运载火箭贮箱放气消声器设计

　　消声器是阻止声音传播而允许气流通过的一种器件,是消除空气动力性噪声的重要技术措施。如把消声器安装在空气动力设备的气流通道上,就可降低该设备的噪声。

　　火箭贮箱的放气噪声高达120~130 dB(A),且由于箭体排气口位置高,噪声具有传播远、污染面大的特点,是火箭测试过程中的重大污染源,对火箭的正常测试和参试人员的身心都极为不利。所以,在箭体放气过程中应加装消声装置,把放气噪声降低到对人无害的程度。

　　1　基元流噪声声功率

　　贮箱放气过程产生的噪声属于排气噪声,排气噪声是一种气流喷注噪声,喷气流的流动情况如图1所示[1]。图中D为喷口直径,X为离喷口的距离。

　　整个气流分为2个部分:初始段和主体段。初始段具有确定的核心速度,其长度约为5倍的喷口直径;主体段延伸得更远些。

　　离开喷口不同距离X的喷气流部分辐射声功率变化关系,如图2所示[2],即与X/D的关系。图中表明:在距喷口5倍直径距离的初始段部分,基元体积辐射的噪声声功率占整个喷气流声功率的一半以上,而且各基元体积辐射的噪声声功率与基元体积离开喷口的位置几乎无关。在远离喷口的主体段部分,喷气流基元体积所辐射的声功率随着离开喷口距离的7次方而急剧地下降。因此,喷气流噪声主要是由离喷口6倍直径距离内的喷气段所产生。

　　式(1)为远声场,即离开声源的距离远远大于声源和声波波长的点,其声功率计算关系式为[2]

　　式中:a0为无扰动介质中的声速;ρc,ρ0为喷气流和周围介质的密度;Tc,T0为喷气流和周围介质的绝对温度;νc为喷气流速度;D为喷口直径;K为比例系数,由实验数据可得K=2.8×10^-5。

　　式(1)表明喷注噪声声功率与喷注速度的8次方成正比,喷注速度降低一半,噪声降低24dB(A)。采用以多级减压和微穿孔结构为基础,并辅以吸声、消能、滤波等各种措施,气体流速由高速变为低速,可在一定程度上降低噪声。式(1)为降低喷注噪声提供了理论依据,遵循这一理论设计消声器是传统型消声器的特点。

　　2　小孔消声器设计原理

　　2.1　小孔消声器原理

　　小孔消声器是一种不同于传统消声器的消声装置,它采用移频的方法将喷注噪声频率移至可听声之外,从而达到降低干扰噪声的目的。

　　人耳的听觉特性与声音的频率密切相关。可听声的范围是20 Hz~20kHz。实验证明,人耳对1~2kHz的声音最敏感,对8kHz以上频率的声音反应迟钝,对20 kHz以上频率的声音就没有反应了。排气噪声是一种宽频带噪声,它具有明显的峰值频率,在1~2 kHz附近有一个“驼峰”,恰恰是人耳听觉最敏感的区域,因而对人耳的干扰和环境的污染最大。