專利名稱：用于噴氣發(fā)動機的消聲方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用來減小噴氣發(fā)動機中的噪聲的方法和系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及通過激發(fā)發(fā)動機內的等離子體以傳播聲干涉波來消除由噴氣發(fā)動機產生的聲波。
噴氣式飛機在其過量噪聲級方面是出了名的。居住在機場附近的個人持續(xù)承受來自經過飛機的高音調、高音量噪聲。飛機上的乘客也必須在長時間段內忍受噪聲。這種噪聲污染是不舒服的，并且甚至危及這些人的健康。因而，實行政府法規(guī)要求飛機遵守一定的最大噪聲級。
在燃氣渦輪發(fā)動機中基本上有三個噪聲源。主要噪聲源是發(fā)動機排氣。離開發(fā)動機的高速排出氣體產生噪聲，以及傳播來自發(fā)動機的機械噪聲。一個另外的噪聲源因為風扇和壓縮機葉片的高速轉動出現在空氣進口處。最后，機械發(fā)動機噪聲經飛機的機艙結構傳送。
用來抑制發(fā)動機噪聲的最普通方法包括被動技術，如用消音器機械地屏蔽噪聲源。其他被動技術包括機械地屏蔽噪聲波、和/或把聲能轉換成不同的能量形式，如熱能或不同頻率的聲波。這些技術僅在一定程度上是有效的，因為它們允許產生噪聲的空氣和廢氣自由地從源流動，并且然后試圖補救地掩蓋或消散聲能。類似地，已經開發(fā)了向周圍產生低速排氣流動氣流的排氣系統(tǒng)，并因而屏蔽來自高速排氣流動氣流的噪聲。這些技術只有有限的成功。
其他方法集中在更主動的技術上，如把進口空氣與排出氣體混合，以減小排出氣體的速度。這樣的旁通系統(tǒng)涉及改變旁通比，并且取決于用來混合旁通空氣和排出氣體的復雜混合器。關于該技術的一個問題是它通過泄放來自進口的吸入空氣降低發(fā)動機的效率。
另一種主動技術涉及把水之類的流體引入到排出氣體中。流體由排出氣體加熱，并且迅速膨脹。迅速膨脹產生與由發(fā)動機產生的噪聲和振動不同相的聲音和振動。然而，該方法要求飛機攜帶大量流體，增加了飛機的重量。
在理論上，借助于消除聲波的主動技術應該能夠幾乎完全抑制發(fā)動機噪聲。這樣一種技術依靠波干涉或相消干涉的原理工作。試圖使用相消干涉的方法一般使用一個麥克風、一個控制單元、和一個揚聲器。麥克風檢測要消除的聲波，并且產生一個傳送到控制器的電信號?？刂破鬓D換該信號，并且把它送到揚聲器，揚聲器產生與原始聲波通常相位相差180°的聲波。兩個波相互干涉并且抵消。
這些用來集成到往復發(fā)動機排氣上的技術已經發(fā)展了，并且在專利No.5,466,899和5,414,230中描述。可惜，實現理論干涉通常由限制任何理想的、倒相聲波形成的實際事實挫敗。而且，這些方法不能抵消波的第一半周期或最后的半周期。即使倒相對準是可行的，為了全部抵消兩個波也必須仍有對稱的壓力變化。
這樣一種先有技術的具體例子發(fā)現在1976年2月3日發(fā)給Wanke的美國專利3,936,606中。該專利表明一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的噪聲抑制系統(tǒng)，該系統(tǒng)產生一個反波，或倒相波，該波相對于聲波同相并且是鏡象對稱的。一個麥克風檢測聲波。一個控制器產生一個時間延遲且倒相的鏡象對稱信號，以通過揚聲器產生倒相波。Wanke使用大導管引導聲波和反波，以便產生能容易組合成相互抵消的平面波。然而，該方法的實際應用受到限制，因為要求通過波導管引導波以把所有的波能量轉換成平面波。
因此，有利的是，開發(fā)一種用來減小噪聲能夠在飛機上實現且能夠產生在三維空間傳播的干涉波的方法和設備。
本發(fā)明的一個目的在于提供一種消聲方法。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種能夠在飛機上實現的消聲系統(tǒng)。
本發(fā)明的又一個目的在于提供一種能夠產生一個與噪聲波相消干涉的倒相波的消聲系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種能夠產生一個在三維空間中傳播的倒相波的消聲系統(tǒng)，與限于平面波相反。
本發(fā)明的另外一個目的在于提供一種能夠通過激發(fā)等離子體產生倒相波的消聲系統(tǒng)。
本發(fā)明的這些和其他目的和優(yōu)點在用來檢測噪聲波、和產生一個代表該噪聲波的電信號的傳感器中實現。該傳感器聯接到一個分析器和一個波形發(fā)生器上，該分析器和波形發(fā)生器把電信號轉換成代表與噪聲波相消干涉的干涉聲波的干涉信號。一個放大器和時間延遲可以用來加強和延遲干涉信號。一個等離子體聯接裝置把干涉信號施加到由噴氣發(fā)動機的熱排出氣體產生的導電等離子體上。干涉信號使導電等離子體能夠產生一個脈沖干涉波，該脈沖干涉波與在起始源處的聲波相消干涉。
由考慮結合附圖的如下詳細描述，對于熟悉本專業(yè)的技術人員本發(fā)明的這些和其他目的、特征、優(yōu)點和可選擇方面是顯然的。


圖1是包含本發(fā)明的噪聲抑制系統(tǒng)的一個最佳實施例的燃氣渦輪的豎直剖視圖。
圖2是包含本發(fā)明的噪聲抑制系統(tǒng)的一個可選擇實施例的燃氣渦輪的排氣導管的豎直剖視圖。
圖3是包含本發(fā)明的噪聲抑制系統(tǒng)的另一個可選擇實施例的燃氣渦輪的排氣導管的豎直剖視圖。
圖4是包含本發(fā)明的噪聲抑制系統(tǒng)的又一個可選擇實施例的燃氣渦輪的排氣導管的豎直剖視圖。
圖5是本發(fā)明的噪聲抑制系統(tǒng)的一個最佳實施例的示意圖。
圖6是包含本發(fā)明的噪聲抑制系統(tǒng)的一個可選擇實施例的燃氣渦輪的排氣導管的豎直剖視圖。
圖7是包含本發(fā)明的噪聲抑制系統(tǒng)的一個可選擇實施例的燃氣渦輪的排氣導管的豎直剖視圖。
圖8是包含本發(fā)明的噪聲抑制系統(tǒng)的一個可選擇實施例的燃氣渦輪的排氣導管的豎直剖視圖。
如圖1中所示，表示的一個燃氣渦輪發(fā)動機10帶有本發(fā)明的消聲系統(tǒng)30。發(fā)動機10帶有一個空氣進口12和一個當空氣進入發(fā)動機10時用來壓縮空氣的壓縮機14。壓縮機14一般包括一個低壓壓縮機和一個高壓壓縮機。空氣與燃料混合，并且在燃燒室16中燃燒。燃燒的燃料和空氣的膨脹在進入一根排氣管20之前轉動一個渦輪18。渦輪18一般包括一個高壓渦輪和一個低壓渦輪。渦輪18驅動壓縮機14。燃燒的空氣和燃料然后經一個出口22排出。
在燃燒室內借助于導電等離子體使三維干涉波的產生變得更為方便。隨著空氣和燃料燃燒，形成一種離子化的氣體或等離子體24。在這種狀態(tài)下，氣體加熱到非常高的溫度，并且圍繞氣體原子的電子擺脫原子核。因而，加熱的氣體變成自由帶電粒子的集合，包括帶負電的電子和帶正電的離子。等離子體24的特征在于是導電的。
如上所述，排氣管20或出口22是噪聲的主源。在26處表示的噪聲波產生于發(fā)動機10中，并且經排氣管20發(fā)射而離開出口22。
本發(fā)明的消聲系統(tǒng)30包括一個諸如麥克風或壓力傳感器之類的傳感器32，策略地定位在排氣管20內以檢測噪聲波。在本發(fā)明的最佳實施例中，傳感器32布置在排氣管20內。傳感器32如此定位，從而它可以檢測排氣管20內的噪聲波，但防止與排出氣體直接接觸。傳感器32可以由耐用材料制成，或者由防護板覆蓋以保護它免受高溫、高速排出氣體。如果使用防護板，則它應該配置成不干涉發(fā)動機的效率。
要不然，如圖2中所示，傳感器32可以布置在整個發(fā)動機外殼33內，但在排氣管20的外部。這種配置具有防護傳感器32免受排出氣體的優(yōu)點。此外，如圖3中所示，傳感器32可以布置在發(fā)動機10的出口22處。這種配置具有把傳感器定位在噪聲波從發(fā)動機發(fā)出處的優(yōu)點。重要的是，這樣定位傳感器32，從而它可以最好地檢測噪聲波而不被排氣損壞。當然應該理解，任何數量的傳感器能便利地布置在發(fā)動機內或發(fā)動機外的位置處，如圖4中所示。
如圖5中所示，傳感器32產生一個與排氣管20中代表噪聲波的檢測噪聲波相對應的電噪聲信號34。噪聲信號34從傳感器32傳送到一個控制器35以被處理?？刂破?5可以包括各種功能，如信號分析、波形產生、放大、時間延遲、和誤差校正。當然應該理解，代表噪聲波的信號可以是數字或模擬信號，并且可以電傳送或由光纖傳送。
在最佳實施例中，傳感器32電氣連接到一個信號分析器36上，否則與之通信，信號分析器36從傳感器32接收噪聲信號34。信號分析器36分析噪聲信號34。
噪聲信號34從信號分析器36傳送到一個波形發(fā)生器38，波形發(fā)生器38電氣聯接到信號分析器36上。波形發(fā)生器38產生一個由噪聲信號倒相的干涉信號40。重要的是注意到，該信號最好是被倒相而不是移相。一個倒相信號繞零幅值軸倒相，從而倒相信號的谷是原始信號的峰的鏡象圖象。例如，如果傳感器檢測到一個復雜的、非對稱的、噪聲波，則波形發(fā)生器產生一個倒相信號，該倒相信號是原始信號的顛倒或鏡象圖象。與倒相信號相對應的倒相波將與噪聲波相消干涉。
一個放大器42可以用來產生一個增大幅值、倒相的干涉信號，從而該信號具有足夠的電氣數值以激發(fā)等離子體24。干涉信號40傳送到放大器42，放大器42電氣聯接到波形發(fā)生器38上。此外，因為聲波以聲速傳播，而電氣信號可能傳送得更快，所以可能必須包含一個時間延遲46。放大的干涉信號傳送到時間延遲46，時間延遲46電氣聯接到放大器42上。
而且，可能還包括一個誤差校正器48以進一步校正干涉信號70。如圖4中所示，一個誤差傳感器50可以布置在發(fā)動機的外面，例如布置在飛機的尾部或后機體上。該誤差傳感器50檢測生成的聲波70，并且根據生成的聲波70產生一個電氣誤差信號52。干涉信號40然后由誤差校正器48改進，以補償以前未減小的噪聲波。
干涉信號40傳送到一個電氣聯接到控制器35上的等離子體聯接裝置60。等離子體聯接裝置60把倒相的干涉信號40施加到等離子體24上。
在一個最佳實施例中，離子體聯接裝置60是一根伸到排氣管20中的桿62，如圖1中所示。桿62固定到排氣管20的內表面上。桿62是導電的，并且由能承受高溫、高速排出氣體的材料制成。
要不然，如圖6中所示，聯接裝置60可以是在排氣管20的內壁上的一個電極64或多個電極。該電極可以是在排氣導管內表面上且包圍排出氣體的帶或環(huán)65，如圖7中所示。當然應該理解，聯接裝置可以包括用來把倒相信號傳導到等離子體24的任何數量的桿或電極。
要不然，施加裝置60可以是一根定位且與排出氣體的流動共線取向的天線66，如圖8中所示。
要不然，施加裝置可以布置在發(fā)動機10的出口22處。
顯然，如果倒相分量能及時地傳送到等離子體區(qū)域，從而等離子體產生一個用來抵消有害噴氣發(fā)動機壓縮波的物理壓縮波，則電氣干涉信號才是有效的。該方面稱作與電氣干涉信號40有關的聲發(fā)生裝置。干涉信號40可以是從控制器35輸出的可變數字或模擬信號。聲發(fā)生方面可以包括與干涉信號40有關的電壓輸出，干涉信號40使離子體的電氣狀態(tài)有效。用來脈動離子體的一種可能機理取決于施加到引起電荷密度變化的離子體上的電壓。電荷密度的變化伴隨有離子體的物理密度和物理尺寸的變化。因而，把電壓電荷施加到等離子體上導致等離子體膨脹或收縮。隨著等離子體膨脹，產生一個壓力波。隨著等離子體收縮，產生一個空穴。等離子體的膨脹和收縮產生一個脈動干涉波68，如圖1中所示。因為干涉波68是由原始噪聲信號34倒相成的，由等離子體產生的干涉波68以相消方式與噪聲波26干涉。
由電激發(fā)的等離子體24產生的干涉波68的特征在于，相對于由發(fā)動機10產生的噪聲波26同相并且是鏡象對稱的。根據波干涉或相消干涉的原理，干涉波68與噪聲波26結合，形成較小噪聲級的生成聲波70。結果是干涉波68基本上抵消了噪聲波26。
如果在排氣管20中不能足夠地實現等離子體狀態(tài)24，則可能必須通過進一步加熱排出氣體來增加等離子體形成，以克服排氣的介電性質。排出氣體也可以用導電材料活化，以增加排出氣體的導電性。可以使用多種活化技術，如把導電材料噴灑到燃燒室或排氣導管中。導電材料可以是鹽或鹽晶體。離子鹽的存在增加了排出氣體的導電性，并且減小了要求得到導電等離子體的溫度。
與在聲音消除方面的先有技術償試有關的多個問題之一，是在各種施加過程中形成平面波的不適當性。準確地說，一些先有技術系統(tǒng)包括形成平面波的大導管結構，以便啟動相消干涉。然而，在實際中，聲波等同地在所有方向傳播，而不是單一、線性方向傳播。先有技術方法的精巧和大型導管結構，因為生成波的平面本質、以及有限的空間和在飛機本身上的摩擦阻力，對于燃氣渦輪發(fā)動機一直是不實用的。
本發(fā)明的一個優(yōu)點在于等離子體24是三維的。隨著等離子體24膨脹和收縮，由于充電干涉信號40的激發(fā)，它在三維中這樣進行。因此，產生的干涉波68不限于平面波，而象打算消除的噪聲波26在三維中傳播。
盡管借助于具體的參考例和以飛機上的燃氣發(fā)動機作為例子已經描述了本發(fā)明，但當然應該理解，本發(fā)明可以用于任何用途中的燃氣發(fā)動機，或用于形成等離子體或其他可膨脹導電介質的任何系統(tǒng)。
要理解，本發(fā)明的描述實施例僅是說明性的，并且對于熟悉本專業(yè)的技術人員可以進行改進。因而，本發(fā)明不能認為是對公開實施例的限制，而是僅限制為由這里附屬的權利要求書所定義的那樣。
權利要求
1.一種用來消除在諸如等離子體之類的導電可膨脹介質附近的噪聲波的設備，所述設備包括一個傳感器，用來檢測所述噪聲波，所述傳感器產生一個代表所述噪聲波的電噪聲信號；一個控制器，電氣聯接到所述傳感器上，用來根據所述電噪聲信號產生一個電干涉信號，所述電干涉信號基本上由所述電噪聲信號倒相，以實現波抵消；一個等離子體聯接裝置，電氣聯接到所述控制器上，用來把所述電干涉信號施加到所述導電等離子體上；及一個聲發(fā)生裝置，與所述電干涉信號有關，用來使所述導電等離子體能夠產生一個脈動干涉波，由此基本上消除所述噪聲波。
2.根據權利要求1所述的設備，所述設備進一步包括一個集體地容納傳感器、控制器和等離子體聯接裝置的燃氣渦輪發(fā)動機。
3.根據權利要求1所述的設備，其中所述控制器包括一個聯接到傳感器上的信號分析器。
4.根據權利要求1所述的設備，其中所述控制器包括一個波形發(fā)生器。
5.根據權利要求1所述的設備，其中所述控制器包括一個用來增大電干涉信號的幅值的放大器。
6.根據權利要求1所述的設備，其中所述控制器包括一個用來延遲電干涉信號以便使干涉波與噪聲波同步的時間延遲。
7.根據權利要求1所述的設備，其中所述控制器包括用來修進電干涉信號的一個誤差控制器和一個誤差傳感器。
8.根據權利要求1所述的設備，其中所述傳感器包括多個傳感器。
9.根據權利要求1所述的設備，其中所述聯接裝置包括一個電極。
10.根據權利要求1所述的設備，其中所述聯接裝置包括一根導電桿。
11.根據權利要求1所述的設備，其中所述聯接裝置包括一根定位且與所述排出氣體共線取向的天線。
12.根據權利要求1所述的設備，所述設備進一步包括一個用來形成一種導電、可膨脹氣體介質的等離子體形成裝置。
13.根據權利要求1所述的設備，其中所述聲發(fā)生裝置是施加到等離子體上的可變電壓，使等離子體響應電壓值的變化膨脹和收縮。
14.一種用來消除在諸如等離子體之類的導電可膨脹介質附近的噪聲波的設備，所述設備包括一個腔室；一個等離子體形成裝置，聯接到腔室上，用來在所述腔室中形成等離子體；一個傳感器，用來檢測所述噪聲波，所述傳感器產生一個代表所述噪聲波的電噪聲信號；一個控制器，電氣聯接到所述傳感器上，用來根據所述電噪聲信號產生一個電干涉信號，所述電干涉信號至少由所述電噪聲信號倒相；和一個等離子體聯接裝置，電氣聯接到所述控制器上，用來把所述電干涉信號施加到所述導電等離子體上；及一個聲發(fā)生裝置，與所述電干涉信號有關，用來使所述導電等離子體能夠產生一個脈動干涉波，由此基本上消除所述噪聲波。
15.根據權利要求14所述的設備，其中所述噪聲波由所述等離子體形成裝置在所述腔室中產生。
16.根據權利要求14所述的設備，其中所述腔室是一個燃氣渦輪發(fā)動機。
17.根據權利要求14所述的設備，其中所述等離子體形成裝置是一個燃氣渦輪發(fā)動機。
18.根據權利要求14所述的設備，其中所述控制器包括一個信號分析器。
19.根據權利要求14所述的設備，其中所述控制器包括一個波形發(fā)生器。
20.根據權利要求14所述的設備，其中所述控制器包括一個用來增大電干涉信號的幅值的放大器。
21.根據權利要求14所述的設備，其中所述控制器包括一個用來延遲電干涉信號以便使干涉波與噪聲波同步的時間延遲。
22.根據權利要求14所述的設備，其中所述控制器包括一個誤差控制器。
23.根據權利要求14所述的設備，其中所述傳感器包括多個傳感器。
24.根據權利要求14所述的設備，其中所述施加裝置包括一個電極。
25.根據權利要求14所述的設備，其中所述施加裝置包括一根導電桿。
26.根據權利要求14所述的設備，其中所述聲發(fā)生裝置是施加到等離子體上的可變電壓，使等離子體響應電壓值的變化膨脹和收縮。
27.一種用來消除在諸如等離子體之類的導電可膨脹介質附近的噪聲波的方法，所述方法包括步驟(a)檢測所述噪聲波；(b)產生代表所述噪聲波的一個電噪聲信號；(c)用來根據所述電噪聲信號產生一個電干涉信號，所述電干涉信號至少由所述電噪聲信號倒相；(d)把所述電干涉信號施加到所述導電等離子體上；及(e)用來借助于所述導電等離子體產生一個干涉波，由此基本上消除所述噪聲波。
28.根據權利要求27所述的方法，進一步包括形成一種等離子體的步驟。
全文摘要
一種用來減小在諸如燃氣渦輪發(fā)動機(10)的排氣中之類的導電等離子體附近的噪聲波的方法和設備,帶有:一個傳感器(32),檢測噪聲波并且產生代表性電噪聲信號;一個分析噪聲信號的分析器(36),一個根據噪聲信號產生倒相的、電干涉信號的波形發(fā)生器(38),一個放大器(42),一個時間延遲(46),一個誤差校正器(48);及一個施加裝置,把電干涉信號傳導到等離子體,使等離子體產生消除噪聲波的一個脈動干涉波。
文檔編號G10K11/178GK1251981SQ98804127
公開日2000年5月3日 申請日期1998年3月6日 優(yōu)先權日1997年3月7日
發(fā)明者艾爾伍德·G·諾利斯 申請人:美國技術公司