喷管间距及偏角对超声速喷流噪声特性影响研究

张津泽 王国辉 徐珊姝

（1 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2 中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

0 引言

喷流噪声作为运载火箭起飞过程中的主要噪声源，发动机喷流高速冲击到发射台面和导流槽底部，以及超声速喷流噪声本身，都会产生严重的噪声污染，量级高达150dB以上，不仅对发射场附近人员产生损害，导致听力下降、心跳加快、血压上升等，还会对飞行器的载荷、结构以及地面设施造成巨大的危害。因此，需要深入研究超声速喷流噪声的分布特性和影响因素，为发射场、箭上设备及人员的降噪防护设计提供理论依据[1]。由于理论研究和数值仿真方面的限制，学者们长期以来采取实验的方法对喷流噪声开展研究。Mollo-Christensen[2]等研究了喷流马赫数、出口雷诺数对喷流噪声指向性及声谱特性的影响，研究发现，低频噪声主要发生在靠近轴线附近，而高频噪声则发生在较大的角度方位。Christopher[3]通过消声室内的试验测量分析喷流噪声的发声机制。试验结果表明，超音速喷流噪声的发声机制主要有两方面，一是喷管出口湍流漩涡尺度较小的激波噪声，一是喷流下游较大的湍流漩涡产生的混合噪声。Seiner等人[4-7]对前人关于喷流的研究进行总结，全面开展超音速喷流噪声的相关理论和试验研究。其主要研究喷管型面、燃气温度、压比等因素对超音速喷流噪声的影响。国内学者也展开了大量的实验研究。庄家煜等[8]研究了不同形状的喷嘴对喷流噪声的影响。韩磊等[9]设计超声速冷流试验，研究压强、喷管尺寸对噪声特性的影响。刘占卿等[10]在小型火箭发动机的点火试验中，利用声传感器测量了火箭发动机喷流噪声的频谱特性，并研究了不同导流槽出口型面的降噪性能。徐强等[11]通过对单室双推力试验发动机近场射流噪声的测量与分析，得到噪声峰值频率的变化范围。联合时频分析结果表明，同一测量位置处射流噪声的峰值频率与燃烧室压力的变化无关，而噪声幅值则依赖于燃烧室压力。

综上所述，国内外学者针对喷流噪声开展了相关的实验研究工作，但大都针对单喷管状态，针对多喷管状态喷管间距、喷管偏角对超声喷流噪声的影响研究尚未见公开报道。而运载火箭一般采用多台发动机并联的工作模式，发动机间距的变化会影响发动机喷流的混合作用，从而影响喷流流场性质，进而影响到喷流噪声的特性。此外，发动机都有一定的安装角，其喷流轴向并非与箭体轴向平行，在进行发动机推力矢量控制时，喷流又会发生一定的偏转。因此，本文通过超声速喷流噪声实验，研究多喷管状态下喷管间距、喷管偏角对噪声特性的影响，为真实状态下多喷管喷流噪声特性研究奠定了基础，具有十分重要的意义。

1 噪声实验系统

1.1 噪声实验台

噪声实验系统分为噪声实验台和噪声测量系统两部分构成。其中，噪声实验台的气源采用4MPa压缩空气，通过减压阀调整气流到预定工作压力，采用气动球阀控制管路的通气开关。当实验开始时，气动球阀打开，高压气流通过通气管路进入整流装置，使得喷管前工作压力达到稳定值、喷管喉部壅塞，再通过喷管扩张段使得喷管出口马赫数达到规定工作马赫数（Ma=3）。在整流装置上布置两个测压点a、b，以检测气流是否在预定的工作压力。实验台的实物图和原理图如图1所示。另外，针对噪声实验系统的测试环境（户外），为尽可能降低周围环境对噪声测量结果的影响（树木、墙壁的声反射作用），在测试现场搭设吸声材料（玻璃棉），降低周围物体的声反射作用。

图1 实验台结构示意图及实物 Fig.1 Schematic diagram and real photo of the experimental bench of the supersonic jet

1.2 噪声测量系统

1.2.1 噪声测量设备

超声速喷流噪声具有频带宽，峰值频率高等特点，因此，噪声测试系统必须具有较宽的通频带和较大的动态范围。测量系统采用的声传感器，测试频率范围10Hz~100kHz，完全符合实验的测试要求，运用后处理软件对数据进行采集和分析，获得噪声场的频域信息和声压级。

1.2.2 测点布置方案

根据实际环境，布置声传感器时，采用国标GB/T3767-1996中推荐的半球形布置方案按照一定角度和高度进行排列，并且使声传感器阵列的指向性对准被测试的喷管出口，以喷管出口为原点，变换距离、高度、角度，通过计算进行布置。 以喷管出口为坐标原点，喷流轴向为X轴正方向，喷流径向为Y轴正方向，共布置9个测点，测点距地面高度均与实验台高度相同，为1.2m，测点布置位置见图2，其中，1~7号测点位于一个半圆形平面内，与喷流轴向夹角分别为30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°，到喷管出口距离为1m，8、9两个测点与喷流轴向夹角为60°，到喷管出口距离分别为0.5m、2.0m，所有声传感器敏感面对准喷管出口方向。

图2 测点位置示意图 Fig.2 Schematic diagram of the measuring points of the acoustic sensors layout

2 实验工况及噪声特性分析

2.1 实验工况

共设计6组实验，工作压强均为1.3MPa，具体实验工况及喷管尺寸如表1所示，其中喷管均采用双喷管，喷管喉径为5mm，出口直径为10.3mm，喷管间距分别为25mm、30mm、35mm；喷管偏角分别为-5°、5°、10°（喷管偏角以朝喷流径向向外为正），喷管构型图和实物见图3。

图3 喷管构型图及实物 Fig.3 Structural schematic and real photo of the nozzle

表1 实验工况表 Table 1 Working parameter of different test

其中，实验1、2、3对比分析喷管间距对噪声特性的影响；实验4、5、6对比分析喷管偏角对噪声特性的影响。

2.2 噪声特性分析

2.2.1 噪声辐射特性

图4为实验1中两个测压点a、b的压强变化曲线，由图4中可见，气流压强逐渐上升至1.3MPa后稳定工作，持续时间大约为10s。在进行噪声特性分析时，选取稳定工作段内的声压时域信号进行处理和分析。

图4 实验1压强-时间曲线 Fig.4 Pressure-time curve in the experiment No.1

图5为实验1工况下1~7号测点的噪声频谱，从中可以看出，噪声频谱中含有高强度的离散纯音成分，即为啸音，其特点是频带窄、强度高。随着测点与喷流轴向夹角由30°逐渐增大到150°，噪声峰值频率不变，稳定在10300Hz左右。

图5 不同角度测点噪声频谱 Fig.5 Noise spectrum for sensors under different angles

图6为实验1工况下1~7号测点的声压级峰值，可以看出喷流噪声声压级峰值随喷流轴向夹角的变化。在测点与喷流轴向夹角由30°逐渐增大到150°时声压级峰值逐渐减小。当夹角为30°时，喷流噪声声压级峰值为132.4dB，当夹角增大到120°时，声压级峰值减小到113.0dB，比30°时减小了近20dB。当测点与喷流轴向夹角大于120°时，由于超声速喷流噪声中的啸音和宽频激波噪声主要向喷流上游传播，在135°时声压级峰值回升至114.1dB，在150°时又下降到110.0dB。

图6 不同角度下的声压级峰值 Fig.6 Peak value of the sound pressure level under different angles

图7为实验1工况下3、8、9号测点的噪声频谱，三个测点均与喷流轴向夹角为60°，到喷管出口距离分别为1m、2m、0.5m。从图中可以看出，噪声随测点距离的增加衰减较为明显，声压级峰值从129.2dB下降到了116.7dB，峰值频率变化不大。

图7 不同距离测点噪声频谱 Fig.7 Noise spectrum for sensors under different distance

2.2.2 喷管间距的影响

实验1、2、3对应喷管间距分别为25mm、30mm、35mm。随着喷管间距的增大，噪声峰值频率上升，对应声压级峰值下降，噪声量级也下降。以测点3为例，不同喷管间距状态下噪声频谱见图8所示，喷管间距为25mm、30mm、35mm时，峰值频率分别为10256Hz、10352Hz、11136Hz，对应声压级峰值为121.0dB、119.4dB、96.6dB。考虑喷流间的混合和遮蔽效应，当喷管间距为25mm时，两个喷管的喷流发生掺混，此时喷流噪声为掺混后喷流的噪声，掺混后喷流的等效出口面积大于单个喷管的出口面积，特征尺寸大，频率低。

图8 喷管间距对噪声的影响 Fig.8 Effect of nozzle distance on noise

当喷管间距上升到30mm时，喷流间掺混效应逐渐变弱，对应声压级峰值下降，掺混喷流等效出口面积减小，特征尺寸减小，峰值频率上升。当喷管间距上升到35mm时，几乎没有发生喷流掺混，喷流噪声可看作两个单喷管喷流噪声的叠加，声压级峰值小于掺混状态，对应的噪声峰值频率接近于单喷管状态的峰值频率，特征尺寸小，频率高。

2.2.3 喷管偏角的影响

试验4、5、6对应喷管偏角为-5°、5°、10°，喷管间距均为30mm。随着喷管偏角的增大，峰值频率上升。

以测点3为例，喷管偏角为-5°、5°、10°时，对应峰值频率分别为10304Hz、10816Hz、10896Hz。考虑喷流的混合和遮蔽效应，由于喷管偏角增大，喷流间的掺混作用逐渐减弱，对应的等效喷管直径变小，峰值频率上升。对应的声压级峰值没有明显规律，由于带偏角的喷管采用的是分段装配结构，很难保证安装状态的一致性，所以对啸音的幅值（声压级峰值）产生了一定的影响。

测点1~4在不同喷管偏角状态下的噪声频谱见图9。

图9 喷管偏角对噪声的影响 Fig.9 Effect of nozzle angle on noise

3 结论

通过超声速多喷管喷流噪声实验，研究了喷管间距、喷管偏角对噪声特性的影响，得到以下结论：

1）超声速喷流噪声具有很强的指向性，随着测点与喷流轴向夹角由30°上升到150°，噪声声压级峰值逐渐下降，峰值频率基本不变。在测点距离由0.5m增大到2m时，噪声声压级峰值下降，峰值频率基本不变；

2）随着喷管间距的增大，噪声峰值频率上升，声压级峰值下降；

3）随着喷管偏角的增大，噪声峰值频率上升。