CN213478496U - 一种微小型涡轮喷气发动机消声器 - Google Patents

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燕山林
吴锦武
胡晓安
陈杰
揭俊星
李林峰
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Abstract

本实用新型涉及一种微小型涡轮喷气发动机消声器，包括内部面板与外部面板及夹在内部面板和外部面板之间的蜂窝芯夹层，所述内部面板为不同孔径的微穿孔板，接近尾气的地方微穿孔板的微孔孔径略大，通过赫姆霍兹共振腔原理有效的降低排气噪音。本实用新型采用蜂窝‑微穿孔结构极大地降低了消声器重量，携带方便；相比传统的消声器结构，实用新型所述的消声器在高温、高速气流环境有着更好的降噪效果；实用新型所述的微小型涡轮喷气发动机消声器制造简单，安装简单，在降噪领域有着广泛的应用前景。

Description

一种微小型涡轮喷气发动机消声器
技术领域
本实用新型属于利用蜂窝-微穿孔板复合结构设计的一种中低频、宽频带降噪结构和方法，该实用新型适用于高速、高温的尾气噪声降噪，特别涉及一种微小型涡轮喷气发动机消声器及其设计方法。
背景技术
近年来随着微机电系统技术、陶瓷材料及其加工制造工艺、微型传感器、微电子控制单元等多个学科领域技术的提升，微小型航空发动机也得到了快速发展，而微型涡轮喷气发动机转速高达100000r/min以上，尾部气流高速高温，其试车时噪声更是超过130dB，严重影响研究人员的听觉和感受，影响试车。
蜂窝-微穿孔共振吸声结构由于其重量轻、强度高、刚性大、稳定性好、适用于高速高温气流等优点在航空领域的降噪中有着广泛的应用。该结构的是由一定厚度的蜂窝芯和上下面板组成，其中上面板为钻有孔径小于1mm，穿孔率低于3％的微孔。声波入射时，该结构的蜂窝芯可以看做赫姆霍兹共振腔，当声波经过微孔进入蜂窝芯内后，蜂窝芯内部的空气振动从而将声能转换为热能，达到降噪的目的。
蜂窝-微穿孔结构不仅有着良好的吸声效果而且因其独特的结构还有一定的隔声效果，利用蜂窝-微穿孔结构设计的消声器兼顾吸声、隔声，进一步提高了降噪效果，而且该结构适用于高温、高速的环境降噪。
实用新型内容
本实用新型针对微小型涡轮喷气发动机的尾气噪声，设计了一种蜂窝-微穿孔消声器，将接近尾喷管位置的微孔直径增大，采用310不锈钢制造该结构适用于高温、高速气流的降噪，吸声、隔声一体化设计提高了结构降噪效果。
本实用新型解决其技术问题采用以下技术方案。
一种微小型涡轮喷气发动机消声器，包括内部面板与外部面板及夹在内部面板和外部面板之间的蜂窝芯夹层，其特征在于，所述内部面板为不同孔径的微穿孔板，接近尾气的地方微穿孔板的微孔孔径略大，通过赫姆霍兹共振腔原理有效的降低排气噪音。
优选的，所述蜂窝芯夹层为采用正六边形蜂窝芯。
优选的，内部面板设为微穿孔板，且接近尾喷管的地方微穿孔板的微孔至尾气排放口的微穿孔板的微孔直径逐渐减小。
优选的，该消声器加长设计成L型，进一步提高降噪功能的同时减少环境污染。
优选的，结构所用材料为310不锈钢，可适用于高温、高速气流的降噪。
优选的，结构不仅有着较好的吸声效果，而且还有一定的隔声特性，进一步提高了降噪效果。
根据声学理论，吸声效果可由吸声系数来衡量，单层微穿孔板在声波垂直入射时结构的的吸声系数α为消耗的能量与入射的能量之比：
Figure BDA0002748880990000021
其中Ea为材料消耗的声能，E为入射时的总声能，L为板厚背腔高度，r为声阻，m为声质量均与微穿孔板的板厚t和微孔直径d有关。
引入蜂窝夹层结构声阻抗概念，蜂窝夹层结构的隔声量表达式可转化为声阻抗与介质(空气)特性阻抗的形式：
Figure BDA0002748880990000022
蜂窝结构的声阻抗可表示为：
Figure BDA0002748880990000031
其中Z是蜂窝夹层的声阻抗；ρ为空气密度，可取ρ＝1.225kg/m3；c是声音在空气中传播的速度，c＝340m/s；θ声音的入射角，ρ是结构的面密度；f是声音入射波的频率；k为结构刚度可表示为
Figure BDA0002748880990000032
其中a，b为板的结构尺寸，m，n为一系列整数(m、n＝1，2...)。
D为结构弯曲刚度与杨氏模量、泊松比、结构尺寸有关
Figure BDA0002748880990000033
式中E为杨氏模量；v为泊松比；t为面板厚度；h为夹层板高度
结构第m、n阶的共振频率fmn；
Figure BDA0002748880990000034
蜂窝夹层板的最终声阻抗表达式为：
Figure BDA0002748880990000035
蜂窝夹层板的隔声量表达式：
Figure BDA0002748880990000036
蜂窝-微穿孔吸声结构是将共振吸声结构微穿孔板的背腔用蜂窝芯夹层代替，每一个蜂窝芯胞元和面板对应位置的微孔构成一个赫姆霍兹共振腔，蜂窝芯内部的空气柱振动摩擦将声能转化为热能，而且蜂窝芯胞元的壁面还可以将声波反射，进一步提高了结构的吸声效果。利用蜂窝-微穿孔结构设计的消声器，由于结构硬性表面拥有不错的隔声效果，进一步提高结构降噪性能。
与现有技术相比，本实用新型的优点是：
1、实用新型所述的微小型涡轮喷气发动机消声器采用蜂窝-微穿孔结构极大地降低了消声器重量，携带方便；
2、相比传统的消声器结构，实用新型所述的消声器在高温、高速气流环境有着更好的降噪效果；
3、实用新型所述的微小型涡轮喷气发动机消声器制造简单，安装简单，在降噪领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本实用新型消声器的结构示意图：
图2是本实用新型消声器截面示意图；
图3是本实用新型正六边形蜂窝芯示意图；
图4是本实用新型的微穿孔板示意图；
图5是本实用新型的支撑杆；
图6是本实用新型的卡箍；
图7是微小型涡轮喷气发动机安装该消声器的示意图；
图8是该消声器传声损失仿真结果；
图中：1、外部面板，2、蜂窝芯，3、内部面板，4、螺栓孔；
5、气流方向，6、微小型涡轮喷气发动机，7、卡箍，8、支撑杆，9、试验台，10、地面，11、微小型涡轮喷气发动机消声器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为本实用新型的限定。
一种微小型涡轮喷气发动机消声器，包括内部面板3与外部面板1及夹在内部面板3和外部面板1之间的蜂窝芯夹层2，其特征在于，所述内部面板3为不同孔径的微穿孔板，接近尾气的地方微穿孔板的微孔孔径略大，通过赫姆霍兹共振腔原理有效的降低排气噪音。
作为优选的实施方案，所述蜂窝芯夹层2为采用正六边形蜂窝芯。
作为优选的实施方案，内部面板3设为微穿孔板，且接近尾喷管的地方微穿孔板的微孔至尾气排放口的微穿孔板的微孔直径逐渐减小。
作为优选的实施方案，该消声器可加长设计成L型，进一步提高降噪功能的同时减少环境污染。
作为优选的实施方案，结构所用材料为310不锈钢，可适用于高温、高速气流的降噪。
作为优选的实施方案，结构不仅有着较好的吸声效果，而且还有一定的隔声特性，进一步提高了降噪效果。
根据声学理论，吸声效果可由吸声系数来衡量，单层微穿孔板在声波垂直入射时结构的的吸声系数α为消耗的能量与入射的能量之比：
Figure BDA0002748880990000051
其中Ea为材料消耗的声能，E为入射时的总声能，L为板厚背腔高度，r为声阻，m为声质量均与微穿孔板的板厚t和微孔直径d有关。
引入蜂窝夹层结构声阻抗概念，蜂窝夹层结构的隔声量表达式可转化为声阻抗与介质(空气)特性阻抗的形式：
Figure BDA0002748880990000052
蜂窝结构的声阻抗可表示为：
Figure BDA0002748880990000053
其中Z是蜂窝夹层的声阻抗；ρ为空气密度，可取ρ＝1.225kg/m3；c是声音在空气中传播的速度，c＝340m/s；θ声音的入射角，ρ是结构的面密度；f是声音入射波的频率；k为结构刚度可表示为
Figure BDA0002748880990000061
其中a，b为板的结构尺寸，m，n为一系列整数(m、n＝1，2...)。
D为结构弯曲刚度与杨氏模量、泊松比、结构尺寸有关
Figure BDA0002748880990000062
式中E为杨氏模量；v为泊松比；t为面板厚度；h为夹层板高度
结构第m、n阶的共振频率fmn；
Figure BDA0002748880990000063
蜂窝夹层板的最终声阻抗表达式为：
Figure BDA0002748880990000064
蜂窝夹层板的隔声量表达式：
Figure BDA0002748880990000065
蜂窝-微穿孔吸声结构是将共振吸声结构微穿孔板的背腔用蜂窝芯夹层代替，每一个蜂窝芯胞元和面板对应位置的微孔构成一个赫姆霍兹共振腔，蜂窝芯内部的空气柱振动摩擦将声能转化为热能，而且蜂窝芯胞元的壁面还可以将声波反射，进一步提高了结构的吸声效果。利用蜂窝-微穿孔结构设计的消声器，由于结构硬性表面拥有不错的隔声效果，进一步提高结构降噪性能。
如图1所示，该消声器设计为L型，由上下前后四块蜂窝-微穿孔板组成，消声器可由卡箍和支撑杆固定在微小型涡轮喷气发动机后方。
图2是消声器的横截面示意图，消声器的外部面板1和在棱边处进行倒圆角设计，避免误伤研究人员。
每一块蜂窝-微穿孔板如图3所示，包括外部面板1、六边形蜂窝芯2、内部面板3构成。
图4是本实用新型的微穿孔板示意图，接近尾喷管的位置微穿孔板的微孔直径略大。
图5和图6是本实用新型微小型涡轮喷气发动机的固定装置，用于将消声器固定在实验台上对发动机降噪。
图7是将微小型涡轮喷气发动机消声器安装到微小型航空涡轮喷气发动机后面进行降噪的结构示意图，地面10上设置试验台9，试验台9上安装有微小型涡轮喷气发动机6，微小型涡轮喷气发动机6的尾喷管处安装有本实用新型的微小型涡轮喷气发动机消声器11，微小型涡轮喷气发动机消声器11通过卡箍和支撑杆8安装在试验台9上，微小型涡轮喷气发动机消声器11的入口对准微小型涡轮喷气发动机6的尾喷管，微小型涡轮喷气发动机消声器11的出口朝下。
图8是利用COMSOL软件对该消声器的降噪性能进行仿真得到的传声损失结果。
实施例
本实用新型所述的微小型涡轮喷气发动机消声器所用的蜂窝-微穿孔板如图2、图3和图4所示，其中各结构尺寸如下：六边形蜂窝芯边长为1cm，高度1cm，蜂窝芯壁厚0.05cm，微穿孔板的微孔直径接近尾喷管部位的微孔直径略大，L型管道拐角处的微孔直径也略大。
消声器管道总长为100cm，L型管道接近发动机的一段长为60cm，通向地面的一段长为40cm，支撑杆的高度为25cm。消声器横截面为10cm×10cm的圆角矩形。利用该消声器对20kg的某型号微小型航空涡轮喷气发动机进行降噪，安装示意图如图7所示，未安装消声器的发动机试车时噪音可达130dB，安装该消声器后，噪音分贝显著降低，有效的改善了实验室环境。
以上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本实用新型说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种微小型涡轮喷气发动机消声器，包括内部面板与外部面板及夹在内部面板和外部面板之间的蜂窝芯夹层，其特征在于，所述内部面板为不同孔径的微穿孔板，接近尾气的地方微穿孔板的微孔孔径略大，通过赫姆霍兹共振腔原理有效的降低排气噪音。
2.根据权利要求1所述的微小型涡轮喷气发动机消声器，其特征在于，所述蜂窝芯夹层为采用正六边形蜂窝芯。
3.根据权利要求1所述的微小型涡轮喷气发动机消声器，其特征在于，内部面板设为微穿孔板，且接近尾喷管的地方微穿孔板的微孔至尾气排放口的微穿孔板的微孔直径逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的微小型涡轮喷气发动机消声器，其特征在于，该消声器加长设计成L型，进一步提高降噪功能的同时减少环境污染。
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