脉动喷气发动机噪声特性研究

康杨，翁春生，李宁

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室， 江苏 南京 210094)

脉动喷气发动机噪声特性研究

康杨，翁春生，李宁

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室， 江苏 南京 210094)

为了研究脉动喷气发动机噪声特性，搭建了Helmholtz型脉动喷气发动机噪声试验测试系统。对不同管长的脉动喷气发动机管外，不同距离、不同角度处发动机噪声进行了测量。试验结果表明：脉动喷气发动机噪声呈现周期性、低频性的特点；脉动喷气发动机噪声基频由其工作频率决定，噪声的基频成分对总噪声的贡献值最大；随着传播距离的增加，脉动喷气发动机噪声声压级逐渐减小，其衰减幅度略大于球面波衰减规律，不同角度处的噪声衰减规律几乎一致；不同传播距离处的噪声呈现出相同的轴向指向性；随着脉动喷气发动机尾喷管长度的增加，其噪声声压级及基频均随之降低，但尾喷管长度的增加对其噪声指向性没有影响。

兵器科学与技术； 脉动喷气发动机； 噪声特性； 衰减规律； 指向性

0 引言

脉动喷气发动机是一种利用脉动燃烧产生间歇性推力的非稳态推进装置[1]。该发动机具有自吸气功能，可自行吸入燃烧所需的燃料和空气，再由上一循环在燃烧室内残留高温燃气点火，实现连续工作。发动机的点火系统可以在初次点火形成脉动燃烧过程后脱离发动机而留在地面。因此，脉动喷气发动机燃烧强度高，推重比高，供油点火启动简单，结构简单紧凑等特点，使其成为未来无人机、巡飞弹等武器系统的理想巡航动力方案[2-4]。然而脉动喷气发动机在工作时会产生较大噪声，噪声辐射会直接影响影响到飞行器隐身以及结构声疲劳等方面，对脉动喷气发动机的整体性能以及飞行器安全构成了严重威胁。因此对脉动喷气发动机噪声的研究很有必要。

脉动喷气发动机的工作原理是在声学结构条件下形成脉动燃烧工作过程。脉动燃烧是指在一定的声学条件控制下周期性的燃烧过程，即当火焰的热释放脉动和燃烧室声场同相时，燃烧室内的压力振荡不断加强，最后形成大幅度压力振荡[5]。脉动喷气发动机燃烧室的压力振幅与燃烧器结构无关，而主要受热负荷的大小影响，而脉动喷气发动机的运行频率则受燃烧器的结构影响，同时，热负荷增大，频率也增大。

目前，国外针对脉动喷气发动机的降噪和声学特性分析进行了一定研究。在试验方面，Ohiwa等将脉动喷气发动机尾管横截面积从5 cm2减小至2.5 cm2，发现噪声值降低了5 dB[6]。Unui等在两个相同功率工作的并行脉动燃烧室的排气尾管间安装连通管和去耦室，试验发现此方法可有效降低6.5 dB噪声值[7]。McQuay等研究了Rijke型脉动燃烧器的声学特性对丙烷扩散燃烧火焰的热力学结构影响，试验发现不同声学模态的脉动频率不是基频的倍数并且火焰高度和结构在脉动燃烧初期就会发生重大变化[8]。Dubey等研究Rijke型脉动燃烧器内乙醇喷雾燃料的燃烧特性时发现，由于脉动声场的存在，乙醇喷雾的索太尔平均直径和算术平均直径分别减小15%和20%，但其对于水喷雾的雾化和液滴扩散过程几乎没有影响[9]。Kilicarslan等对气体燃料的脉动喷气发动机进行试验研究，研究表明脉动喷气发动机噪声声压级随尾管管长的增加呈现递减趋势，并且发动机的排气噪声高于进气噪声，在尾管长保持定值条件下研究，声能量随着频率增加而降低[10]。在数学建模和噪声特性研究方面，Barr等建立了气体燃料脉动燃烧器的数学模型，探究脉动燃烧器的声学特性，研究发现脉动燃烧器噪声受排气尾管的长度和温度分布影响，噪声越大，脉动燃烧效果更好[11]。Margolis基于非线性动力学研究了脉动燃烧驱动装置控制声学模态相互作用的影响，并表明该方法可以应用于其他燃烧驱动如火箭发动机的声学问题等[12]。Maqbool等利用流体- 电学类比和传输线理论提出了一种分析无阀式脉动喷气发动机运行特性的声学方法。他们假定无阀式脉动喷气发动机是一种截面积和温度随发动机长度变化的声管，可由其截面积及试验测得的轴向温度建立对应数学模型，求出其工作频率和轴向压力分布。结果表明，此方法适用于各种形状结构的无阀式脉动喷气发动机。由该方法得到的无阀式脉动喷气发动机的工作频率与试验测得误差仅为6%，与已有模型相比有较大优势[13]。

国内在脉动喷气发动机的噪声方面的研究相对较少。许林云等分析了小型脉动喷气发动机的结构特点，构建了对应的声学模型，并对发动机排气噪声、进气噪声和燃烧噪声进行针对性测量，试验结果表明排气噪声是脉动发动机的主要声源且呈现单向指向性[14]。钟英杰等采用内外流场耦合建模的方法研究了Rijke管脉动内流场。模拟了Rijke管的声学特性，分析了Rijke管自激振荡的机理，模拟结果与试验结果吻合较好[15]。初敏等对非线性热源项的声波方程进行数值求解，成功捕捉到Rijke管内压力的起振过程，数值模拟结果与试验符合较好[16]。胡声超等提出采用多喷管代替单喷管进行降噪的方案，数值模拟研究了单喷管及多喷管射流流场及声学特性，研究结果表明多喷管结构在保证发动机主要性能参数的前提下，起到了较为明显的降噪效果[17]。商霖等进行了固体火箭发动机地面热试车试验，通过层层分解将相互混叠的环境因素/产品状态剥离，获取了单激励或某状态下的结构响应[18]。

本文基于前人研究基础上，系统化研究Helmholtz型脉动喷气发动机的声学特性。通过对4种不同尾喷管管长的脉动喷气发动机噪声测试研究，分析脉动喷气发动机噪声的时域特性、频谱特性、能量分布、传播衰减规律和指向性规律以及不同尾喷管管长对声学性能的影响。研究结果可为脉动喷气发动机的未来工程化应用提供降噪的理论基础。

1 脉动喷气发动机声学特性试验系统

脉动喷气发动机声学辐射特性试验系统主要由Helmholtz型脉动喷气发动机、压力测试系统、声学测试系统和数据采集系统等组成，如图1所示。

图1 脉动喷气发动机声学辐射特性试验布置图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

试验中脉动喷气发动机燃烧室柱部内径60 mm，长度110 mm. 采用汽油为燃料，通过单向阀自吸空气为氧化剂，初始启动采用高能火花塞点火。为了研究脉动喷气发动机尾喷管长度对声学性能的影响，设计了4种管长的脉动喷气发动机尾喷管，尾喷管长度分别为680 mm、880 mm、1 080 mm和1 280 mm，尾喷管内径均为30 mm.

测试系统中，压力和声压的测量分别采用美国PCB公司的高频动态传感器和声传感器。压力传感器布置于脉动喷气发动机燃烧室中部，声传感器布置于尾喷管管外水平面0°、15°、30°、45°、60°和90°方向上，距排气喷管管口距离为r，高度与管中心点位置保持一致。其中，角度定义如图1中θ所示。在相同工况下，分别对脉动喷气发动机在2 m、3 m、4 m和5 m相应位置处的噪声进行测试。测试得到的压力电信号和噪声电信号，通过信号放大器和模拟信号与数字信号转换器处理后由同步数据采集系统记录，采样率为500 000 Hz.

2 脉动喷气发动机声学特性分析

2.1 脉动喷气发动机噪声信号分析

脉动喷气发动机采用脉动燃烧方式，燃烧室内压力脉动明显。图2为尾喷管管长为680 mm的脉动喷气发动机燃烧室中部压力瞬时值随时间的变化曲线。由图2可知，脉动喷气发动机工作过程中压力波形近似于正弦波，其压力峰值约为33 kPa. 从图2中相邻两个压力脉动信号之间的时间间隔可计算出脉动喷气发动机的工作周期约为0.010 37 s，进而得出工作频率约为97 Hz.

图2 脉动喷气发动机燃烧室压力- 时间变化曲线Fig.2 Curve of pressure in combustion chamber of pulsejet engine

图3为同步测量得到的脉动喷气发动机管外2 m处0°方向上的噪声时域波形。对比图2与图3可以看出，脉动喷气发动机噪声辐射呈现周期性的特点，其基频与脉动喷气发动机工作频率几乎一致。

图3 脉动喷气发动机发动机噪声时域信号Fig.3 Time-domain signal of pulsejet engine noise

对脉动喷气发动机管外2 m处0°方向上的噪声时域信号进行频谱分析，得到其噪声频谱图，如图4所示。从图4中可知，脉动喷气发动机噪声由基频和谐频组成，近似于单频噪声。其中，脉动喷气发动机噪声基频为97 Hz，与脉动喷气发动机燃烧室压力脉动频率一致，声压级为102.8 dB. 谐频则位于194 Hz、291 Hz和388 Hz，分别为基频的 2次、3次和4次倍频成分，但噪声强度大大减弱，对应声压级分别为93.4 dB、83.8 dB和81.94 dB. 当脉动喷气发动机工作时，从脉动喷气发动机尾喷管周期性排放高温已燃气体，使脉动喷气发动机尾喷管外部空气的压强和密度不断受到扰动产生噪声，这种噪声是一种类似于脉动质量的点源，即单极子声源[19]。这与脉冲爆轰发动机的噪声特性有着明显区别。脉冲爆轰发动机噪声中存在单极子源和4极子源[20-22]。

图4 脉动喷气发动机在2 m处0°方向噪声频谱图Fig.4 Noise spectra of pulsejet engine in direction of 0°at 2 m

人耳能听到的声音频率范围很广，为20 Hz～20 kHz. 图5为脉动喷气发动机噪声能量累计分布图。从图5中可知，50%脉动喷气发动机噪声能量累计频率为143 Hz，90%脉动喷气发动机噪声能量累计频率为1 176 Hz，因此脉动喷气发动机噪声主要集中于低频段，基频成分对总噪声的贡献值最大，在人耳敏感的声音频率范围内。从脉动喷气发动机的噪声频谱与噪声能量累计分布来看，脉动喷气发动机的声学特性与其工作频率有很大关系。

图5 脉动喷气发动机噪声能量累计分布Fig.5 Cumulative distribution of noise energy of pulsejet engine

2.2 脉动喷气发动机噪声衰减规律研究

通过对脉动喷气发动机噪声时域及频谱信号的研究，选取有效声压级Le,T对脉动喷气发动机声学性能进行研究。脉动喷气发动机有效声压级是声压- 时间曲线在一定时间内的有效声压的分贝值为

(1)

式中：Le,T为有效声压级(dB)；p(t)为噪声瞬时声压；p0为基准声压，p0=2×10-5Pa；T为声压测试中的一段时间间隔。

图6为尾喷管管长为680 mm的脉动喷气发动机噪声随距离r变化规律，脉动喷气发动机噪声随着距离的增加而不断减小。0°方向脉动喷气发动机在2 m处噪声声压级为107.94 dB，0°方向脉动喷气发动机在5 m处噪声声压级为103.67 dB，二者相差4.27 dB，衰减幅度大于球面波衰减规律，这是因为脉动喷气发动机噪声中的高频分量的非线性特性增大了噪声的衰减，使得噪声衰减幅度大于球面波衰减规律。图6还给出了脉动喷气发动机在不同方向噪声衰减规律，衰减规律与0°方向衰减规律几乎一致。按照球面波衰减规律，距离加倍声衰减量为3 dB，r从2 m到4 m，噪声在0°、30°和45°方向上的衰减量分别为3.579 dB、3.171 dB和3.767 dB，均略高于正常规律所衰减的量。

图6 脉动喷气发动机噪声随距离的变化曲线Fig.6 Engine noise vs. distance

2.3 脉动喷气发动机噪声指向性研究

在相同工况下，分别对尾喷管管长l为680 mm的脉动喷气发动机在r为2 m、3 m，4 m和5 m处噪声指向性进行研究，测试结果如图7所示。从指向图7中可以看出：r为2 m时，0°方向上脉动喷气发动机噪声有效声压级最大，随着角度的增加，声压级逐渐变小，0°、15°、30°、45°、60°和90°方向声压级分别为107.84 dB、106.54 dB、106.30 dB、105.60 dB、103.54 dB和102.99 dB；r为3 m、4 m、5 m时脉动喷气发动机噪声指向性与r为2 m处的指向性规律较为一致。因此，脉动喷气发动机噪声沿尾喷管轴线方向比偏离轴向各方向均要高，且偏离轴向方向角度越大、噪声降得越多，具有明显的轴向指向性。这是因为脉动喷气发动机燃烧产物沿尾喷管轴向流入静止或者流速较慢的气流时，高速流动的燃烧产物与周围相对静止的空气急剧混合，从而使得燃烧产物的边界层中形成强烈的湍流脉动，流动区域内压力起伏引起密度的起伏，并传播到流动区域之外的介质中。因此，燃烧产物排出的方向，即脉动喷气发动机尾喷管轴向方向的噪声最大。

图7 脉动喷气发动机在不同r处噪声指向图Fig.7 Directivity of pulsejet engine noise at r

3 尾喷管管长对脉动喷气发动机声学性能的影响

脉动喷气发动机工作频率对其声学性能有很大影响，而其工作频率又由脉动喷气发动机的结构尺寸决定。文献[23]给出脉动喷气发动机燃烧室- 喷管工作频率f计算公式为

(2)

式中：a为本地音速(m/s)；So为尾喷管出口面积(m2)；Vc为燃烧室体积(m3)；l为尾喷管管长(m)。由此可见当尾喷管出口面积不变，管长增长时，脉动喷气发动机工作频率降低。

图8为脉动喷气发动机噪声基频f0随尾喷管管长l变化的试验测试结果。从图8中可以看出，680 mm、880 mm、1 080 mm和1 280 mm尾喷管管长的脉动喷气发动机噪声基频分别为97 Hz、90 Hz、85 Hz和82 Hz. 由(2)式可计算得出的680 mm、880 mm、1 080 mm和1 280 mm尾喷管管长的脉动喷气发动机理论工作频率分别为98 Hz、86 Hz、78 Hz和72 Hz，与试验测得的相对应的脉动喷气发动机噪声基频的相对误差在14%之内。随着尾喷管管长的增加，脉动喷气发动机噪声基频减小，但基频减小速度则随着脉动喷气发动机管长的增加而降低。分析其原因，脉动喷气发动机尾喷管管长增长后，脉动喷气发动机的工作频率降低，导致脉动喷气发动机噪声基频随尾喷管管长的增长而减小。

图8 尾喷管管长对噪声基频影响的试验结果Fig.8 Effect of tailpipe length on fundamental frequency of pulsejet engine

图9为脉动喷气发动机在管外2 m处0°、30°和45°方向上的噪声随管长的变化曲线。从图9中可以看出，680 mm、880 mm、1 080 mm和1 280 mm尾喷管管长的脉动喷气发动机在0°方向上噪声声压级分别为107.84 dB、107.27 dB、105.94 dB和103.05 dB，其噪声衰减幅值分别为0.57 dB、1.33 dB和2.89 dB. 图9还给出了30°方向和45°方向脉动喷气发动机噪声随管长的变化曲线，分析可知尾喷管管长对脉动喷气发动机不同角度处噪声声压级作用规律与0°方向一致。由此可见，脉动喷气发动机噪声随发动机尾喷管管长的增长而降低，并且噪声衰减速度也随着管长的增加而加快。分析其原因，脉动喷气发动机尾喷管管长增长后，在其膨胀排气阶段，燃烧产物沿尾喷管向后流动所受阻力增大，在其供油供气量不变的前提下，由于耗散作用，尾喷管出口气流脉动的能量降低，即尾喷管出口气流的速度与压力均降低，使得其噪声声压级降低，噪声频率降低。

图9 尾喷管管长对声压级的影响Fig.9 Effect of tailpipe length on sound pressure level

图10为4种尾喷管管长的脉动喷气发动机噪声指向性图。从图10中可以看出，4种尾喷管管长的脉动喷气发动机在0°方向上噪声均高于其他方向噪声，且随着偏离轴线方向的角度越大，噪声越小。因此，4种尾喷管管长的噪声指向性几乎一致，均具有明显的轴向指向性。由此可见，当脉动喷气发动机尾喷管管长增长而结构不变时，脉动喷气发动机膨胀排气过程燃烧产物出管口时压力波的指向性不变，因此增长脉动喷气发动机尾喷管管长不能改变其噪声指向性。

图10 尾喷管管长对指向性的影响Fig.10 Effect of tailpipe on directivity of pulsejet engine noise

4 结论

本文通过对不同尾喷管管长的Helmholtz型脉动喷气发动机声学特性展开试验研究，得出以下结论：

1) 脉动喷气发动机噪声辐射呈现周期性的特点，其基频与发动机工作频率完全一致，噪声主要集中在低频段，基频噪声峰值高于其谐频噪声峰值，基频成分对总噪声的贡献值更大。

2) 随着传播距离的增加，脉动喷气发动机噪声声压级逐渐减小，并且噪声衰减略高于正常衰减规律的衰减量。脉动喷气发动机在不同方向噪声衰减规律几乎一致。脉动喷气发动机噪声在尾喷管出口2 m、3 m、4 m和5 m处均具有明显的轴向指向性。

3) 当脉动喷气发动机尾喷管直径保持不变，管长从680 mm到1 280 mm以200 mm等间隔增长时，脉动喷气发动机出口气流脉动的能量降低，工作周期变长，工作频率降低，从而使得其噪声声压级降低，噪声频率降低。而增长脉动喷气发动机尾喷管管长并不能改变其噪声指向性。

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Research on Noise Characteristics of Pulsejet Engine

KANG Yang, WENG Chun-sheng， LI Ning

(National Key Laboratory of Transient Physics, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

The noise characteristics of a Helmholtz-type pulsejet engine are experimentally studied. In the experiment, the length of tailpipe is changed from 680 mm to 1 280 mm at every 200 mm interval. The noise of pulsejet engine is measured at different distances and different angles from the exit of tailpipe. The experimental results show that the noise of pulsejet engine has the characteristics of periodicity and low frequency. The noise fundamental frequency of pulsejet engine is determined by its working frequency. The fundamental frequency component of noise is the largest proportion of the total noise. As the propagation distance of noise increases, the sound pressure level decreases. The attenuation amplitude of noise is slightly larger than that of the spherical wave. The noise attenuation laws of noise at different angles are almost identical. The directivities of noise at different propagation distances are same. The highest noise pressure appears in the direction of 0°. With the increase in length of tailpipe, the sound pressure level and the fundamental frequency decrease. However, the directivity of noise isn’t changed.

ordnance science and technology; pulsejet engine; noise characteristic; attenuation law; directivity

2016-08-30

国家自然科学基金项目(11372141、11472138);国防预先研究基金项目(9140C300205140C30137);装备预先研究基金项目(9140C300202120C30);江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(KYZZ16_0176)； 中央高校基本科研基金项目(30920140112011)

康杨(1992—), 男, 博士研究生。E-mail: vince_kang@126.com

翁春生(1964—)，男，教授，博士生导师。E-mail：wengcs@126.com

V235.22+1

A

1000-1093(2017)02-0273-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.010