Helmholtz型脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲構(gòu)成及測(cè)點(diǎn)布置,聲學(xué)論文

Helmholtz型脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲構(gòu)成及測(cè)點(diǎn)布置,聲學(xué)論文脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高效節(jié)能、構(gòu)造緊湊的內(nèi)燃機(jī)，是在特定聲學(xué)條件和加熱條件下，燃燒經(jīng)過(guò)與聲脈動(dòng)互相耦合，構(gòu)成一種非穩(wěn)態(tài)的周期性脈動(dòng)的燃燒經(jīng)過(guò)。國(guó)外，從1960年到1980年初，脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的研究主要集中在無(wú)閥式設(shè)計(jì)，由于它簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造，提高了使用壽命。此后的一段時(shí)間里，脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展比擬緩慢。近期20多年，脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)又由于構(gòu)造簡(jiǎn)單和價(jià)格低廉而得到重視，國(guó)外已有不少基于脈動(dòng)燃燒技術(shù)的熱水、熱風(fēng)、蒸氣等裝置投入市場(chǎng)，并在枯燥、焚化、煅燒等工業(yè)領(lǐng)域獲得成功。美國(guó)TIFA公司、CURTIS公司和德國(guó)IGEBA、MOTAN公司都是將脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于病蟲害防治設(shè)備即煙霧機(jī)上。有關(guān)噪聲特性方面的研究，Barr等人和Margolis建立了部分?jǐn)?shù)學(xué)模型，Barr等人建立的數(shù)學(xué)模型中提到噪聲受排氣管長(zhǎng)度和排氣管內(nèi)溫度分布的影響，并且噪聲越大能夠到達(dá)更有力的脈動(dòng)效果。Kilicarslan等人對(duì)以液化石油氣為燃料的脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過(guò)將噴管長(zhǎng)度以間隔20cm遞增，發(fā)現(xiàn)其基頻峰值隨噴管長(zhǎng)度的增加呈遞減趨勢(shì)。Ohiwa等人進(jìn)行了尾管橫截面積從5cm2改變到2.5cm2的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)噪聲值下降了5dB。Unui等人設(shè)計(jì)出雙燃燒室構(gòu)造的脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)，使其兩個(gè)燃燒室并行，在噴管間安裝溝通的通道和退藕的燃燒室，使得噪聲值下降了6.5dB噪聲值。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)50年代末開場(chǎng)將小型脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于病蟲害防治機(jī)具煙霧機(jī)上，至90年代中期，已研發(fā)構(gòu)成較為成熟的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)、衛(wèi)生等領(lǐng)域的病蟲害防治中，大大提高了防治效率，減少了農(nóng)藥使用劑量。但由于脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是在聲學(xué)構(gòu)造條件下構(gòu)成的脈動(dòng)燃燒工作經(jīng)過(guò)，因而產(chǎn)生的噪聲較強(qiáng)。由于脈沖煙霧機(jī)一般為人工手提或背負(fù)的操作工作方式，且噪聲高達(dá)100dB(A)左右，因而對(duì)操作者的聽力產(chǎn)生直接的刺激或損傷，同時(shí)在城市衛(wèi)生、害蟲和病疫防治經(jīng)過(guò)中，噪聲對(duì)周圍環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因而測(cè)量分析研究脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲構(gòu)成，為今后設(shè)計(jì)低噪聲的脈沖噴氣式煙霧機(jī)或其它產(chǎn)品提供一定理論根據(jù)。1、脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的聲學(xué)構(gòu)造及理論模型脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造非常簡(jiǎn)單，由燃燒室和噴管構(gòu)成的Helmholtz型聲學(xué)構(gòu)造如此圖1所示。其工作原理為，點(diǎn)火燃燒經(jīng)過(guò)(圖1a)：進(jìn)入燃燒室的可燃混合氣由火花塞點(diǎn)燃，燃燒伴隨著放熱經(jīng)過(guò)，使燃燒室內(nèi)的溫度和壓力升高，燃燒區(qū)膨脹，燃燒產(chǎn)物向兩端排出，工作點(diǎn)由A點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)(圖1e)；氣體膨脹經(jīng)過(guò)(圖1b)：在燃燒室內(nèi)壓力作用下，進(jìn)氣閥關(guān)閉，燃燒產(chǎn)物沿噴管向外流出，燃燒室壓力由B點(diǎn)開場(chǎng)下降直至低于大氣壓(C點(diǎn))，燃燒室內(nèi)構(gòu)成負(fù)壓；可燃混合氣吸入經(jīng)過(guò)(圖1c)：在燃燒室負(fù)壓作用下，進(jìn)氣閥開啟，可燃混合氣自動(dòng)吸入，使燃燒室內(nèi)的壓力由點(diǎn)C升到點(diǎn)D；壓縮經(jīng)過(guò)并重新點(diǎn)火燃燒(圖1d)：新鮮的可燃混合氣被吸入燃燒室的同時(shí)，在負(fù)壓的作用下，噴管末端管中部分已燃廢氣也會(huì)反向運(yùn)動(dòng)返回燃燒室，同樣由于氣流的運(yùn)動(dòng)慣性，燃燒室內(nèi)的可燃混合氣自動(dòng)的進(jìn)一步壓縮，壓力由D點(diǎn)升到A點(diǎn)，并被高溫的廢氣或熾熱的燃燒室壁重新點(diǎn)燃，由此進(jìn)入下一循環(huán)。這樣的燃燒經(jīng)過(guò)無(wú)限地自動(dòng)循環(huán)下去，而無(wú)需火花塞再次點(diǎn)火，因而火花塞只在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)工作。固然脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)基本構(gòu)造及工作原理非常簡(jiǎn)單，但要使脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)能正常工作起來(lái)，在沒(méi)有任何的供油裝置(如泵等)和供氣裝置(如風(fēng)機(jī)等)，而完全依靠于燃燒室噴管構(gòu)成的聲學(xué)構(gòu)造與油氣混合物構(gòu)成的加熱條件，構(gòu)成的自激振蕩的周期性的脈動(dòng)燃燒工作經(jīng)過(guò)。當(dāng)前，這種發(fā)動(dòng)機(jī)在脈動(dòng)燃燒經(jīng)過(guò)中還有很多機(jī)理不清楚，因而脈動(dòng)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)還完全依靠于經(jīng)歷體驗(yàn)法進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)。由于脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃燒室內(nèi)各點(diǎn)壓力大體一樣，現(xiàn)假設(shè)如下，燃燒室內(nèi)各點(diǎn)壓力一樣，在噴管長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)的時(shí)候，能夠?qū)⑵浜?jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)源(見圖2)，而在燃燒室與噴管的接觸面2上能夠以為與點(diǎn)源的距離為零，壓力為點(diǎn)源的原始?jí)毫，該壓力與燃燒強(qiáng)度有關(guān)，直接遭到燃料供應(yīng)條件的影響。聲波在噴管這種均勻有限長(zhǎng)管中傳播時(shí)，可將噴管部分設(shè)定為一維平面波傳播，噴管內(nèi)氣流的波動(dòng)方程為：聲壓有極小值；當(dāng)2k(x+/4)=2n時(shí)總聲壓有極大值，是一種具有正弦特性的壓力脈動(dòng)信號(hào)。2、脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲構(gòu)成及測(cè)點(diǎn)布置根據(jù)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，可知其主要聲源由進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲和燃燒噪聲構(gòu)成。排氣噪聲：在圖2中排氣口處，當(dāng)聲波傳播到噴管末端時(shí)，除了因端口突變即構(gòu)成負(fù)載引起的沿X軸負(fù)方向傳播的反射聲波Pr，還有沿X軸正方向傳播的透射聲波Pt，此即為排氣噪聲，其方程為：pt=patej(t-kx)(7)理論上，當(dāng)負(fù)載確定時(shí)，排氣噪聲的幅值Pat由發(fā)射波幅值Pai決定。進(jìn)氣噪聲：進(jìn)氣門周期性開閉引起進(jìn)氣管道內(nèi)氣流壓力起伏變化，進(jìn)而構(gòu)成空氣動(dòng)力性噪聲，稱為進(jìn)氣噪聲。進(jìn)氣噪聲也是一個(gè)具有正弦特性的周期信號(hào)，單向閥膜片的開閉頻率與燃燒的工作頻率一樣。燃燒噪聲：脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體輻射產(chǎn)生，燃燒噪聲主要集中在燃燒室部分，通過(guò)燃燒室向外輻射。實(shí)際上脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲主要包括周期性進(jìn)氣噪聲、進(jìn)氣管中壓力脈動(dòng)可能引起的氣柱共振噪聲和進(jìn)氣通道截面突變構(gòu)成的渦流噪聲。排氣噪聲主要包括周期性排氣噪聲、出氣管道截面的突變引起的渦流噪聲等。針對(duì)進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲和燃燒噪聲的測(cè)點(diǎn)分布如此圖3所示。為了解進(jìn)氣和排氣的噪聲特性，在水平面內(nèi)，分別距進(jìn)氣口和排氣口300mm的半圓上均布5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1~5是針對(duì)排氣噪聲，測(cè)點(diǎn)6~10是針對(duì)排氣噪聲。測(cè)點(diǎn)11位于距燃燒室柱部幾何中心300mm處，為針對(duì)燃燒噪聲的測(cè)點(diǎn)。這種布點(diǎn)測(cè)量方式方法稱為針對(duì)性測(cè)量法。由于脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室噴管總長(zhǎng)為1100mm，卻存在多個(gè)噪聲源，為避免各噪聲源互相的干擾影響，除采用上述針對(duì)性測(cè)量法外，還采用了近場(chǎng)測(cè)量法。即緊靠發(fā)動(dòng)機(jī)殼體外表50mm處布點(diǎn)，在進(jìn)氣口、排氣口及燃燒室左側(cè)分別設(shè)定一個(gè)測(cè)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)圖4中的測(cè)點(diǎn)1，14和2)，其余針對(duì)燃燒室噴管殼體外側(cè)自燃燒室左側(cè)起，水平方向每隔100mm布一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共11個(gè)測(cè)點(diǎn)3~13，如此圖4所示。3、測(cè)試結(jié)果及分析3.1針對(duì)性測(cè)量法表1和圖5為針對(duì)性測(cè)量法各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)值。測(cè)試結(jié)果表示清楚，最大聲壓級(jí)發(fā)生在排氣口位置沿噴管軸線方向的測(cè)點(diǎn)3，高達(dá)98.9dB(A)；其次為進(jìn)氣口位置沿化油器軸線方向的測(cè)點(diǎn)8，為97.7dB(A)；燃燒室側(cè)面的測(cè)點(diǎn)11處的聲壓級(jí)僅為93.0dB(A)。位于排氣口的5個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿噴管軸線方向上聲壓級(jí)最大，偏離軸線方向聲壓級(jí)衰減非常明顯，45方向上的測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)4的聲壓級(jí)只要88.5dB(A)、87.8dB(A)，與軸線上的測(cè)點(diǎn)3相比，噪聲衰減值到達(dá)10dB(A)以上；偏離軸線90方向的測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5的聲壓級(jí)為83.8dB(A)、86.0dB(A)，最大衰減到達(dá)15.1dB(A)。因而，脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口位置處沿噴管軸線方向的噪聲值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于軸向兩側(cè)的噪聲值，且軸向偏轉(zhuǎn)的角度越大下降得越多，軸向兩側(cè)基本呈對(duì)稱衰減。排氣噪聲具有明顯的軸向指向性，這與最初將噴管假設(shè)為一維平面波相吻合。針對(duì)進(jìn)氣噪聲的測(cè)點(diǎn)6~測(cè)點(diǎn)10的測(cè)試結(jié)果也表現(xiàn)出類似于排氣噪聲的軸向指向性特性。沿進(jìn)氣口單向閥軸線方向聲壓級(jí)最強(qiáng)，軸向偏轉(zhuǎn)越多，噪聲衰減越多，但衰減的幅度遠(yuǎn)不如排氣噪聲那么明顯，偏轉(zhuǎn)90的測(cè)點(diǎn)6引起的最大衰減值僅為4.9dB(A)。這是由于燃燒室內(nèi)產(chǎn)生燃燒噪聲輻射后，因距測(cè)點(diǎn)6~測(cè)點(diǎn)11更進(jìn)一些，引起疊加的結(jié)果。3.2近場(chǎng)測(cè)量法表2和圖6為近場(chǎng)測(cè)量法各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)值。很顯然近場(chǎng)測(cè)量法由于測(cè)點(diǎn)距離發(fā)動(dòng)機(jī)殼體外表非常近，對(duì)應(yīng)的噪聲值比針對(duì)性測(cè)量法高得多。測(cè)試結(jié)果表示清楚，最大聲壓級(jí)仍發(fā)生在排氣口位置沿噴管軸線方向的測(cè)點(diǎn)14，高達(dá)126.3dB(A)，其次為進(jìn)氣口位置沿化油器軸線方向的測(cè)點(diǎn)1，聲壓級(jí)為119.2dB(A)，兩者相差7.1dB(A)。緊隨其后的是位于燃燒室部位的測(cè)點(diǎn)2~測(cè)點(diǎn)5，以位于燃燒室左側(cè)的測(cè)點(diǎn)2噪聲值107.4dB(A)為最高，其余3個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)很接近，其范圍為102.2~104.3dB(A)。位于噴管一側(cè)的7個(gè)測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)6~測(cè)點(diǎn)12)的噪聲值變化范圍為89.4~98.4dB(A)，假如不考慮測(cè)點(diǎn)6和7，將測(cè)點(diǎn)5與測(cè)點(diǎn)8直接連起來(lái)，能夠看出，從燃燒室錐部測(cè)點(diǎn)4起至噴管末端測(cè)點(diǎn)12止，噪聲值呈近似線性衰減趨勢(shì)。即能夠理解為進(jìn)氣噪聲和排氣噪聲對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面的影響很小，主要是由燃燒室內(nèi)的燃燒噪聲產(chǎn)生的結(jié)果，測(cè)點(diǎn)6和7位置處構(gòu)成較小的噪聲值可能主要與該處的橫截面突變引起的發(fā)射噪聲與反射噪聲在這里處的疊加消減的結(jié)果。4、結(jié)論通過(guò)分析小型脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)，構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的聲學(xué)模型。建立了針對(duì)排氣噪聲、進(jìn)氣噪聲和燃燒噪聲的針對(duì)性測(cè)量法和圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)外表近距離布點(diǎn)的近場(chǎng)測(cè)量法。兩種方式方法測(cè)試結(jié)果表示清楚，脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲為主要聲源，其次為進(jìn)氣噪聲，而燃燒噪聲相對(duì)于排氣噪聲和進(jìn)氣噪聲來(lái)講要低得多。同時(shí)排氣噪聲和進(jìn)氣噪聲均出現(xiàn)單向指向性特性，即排氣噪聲沿噴管軸向和進(jìn)氣噪聲沿化油器進(jìn)氣閥軸向上的噪聲強(qiáng)度最強(qiáng)，偏移軸向則噪聲強(qiáng)度減弱