一个目的在于提供一种能够在飞机上实现的消声系统。
本发明的又一个目的在于提供一种能够产生一个与噪声波相消干涉的倒相波的消声系统。
本发明的再一个目的在于提供一种能够产生一个在三维空间中传播的倒相波的消声系统，与限于平面波相反。
本发明的另外一个目的在于提供一种能够通过激发等离子体产生倒相波的消声系统。
本发明的这些和其他目的和优点在用来检测噪声波、和产生一个代表该噪声波的电信号的传感器中实现。该传感器联接到一个分析器和一个波形发生器上，该分析器和波形发生器把电信号转换成代表与噪声波相消干涉的干涉声波的干涉信号。一个放大器和时间延迟可以用来加强和延迟干涉信号。一个等离子体联接装置把干涉信号施加到由喷气发动机的热排出气体产生的导电等离子体上。干涉信号使导电等离子体能够产生一个脉冲干涉波，该脉冲干涉波与在起始源处的声波相消干涉。
由考虑结合附图的如下详细描述，对于熟悉本专业的技术人员本发明的这些和其他目的、特征、优点和可选择方面是显然的。
图1是包含本发明的噪声抑制系统的一个最佳实施例的燃气涡轮的竖直剖视图。
图2是包含本发明的噪声抑制系统的一个可选择实施例的燃气涡轮的排气导管的竖直剖视图。
图3是包含本发明的噪声抑制系统的另一个可选择实施例的燃气涡轮的排气导管的竖直剖视图。
图4是包含本发明的噪声抑制系统的又一个可选择实施例的燃气涡轮的排气导管的竖直剖视图。
图5是本发明的噪声抑制系统的一个最佳实施例的示意图。
图6是包含本发明的噪声抑制系统的一个可选择实施例的燃气涡轮的排气导管的竖直剖视图。
图7是包含本发明的噪声抑制系统的一个可选择实施例的燃气涡轮的排气导管的竖直剖视图。
图8是包含本发明的噪声抑制系统的一个可选择实施例的燃气涡轮的排气导管的竖直剖视图。
如图1中所示，表示的一个燃气涡轮发动机10带有本发明的消声系统30。发动机10带有一个空气进口12和一个当空气进入发动机10时用来压缩空气的压缩机14。压缩机14一般包括一个低压压缩机和一个高压压缩机。空气与燃料混合，并且在燃烧室16中燃烧。燃烧的燃料和空气的膨胀在进入一根排气管20之前转动一个涡轮18。涡轮18一般包括一个高压涡轮和一个低压涡轮。涡轮18驱动压缩机14。燃烧的空气和燃料然后经一个出口22排出。
在燃烧室内借助于导电等离子体使三维干涉波的产生变得更为方便。随着空气和燃料燃烧，形成一种离子化的气体或等离子体24。在这种状态下，气体加热到非常高的温度，并且围绕气体原子的电子摆脱原子核。因而，加热的气体变成自由带电粒子的集合，包括带负电的电子和带正电的离子。等离子体24的特征在于是导电的。
如上所述，排气管20或出口22是噪声的主源。在26处表示的噪声波产生于发动机10中，并且经排气管20发射而离开出口22。
本发明的消声系统30包括一个诸如麦克风或压力传感器之类的传感器32，策略地定位在排气管20内以检测噪声波。在本发明的最佳实施例中，传感器32布置在排气管20内。传感器32如此定位，从而它可以检测排气管20内的噪声波，但防止与排出气体直接接触。传感器32可以由耐用材料制成，或者由防护板覆盖以保护它免受高温、高速排出气体。如果使用防护板，则它应该配置成不干涉发动机的效率。
要不然，如图2中所示，传感器32可以布置在整个发动机外壳33内，但在排气管20的外部。这种配置具有防护传感器32免受排出气体的优点。此外，如图3中所示，传感器32可以布置在发动机10的出口22处。这种配置具有把传感器定位在噪声波从发动机发出处的优点。重要的是，这样定位传感器32，从而它可以最好地检测噪声波而不被排气损坏。当然应该理解，任何数量的传感器能便利地布置在发动机内或发动机外的位置处，如图4中所示。
如图5中所示，传感器32产生一个与排气管20中代表噪声波的检测噪声波相对应的电噪声信号34。噪声信号34从传感器32传送到一个控制器35以被处理。控制器35可以包括各种功能，如信号分析、波形产生、放大、时间延迟、和误差校正。当然应该理解，代表噪声波的信号可以是数字或模拟信号，并且可以电传送或由光纤传送。
在最佳实施例中，传感器32电气连接到一个信号分析器36上，否则与之通信，信号分析器36从传感器32接收噪声信号34。信号分析器36分析噪声信号34。
噪声信号34从信号分析器36传送到一个波形发生器38，波形发生器38电气联接到信号分析器36上。波形发生器38产生一个由噪声信号倒相的干涉信号40。重要的是注意到，该信号最好是被倒相而不是移相。一个倒相信号绕零幅值轴倒相，从而倒相信号的谷是原始信号的峰的镜象图象。例如，如果传感器检测到一个复杂的、非对称的、噪声波，则波形发生器产生一个倒相信号，该倒相信号是原始信号的颠倒或镜象图象。与倒相信号相对应的倒相波将与噪声波相消干涉。
一个放大器42可以用来产生一个增大幅值、倒相的干涉信号，从而该信号具有足够的电气数值以激发等离子体24。干涉信号40传送到放大器42，放大器42电气联接到波形发生器38上。此外，因为声波以声速传播，而电气信号可能传送得更快，所以可能必须包含一个时间延迟46。放大的干涉信号传送到时间延迟46，时间延迟46电气联接到放大器42上。
而且，可能还包括一个误差校正器48以进一步校正干涉信号70。如图4中所示，一个误差传感器50可以布置在发动机的外面，例如布置在飞机的尾部或后机体上。该误差传感器50检测生成的声波70，并且根据生成的声波70产生一个电气误差信号52。干涉信号40然后由误差校正器48改进，以补偿以前未减小的噪声波。
干涉信号40传送到一个电气联接到控制器35上的等离子体联接装置60。等离子体联接装置60把倒相的干涉信号40施加到等离子体24上。
在一个最佳实施例中，离子体联接装置60是一根伸到排气管20中的杆62，如图1中所示。杆62固定到排气管20的内表面上。杆62是导电的，并且由能承受高温、高速排出气体的材料制成。
要不然，如图6中所示，联接装置60可以是在排气管20的内壁上的一个电极64或多个电极。该电极可以是在排气导管内表面上且包围排出气体的带或环65，如图7中所示。当然应该理解，联接装置可以包括用来把倒相信号传导到等离子体24的任何数量的杆或电极。
要不然，施加装置60可以是一根定位且与排出气体的流动共线取向的天线66，如图8中所示。
要不然，施加装置可以布置在发动机10的出口22处。
显然，如果倒相分量能及时地传送到等离子体区域，从而等离子体产生一个用来抵消有害喷气发动机压缩波的物理压缩波，则电气干涉信号才是有效的。该方面称作与电气干涉信号40有关的声发生装置。干涉信号40可以是从控制器35输出的可变数字或模拟信号。声发生方面可以包括与干涉信号40有关的电压输出，干涉信号40使离子体的电气状态有效。用来脉动离子体的一种可能机理取决于施加到引起电荷密度变化的离子体上的电压。电荷密度的变化伴随有离子体的物理密度和物理尺寸的变化。因而，把电压电荷施加到等离子体上导致等离子体膨胀或收缩。随着等离子体膨胀，产生一个压力波。随着等离子体收缩，产生一个空穴。等离子体的膨胀和收缩产生一个脉动干涉波68，如图1中所示。因为干涉波68是由原始噪声信号34倒相成的，由等离子体产生的干涉波68以相消方式与噪声波26干涉。
由电激发的等离子体24产生的干涉波68的特征在于，相对于由发动机10产生的噪声波26同相并且是镜象对称的。根据波干涉或相消干涉的原理，干涉波68与噪声波26结合，形成较小噪声级的生成声波70。结果是干涉波68基本上抵消了噪声波26。
如果在排气管20中不能足够地实现等离子体状态24，则可能必须通过进一步加热排出气体来增加等离子体形成，以克服排气的介电性质。排出气体也可以用导电材料活化，以增加排出气体的导电性。可以使用多种活化技术，如把导电材料喷洒到燃烧室或排气导管中。导电材料可以是盐或盐晶体。离子盐的存在增加了排出气体的导电性，并且减小了要求得到导电等离子体的温度。
与在声音消除方面的先有技术偿试有关的多个问题之一，是在各种施加过程中形成平面波的不适当性。准确地说，一些先有技术系统包括形成平面波的大导管结构，以便启动相消干涉。然而，在实际中，声波等同地在所有方向传播，而不是单一、线性方向传播。先有技术方法的精巧和大型导管结构，因为生成波的平面本质、以及有限的空间和在飞机本身上的摩擦阻力，对于燃气涡轮发动机一直是不实用的。
本发明的一个优点在于等离子体24是三维的。随着等离子体24膨胀和收缩，由于充电干涉信号40的激发，它在三维中这样进行。因此，产生的干涉波68不限于平面波，而象打算消除的噪声波26在三维中传播。
尽管借助于具体的参考例和以飞机上的燃气发动机作为例子已经描述了本发明，但当然应该理解，本发明可以用于任何用途中的燃气发动机，或用于形成等离子体或其他可膨胀导电介质的任何系统。
要理解，本发明的描述实施例仅是说明性的，并且对于熟悉本专业的技术人员可以进行改进。因而，本发明不能认为是对公开实施例的限制，而是仅限制为由这里附属的权利要求书所定义的那样。

Claims (28)

1.一种用来消除在诸如等离子体之类的导电可膨胀介质附近的噪声波的设备，所述设备包括：
一个传感器，用来检测所述噪声波，所述传感器产生一个代表所述噪声波的电噪声信号；
一个控制器，电气联接到所述传感器上，用来根据所述电噪声信号产生一个电干涉信号，所述电干涉信号基本上由所述电噪声信号倒相，以实现波抵消；
一个等离子体联接装置，电气联接到所述控制器上，用来把所述电干涉信号施加到所述导电等离子体上；及
一个声发生装置，与所述电干涉信号有关，用来使所述导电等离子体能够产生一个脉动干涉波，由此基本上消除所述噪声波。
2.根据权利要求1所述的设备，所述设备进一步包括：
一个集体地容纳传感器、控制器和等离子体联接装置的燃气涡轮发动机。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器包括一个联接到传感器上的信号分析器。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器包括一个波形发生器。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器包括一个用来增大电干涉信号的幅值的放大器。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器包括一个用来延迟电干涉信号以便使干涉波与噪声波同步的时间延迟。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器包括用来修进电干涉信号的一个误差控制器和一个误差传感器。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述传感器包括多个传感器。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述联接装置包括一个电极。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述联接装置包括一根导电杆。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述联接装置包括一根定位且与所述排出气体共线取向的天线。
12.根据权利要求1所述的设备，所述设备进一步包括：
一个用来形成一种导电、可膨胀气体介质的等离子体形成装置。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述声发生装置是施加到等离子体上的可变电压，使等离子体响应电压值的变化膨胀和收缩。
14.一种用来消除在诸如等离子体之类的导电可膨胀介质附近的噪声波的设备，所述设备包括：
一个腔室；
一个等离子体形成装置，联接到腔室上，用来在所述腔室中形成等离子体；
一个传感器，用来检测所述噪声波，所述传感器产生一个代表所述噪声波的电噪声信号；
一个控制器，电气联接到所述传感器上，用来根据所述电噪声信号产生一个电干涉信号，所述电干涉信号至少由所述电噪声信号倒相；和
一个等离子体联接装置，电气联接到所述控制器上，用来把所述电干涉信号施加到所述导电等离子体上；及
一个声发生装置，与所述电干涉信号有关，用来使所述导电等离子体能够产生一个脉动干涉波，由此基本上消除所述噪声波。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述噪声波由所述等离子体形成装置在所述腔室中产生。
16.根据权利要求14所述的设备，其中所述腔室是一个燃气涡轮发动机。
17.根据权利要求14所述的设备，其中所述等离子体形成装置是一个燃气涡轮发动机。
18.根据权利要求14所述的设备，其中所述控制器包括一个信号分析器。
19.根据权利要求14所述的设备，其中所述控制器包括一个波形发生器。
20.根据权利要求14所述的设备，其中所述控制器包括一个用来增大电干涉信号的幅值的放大器。
21.根据权利要求14所述的设备，其中所述控制器包括一个用来延迟电干涉信号以便使干涉波与噪声波同步的时间延迟。
22.根据权利要求14所述的设备，其中所述控制器包括一个误差控制器。
23.根据权利要求14所述的设备，其中所述传感器包括多个传感器。
24.根据权利要求14所述的设备，其中所述施加装置包括一个电极。
25.根据权利要求14所述的设备，其中所述施加装置包括一根导电杆。
26.根据权利要求14所述的设备，其中所述声发生装置是施加到等离子体上的可变电压，使等离子体响应电压值的变化膨胀和收缩。
27.一种用来消除在诸如等离子体之类的导电可膨胀介质附近的噪声波的方法，所述方法包括步骤：
(a)检测所述噪声波；
(b)产生代表所述噪声波的一个电噪声信号；
(c)用来根据所述电噪声信号产生一个电干涉信号，所述电干涉信号至少由所述电噪声信号倒相；
(d)把所述电干涉信号施加到所述导电等离子体上；及
(e)用来借助于所述导电等离子体产生一个干涉波，由此基本上消除所述噪声波。
28.根据权利要求27所述的方法，进一步包括形成一种等离子体的步骤。
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