способ и устройство для подавления акустических шумовых волн

Формула изобретения

1. Устройство подавления акустических шумовых волн вблизи плазмы, представляющей собой электрически проводящую расширяемую среду, содержащее схемы для формирования электрического шумового сигнала, представляющего эти акустические шумовые волны, управляющее устройство, электрически соединенное с датчиком, для формирования электрического интерференционного сигнала на основе указанного электрического шумового сигнала, причем электрический интерференционный сигнал в основном инвертирован по фазе относительно электрического шумового сигнала для погашения волны, средство связи с плазмой, электрически соединенное с управляющим устройством, для наложения электрического интерференционного сигнала на электрически проводящую плазму, и средство генерирования звука, принимающее электрический интерференционный сигнал, для обеспечения электрически проводящей плазме генерировать пульсирующую интерференционную волну, гася в основном акустические шумовые волны.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанные датчик, управляющее устройство и средство связи с плазмой расположены на газотурбинном двигателе.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что управляющее устройство включает в себя анализатор сигналов, соединенный с датчиком.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что управляющее устройство включает в себя генератор сигналов заданной формы.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что управляющее устройство включает в себя усилитель для увеличения амплитуды электрического интерференционного сигнала.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что управляющее устройство включает в себя средство наложения временной задержки для электрического интерференционного сигнала и синхронизации интерференционных волн с акустическими шумовыми волнами.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что управляющее устройство включает в себя корректор ошибок и датчик ошибок для модифицирования электрического интерференционного сигнала.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит ряд указанных датчиков.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство связи включает в себя электрод.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство связи включает в себя проводящий стержень.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство связи включает в себя антенну, размещенную и ориентированную коллинеарно выхлопным газам.

12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит средство образования плазмы для создания проводящей, расширяемой газовой среды.

13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство генерирования звука представляет собой переменное напряжение, прилагаемое к плазме и обеспечивающее расширение и сжатие плазмы в ответ на изменение уровня напряжения.

14. Устройство для подавления акустических шумовых волн вблизи плазмы, представляющей собой электрически проводящую расширяемую среду, содержащее отсек для образования плазмы, средство образования плазмы, соединенное с отсеком, датчик для обнаружения акустических шумовых волн, формирующий электрический шумовой сигнал, представляющий акустические шумовые волны, управляющее устройство, электрически соединенное с датчиком, для формирования электрического интерференционного сигнала на основе указанного электрического шумового сигнала, причем электрический интерференционный сигнал, как минимум, инвертирован по фазе относительно электрического шумового сигнала, средство связи с плазмой, электрически соединенное с управляющим устройством, для наложения электрического интерференционного сигнала на электрически проводящую плазму, и средство генерирования звука, принимающее электрический интерференционный сигнал, для обеспечения электрически проводящей плазме генерировать пульсирующую интерференционную волну, гася в основном акустические шумовые волны.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что акустические шумовые волны генерируются средством образования плазмы в указанном отсеке.

16. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что отсек представляет собой газотурбинный двигатель.

17. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что средство образования плазмы представляет собой газотурбинный двигатель.

18. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что управляющее устройство включает в себя анализатор сигналов.

19. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что управляющее устройство включает в себя генератор сигналов заданной формы.

20. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что управляющее устройство включает в себя усилитель для увеличения амплитуды электрического интерференционного сигнала.

21. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что управляющее устройство включает в себя средство наложения временной задержки для электрического интерференционного сигнала и синхронизации интерференционных волн с акустическими шумовыми волнами.

22. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что управляющее устройство включает в себя корректор ошибок.

23. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что оно содержит ряд указанных датчиков.

24. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что средство связи с плазмой включает в себя электрод.

25. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что средство связи с плазмой включает в себя проводящий стержень.

26. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что средство генерирования звука представляет собой переменное напряжение, прилагаемое к плазме и обеспечивающее расширение и сжатие плазмы в ответ на изменение уровня напряжения.

27. Способ подавления акустических волн вблизи плазмы, представляющей собой электрически проводящую расширяемую среду, включающий в себя регистрацию акустической шумовой волны, формирование электрического шумового сигнала, представляющего акустические шумовые волны, формирование электрического интерференционного сигнала на основе электрического шумового сигнала, причем этот электрический интерференционный сигнал, как минимум, инвертирован по фазе относительно электрического шумового сигнала, наложение электрического интерференционного сигнала на электрически проводящую плазму и генерирование интерференционной волны с электрически проводящей плазмой, гася в основном акустические шумовые волны.

28. Способ по п. 27, отличающийся тем, что он включает в себя образование плазмы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу и системе для уменьшения шума реактивного двигателя. Конкретнее, данное изобретение относится к подавлению акустических волн, создаваемых реактивным двигателем, заставляя при этом плазму внутри двигателя распространять акустическую интерференционную волну.

Известный уровень техники

Хорошо известно, что реактивные самолеты создают избыточный уровень шума. Люди, живущие рядом с аэропортами, постоянно подвергаются шумам с большой высотой тона и с большой громкостью звука. Пассажиры на борту самолета также должны выносить этот шум в течение длительного времени. Это шумовое "загрязнение" неудобно и даже опасно для здоровья таких лиц. Соответственно, действуют правительственные положения, требующие, чтобы самолет не превышал определенные максимальные уровни шума.

Имеются, в принципе, три источника акустического шума в газотурбинном двигателе. Основной источник шума - это выхлопы двигателя. Высокоскоростные выхлопные газы, выходящие из двигателя, создают и распространяют механический шум от двигателя. Дополнительный источник шума возникает при заборе воздуха из-за высокоскоростного вращения лопастей воздушного винта и компрессора. Наконец, механический шум двигателя передается через конструкцию гондолы самолета.

Самые распространенные способы подавления шума двигателя предполагают пассивные методы, такие как механическая блокировка источника шума шумопоглотителем. К числу других пассивных методов относится механическая блокировка шумовых (звуковых) волн или/и преобразование акустической энергии в разные виды энергии, такие как тепловая энергия или акустические волны разных частот.

Эти методы только условно эффективны, поскольку они позволяют воздуху и выхлопным газам, которые создают шум, свободно перемещаться от источника и при этом пытаются что-то исправить, закрывая или рассеивая акустическую энергию. Аналогичным образом были разработаны выхлопные системы, создающие текущий вниз низкоскоростной поток выхлопных газов, который окружает и тем самым блокирует шумы от высокоскоростного потока. Эти системы имели только ограниченный успех.

Другие способы представляли собой более активные методы, такие как смешивание поступающего воздуха с выхлопными газами для снижения скорости выхлопных газов. Такие перепускные системы предполагают изменение расхода перепуска и зависят от сложных смесителей для смешивания перепускного воздуха с выхлопными газами.

Один из недостатков, связанный с этим методом, заключается в том, что он снижает эффективность работы двигателя, отсасывая забираемый воздух из воздухозаборного канала.

Другой активный метод включает в себя ввод жидкости, например воды, в выхлопные газы. Жидкость нагревается выхлопными газами и быстро расширяется. Быстрое расширение вызывает звук и вибрации, которые не совпадают по фазе с шумом и вибрациями, создаваемыми двигателем.

Однако этот способ требует, чтобы самолет перевозил большой объем жидкости, что увеличивает вес самолета.

В теории почти что полное подавление шума двигателя должно было быть возможным с помощью активного метода, который уничтожает акустические волны. Такой метод работал бы по принципу интерференции волн или интерференции с ослаблением (деструктивной или гасящей интерференции). В способах, в которых пытаются использовать интерференцию с ослаблением, обычно используется микрофон, управляющий блок и громкоговоритель. Микрофон регистрирует подлежащую уничтожению акустическую волну и генерирует электрический сигнал, который посылается в управляющее устройство. Управляющее устройство инвертирует сигнал и посылает его громкоговорителю, который создает акустическую волну, которая обычно отличается по фазе на 180^o от начальной звуковой волны. Две волны интерферируют между собой и уничтожают друг друга.

Такие способы были разработаны для интегрирования на выхлопах поршневых двигателей и описаны в патентах США 5466899 и 5414230. К сожалению, реализации теоретической интерференции обычно мешают практические реалии, которые ограничивают образование любой идеальной, инвертированной по фазе акустической волны. Кроме того, эти способы не могут подавить первую половину цикла волны или последнюю половину цикла. Даже если бы можно было реализовать обратное фазовое выравнивание, две волны все же должны иметь симметричные изменения давления для полного подавления.

Такой конкретный пример из уровня техники можно найти в патенте США 3936606, выданном 3 февраля 1976г. Уонки. В этом патенте показана система подавления шумов для газотурбинного двигателя, которая создает противоволну или инвертированную по фазе волну, совпадающую по фазе и имеющую зеркальную симметрию относительно акустической волны. Микрофон обнаруживает акустическую волну. Управляющее устройство создает задержанный по времени зеркально-симметричный сигнал с противоположной фазой для генерирования инвертированной по фазе волны через громкоговоритель. Уонки использует крупные трубы для передачи по каналам связи акустической волны и противоволны, чтобы создать плоские волны, которые можно легко комбинировать для погашения друг друга.

Однако практическое применение этого способа ограничено, потому что существует требование, чтобы волны направлялись через волновод для преобразования всей волновой энергии в плоские волны.

Поэтому было бы полезно разработать способ и устройство для уменьшения шумов, способные быть реализованными в самолете и способные создавать волну интерференции, распространяющуюся в трехмерном пространстве.

Задачи и сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа уменьшения звука.

Другой задачей настоящего изобретения является создание системы уменьшения звука, которая способна реализовываться в самолете.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание системы уменьшения звука, способной создавать инвертированную по фазе волну для интерференции с ослаблением с акустической шумовой волной.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание системы уменьшения звука, способной создавать инвертированную по фазе волну, распространяющуюся в трехмерном пространстве, вместо того чтобы ограничиваться только плоскими волнами.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание системы уменьшения звука, способной создавать инвертированную по фазе волну путем стимулирования плазмы.

Эти и другие задачи и преимущества настоящего изобретения реализуются в датчике для обнаружения акустических шумовых волн и формирования электрического сигнала, представляющего шумовую волну. Датчик подсоединен к анализатору и генератору сигналов заданной формы, которые преобразуют электрический сигнал в интерференционный сигнал, представляющий интерференционную акустическую волну, которая будет интерферировать с ослаблением с шумовой волной. Можно использовать усилитель и временную задержку для повышения уровня и задержки интерференционного сигнала. Средство связи с плазмой накладывает интерференционный сигнал на электрически проводящую плазму, создаваемую горячими выхлопными газами реактивного двигателя. Интерференционный сигнал позволяет электрически проводящей плазме генерировать пульсирующую интерференционную волну, которая интерферирует с ослаблением с акустическими волнами у источника их образования.

Эти и другие задачи, признаки, преимущества и альтернативные аспекты данного изобретения станут очевидными для специалистов из рассмотрения следующего подробного описания, взятого в сочетании с сопроводительными чертежами.

Описание чертежей

Фиг. 1 - это вид в вертикальном продольном разрезе турбины, включающий в себя предпочтительный пример выполнения системы подавления акустического шума согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2 - это вид в вертикальном продольном разрезе выходной части турбины, включающий в себя альтернативный пример выполнения системы подавления акустического шума согласно настоящему изобретению.

Фиг. 3 - это вид в вертикальном продольном разрезе выходной части турбины, включающий в себя дополнительный альтернативный пример выполнения системы подавления акустического шума согласно настоящему изобретению.

Фиг. 4 - это вид в вертикальном продольном разрезе выходной части турбины, включающий в себя еще один альтернативный пример выполнения системы подавления акустического шума согласно настоящему изобретению.

Фиг. 5 - это схема предпочтительного примера выполнения системы подавления акустического шума согласно настоящему изобретению.

Фиг. 6 - это вид в вертикальном продольном разрезе выходной части турбины, включающий в себя альтернативный пример выполнения системы подавления акустического шума согласно настоящему изобретению.

Фиг. 7 - это вид в вертикальном продольном разрезе выходной части турбины, включающий в себя альтернативный пример выполнения системы подавления акустического шума согласно настоящему изобретению.

Фиг. 8 - это вид в вертикальном продольном разрезе выходной части турбины, включающий в себя альтернативный пример выполнения системы подавления акустического шума согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Как показано на фиг.1, имеется газотурбинный двигатель 10 с системой 30 уменьшения шума согласно этому изобретению. Двигатель 10 имеет воздухозаборное отверстие 12 и компрессор 14 для сжатия воздуха, поступающего в двигатель 10. Компрессор 14 обычно состоит из компрессора низкого давления и компрессора высокого давления. Воздух смешивается с топливом и сжигается в камере сгорания 16. Расширение сгоревшего топлива и воздуха вращает турбину 18 до поступления в выходную часть 20. Турбина 18 обычно состоит из турбины высокого давления и турбины низкого давления. Турбина 18 приводит в действие компрессор 14. Сгоревшие воздух и топливо выбрасываются через выпускное отверстие 22.

Образование трехмерной интерференционной волны внутри камеры сгорания облегчается проводящей плазмой. Когда воздух и топливо сгорают, образуется в высшей степени ионизированный газ, или плазма 24. В этом состоянии газ нагревается до очень высоких температур, и электроны, окружающие атомы газа, освобождаются от ядра. Таким образом, нагретый газ становится набором свободных электрически заряженных частиц, содержащих отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы. Плазма 24 является электрически проводящей.

Как отмечалось ранее, выходная часть 20 или выпускное отверстие 22 являются первичными источниками акустического шума. Акустические шумовые волны, обозначенные позицией 26, образуются в двигателе 10 и испускаются через выходную часть 20 и из выпускного отверстия 22.

Система 30 уменьшения шума по данному изобретению включает в себя схемы для формирования электрического шумового сигнала, представляющего акустические шумовые волны. Один из примеров таких схем включает в себя датчик 32, такой как микрофон или датчик давления, в общем случае размещенный внутри выходной части 20 для обнаружения акустических шумовых волн. В предпочтительном примере выполнения данного изобретения датчик 32 установлен внутри выходной части 20. Датчик 32 расположен таким образом, что он может обнаруживать шумовые волны внутри выходной части 20, но он защищен от непосредственного контакта с выхлопными газами. Датчик 32 может изготовляться из прочного материала или покрываться защитным покрытием для защиты его от высокотемпературных, высокоскоростных выхлопных газов. При использовании защитного покрытия оно должно иметь такую конфигурацию, чтобы не снижать эффективность работы двигателя.

В качестве альтернативы, как показано на фиг.2, датчик 32 может размещаться внутри всей гондолы 33 двигателя, но снаружи выходной части 20. Такое выполнение имеет то преимущество, что защищает датчик 32 от выхлопных газов. Кроме того, как показано на фиг.3, датчик 32 можно разместить у выпускного отверстия 22 двигателя 10. Такое выполнение имеет то преимущество, что здесь датчик расположен там, где шумовые волны исходят из двигателя. Важно, чтобы датчик 32 был размещен так, чтобы он мог лучше всего обнаруживать шумовые волны, не подвергаясь разрушению газами. Конечно, нужно понимать, что любое количество датчиков можно с пользой разместить в местах внутри двигателя или вне двигателя, как показано на фиг.4.

Как показано на фиг.5, датчик 32 формирует электрический шумовой сигнал 34, соответствующий обнаруженным акустическим шумовым волнам в выходной части 20, который является представлением шумовых волн. Шумовой сигнал 34 передается от датчика 32 к управляющему устройству 35 для обработки. Управляющее устройство (контроллер) 35 может выполнять разные функции, такие как анализ сигналов, формирование сигналов установленной формы, усиление, наложение временной задержки и исправление погрешностей. Конечно, понятно, что сигнал, представляющий шумовые волны, может быть цифровым или аналоговым сигналом и может передаваться или электрически, или методами волоконной оптики.

В предпочтительном примере выполнения датчик 32 электрически соединен, или иначе связывается, с анализатором 36 сигналов, который принимает шумовой сигнал 34 от датчика 32. Анализатор 36 анализирует шумовой сигнал 34.

Шумовой сигнал 34 передается от анализатора 36 сигналов к генератору 38 сигналов заданной формы, который электрически соединен с анализатором 36 сигналов. Генератор 38 сигналов генерирует интерференционный сигнал 40, который инвертирован по фазе относительно шумового сигнала. Важно отметить, что сигнал предпочтительно инвертирован по фазе, а не смещен по фазе. Инвертированный по фазе сигнал инвертирован относительно оси нулевой амплитуды, так что впадины инвертированного сигнала являются зеркальным отражением пиков начального сигнала. Например, если датчик обнаружил сложную, несимметричную акустическую шумовую волну, генератор сигналов создаст инвертированный по фазе сигнал, являющийся обратным сигналом, или зеркальным отражением, начального сигнала. Инвертированная по фазе волна, соответствующая инвертированному по фазе сигналу, будет интерферировать с ослаблением с шумовой волной.

Усилитель 42 можно использовать для создания интерференционного сигнала с увеличенной амплитудой и инвертированного по фазе, чтобы сигнал имел достаточную электрическую величину для стимулирования плазмы 24. Интерференционный сигнал 40 передается к усилителю 42, который электрически соединен с генератором 38 сигналов. Кроме того, поскольку акустические волны распространяются со скоростью звука, а электрический сигнал может двигаться намного быстрее, может возникнуть необходимость наложить временную задержку 46. Усиленный интерференционный сигнал передается на средство наложения и временной задержки 46, которое электрически соединено с усилителем 42.

Более того, можно также включить корректор 48 ошибок, чтобы еще более откорректировать интерференционный сигнал 70. Как показано на фиг.4, датчик 50 ошибок можно разместить вне двигателя, например, на хвосте или сзади на корпусе самолета. Этот датчик 50 ошибок обнаруживал бы получающуюся акустическую волну 70 и формировал бы электрический сигнал 52 ошибки на основе получающейся акустической волны 70, и интерференционный сигнал 40 модифицировался бы корректором 48 ошибок, чтобы заглушить не уменьшенные ранее акустические шумовые волны.

Интерференционный сигнал 40 передается к средству 60 связи с плазмой, которое электрически связано с управляющим устройством 35. Средство 60 связи с плазмой накладывает инвертированный по фазе интерференционный сигнал 40 на плазму 24.

В предпочтительном примере выполнения средство 60 связи с плазмой представляет собой стержень 62, проходящий в выходной части 20, как показано на фиг. 1. Стержень 62 крепится на внутренней стенке выходной части 20 и является электрически проводящим и выполнен из материала, который может выдержать воздействие высокотемпературных, высокоскоростных выхлопных газов.

В качестве альтернативы, как показано на фиг.6, средство 60 связи может быть электродом 64 или рядом электродов на внутренней поверхности выходной части 20. Электрод может представлять собой полоску или кольцо 65 на внутренней поверхности выходной части, окружающее выхлопные газы, как показано на фиг.7. Средство связи может содержать любое количество стержней или электродов для подвода инвертированного по фазе сигнала к плазме 24.

В качестве альтернативы средство 60 может быть антенной 66, расположенной и ориентированной коллинеарно течению выхлопных газов, как показано на фиг.8.

В качестве альтернативы средство связи может размещаться у выпускного отверстия 22 двигателя 10.

Очевидно, что электрический интерференционный сигнал будет эффективным только тогда, когда инвертированный по фазе компонент можно будет своевременно перенести в область плазмы, так чтобы плазма генерировала физическую волну сжатия для подавления нежелательных волн сжатия реактивного двигателя. Этот аспект упоминается как средство генерирования звука, связанное с электрическим интерференционным сигналом 40. Интерференционный сигнал 40 может быть переменным цифровым или аналоговым выходным сигналом управляющего устройства 35. Аспект генерирования звука может предполагать выходное напряжение, связанное с интерференционным сигналом 40, который воздействует на электрическое состояние плазмы. Один возможный механизм создания пульсаций плазмы зависит от напряжения, прилагаемого к плазме, которое вызывает изменение плотности электрического заряда. Изменение плотности заряда сопровождается изменением физической плотности и физических размеров плазмы. Таким образом, прилагая напряжение к плазме, ее заставляют расширяться или сжиматься. Когда плазма расширяется, создается волна давления. Когда плазма сжимается, образуется пустота. Расширение и сжатие плазмы создает пульсирующую интерференционную волну 68, как показано на фиг.1. Поскольку создаваемая плазмой интерференционная волна 68 инвертирована по фазе относительно начального шумового сигнала 34, она интерферирует с ослаблением с акустической шумовой волной 26.

Интерференционная волна 68, создаваемая электрически стимулируемой плазмой 24, характеризуется тем, что она совпадает по фазе с акустической шумовой волной 26, вызываемой двигателем 10, и является ее зеркальным отражением. В соответствии с принципами волновой интерференции, или деструктивной интерференции, интерференционная волна 68 комбинируется с акустической шумовой волной 26 с образованием результирующей акустической волны 70 с более низким уровнем шума. В итоге интерференционная волна 68 значительно тушит акустическую шумовую волну 26.

Если состояние плазмы 24 не достаточно реализовано в выходной части 20, может возникнуть необходимость усилить образование плазмы посредством дальнейшего нагрева выхлопных газов для преодоления диэлектрических свойств выхлопов. В выхлопные газы можно также добавлять проводящий материал для повышения проводимости выхлопных газов. Можно применять разные методы, такие как распыление проводящего материала в камеру сгорания или в выходную часть. Проводящий материал может быть солью или кристаллами соли. Присутствие ионов соли увеличивает проводимость выхлопных газов и снижает температуру, требуемую для получения электрически проводящей плазмы.

Одна из многих проблем, связанных с предыдущими попытками подавить звук, заключалась в неадекватности плоских волн, образуемых в разных применяемых процессах. Конкретно, в некоторых предыдущих системах содержались крупные конструкции тракта для образования плоских волн, чтобы инициировать интерференцию с ослаблением. Однако реально звуковые волны распространяются в равной степени во всех направлениях, а не в единственном линейном направлении. Сложные и крупные конструкции трактов в предыдущих способах не были практически реализуемыми для газотурбинных двигателей из-за плоскостной природы получающихся волн, а также из-за ограниченного пространства и ограничений по любому сопротивлению самолета.

Преимущество настоящего изобретения связано с трехмерностью плазмы 24. Когда плазма 24 расширяется и сжимается из-за стимулирования электрически заряженным интерференционным сигналом 40, она делает это в трех направлениях. Поэтому получаемая интерференционная волна 68 не ограничена плоской волной, а распространяется в трех направлениях, как и акустическая шумовая волна 26, которую она должна погасить.

Хотя данное изобретение было описано с конкретными ссылками и посредством примеров в отношении газотурбинного двигателя самолета, конечно, нужно понимать, что данное изобретение можно применять в отношении газотурбинного двигателя в любой области применения или в отношении любой системы, образующей плазму или другую расширяемую проводящую среду.

Следует понимать, что желательные примеры выполнения изобретения представляют собой только иллюстрации и что специалисты могут их модифицировать. Соответственно, это изобретение нельзя рассматривать как ограниченное раскрытыми примерами его выполнения, но оно должно ограничиваться только объемом прилагаемой формулы изобретения.