聲襯拼縫對進氣道降噪效果影響研究

徐俊偉等

【摘 要】隨著商用航空發動機涵道比的增大，風扇噪聲已是目前飛機最主要的噪聲源之一。通過在進氣道內壁安裝聲學聲襯，可以有效降低風扇前傳聲。針對某型飛機發動機進氣道，利用管道模態方法對該進氣道不同聲襯拼縫寬度和不同聲襯拼縫數量進行降噪量計算和分析。計算結果表明，在拼縫數量不變的情況下，隨著拼縫寬度的增大，進氣道對一階風扇通過頻率噪聲的降噪效果逐步下降。在拼縫總寬度不變的情況下，拼縫數目越多，單個拼縫寬度越小，則進氣道降噪效果越好。

【關鍵詞】進氣道；聲襯；風扇噪聲；降噪

Research for Noise Reduction Effect of Different Inlet Acoustic Liner Splices

XU Jun-wei MA Xiang-dong ZHOU Yu-sui

（Shanghai Aircraft Design And Research Institute， Powerplant and Fuel Systems Department， Shanghai 201210， China）

【Abstract】With the increase of commercial aircraft engine bypass ratio， fan noise becomes one of the main noise sources in aircraft. Acoustic liner installed at the inner wall can reduce forward fan noise effectively. Directed at one aircraft engine inlet， duct mode method is utilized to calculate noise reduction with different acoustic liner widths and different acoustic liner splices. The results show that inlet noise reduction capability to first order blade pass frequency decreases with splice quantity unchanged and width increase. Under the condition of total splice width unchanged， noise reduction capability increases with more splices and single splice width decreases.

【Key words】Inlet； Acoustic liner； Fan noise； Noise reduction

0 引言

隨著渦扇發動機的發展，發動機涵道比將越來越大，風扇噪聲是目前和下一代飛機最主要的噪聲源之一。從聲源上降低風扇噪聲意味著改變風扇葉片數或者葉片造型，難度很大，因此從傳播途徑上降低風扇噪聲是目前比較簡便的方法。現有的商用飛機發動機通過安裝進氣道為風扇系統提供可靠和均勻的氣流，進氣道內壁進行聲學處理，從而降低風扇前傳聲。這種聲學處理手段通常是2至3片弧形聲襯組合構成的消聲短艙。由于早期加工和結構方面的限制，2至3片聲襯之間的連接帶（拼縫）通常是堅硬且沒有消聲效果的。從聲學角度講，這些拼縫或者溫度壓力探頭固壁塊導致了聲阻抗的間斷，從而導致了風扇聲源產生的模態在這些位置處發生了變化。從管道聲模態理論講，這種現象叫做模態散射，它與拼縫或固壁塊的大小、位置及數量有關。模態散射對聲襯吸收風扇噪聲是有害的，這是因為模態散射將風扇模態能量散射到其它模態，尤其是低階模態噪聲，它不能夠被聲襯吸收且不易衰減，降低了聲襯的吸聲效果[1]。

本文以某型發動機進氣道為研究對象，利用LMS Virtual.Lab管道聲學分析方法，分析計算拼縫寬度以及拼縫數目對進氣道降噪效果的影響，進而用于指導今后發動機進氣道降噪設計[2]。

1 管道聲模態理論

1.1 柱面坐標系下波動方程

在三維直角坐標系中，聲波波動方程為[3]：

1.3 風扇一階通過頻率及激勵模態計算

在風扇入口處類似橢圓，在兩個垂直方向的長度分別為1299mm和1260mm，發動機風扇葉片個數為24，假定發動機轉速為3572rpm，風扇入口處氣流平均速度M=0.3，可以計算出該轉速下，風扇葉片一階通過頻率（Blade Pass Frequency， BPF）為：

從而可以估算出此頻率激起的發動機進氣道管道聲模態如表2所示：

2 拼縫寬度對進氣道消聲效果影響

本節計算研究在拼縫數量不變的情況下，拼縫寬度對進氣道消聲效果的影響。本文中某型發動機進氣道聲襯由上下兩個半圓部分組成，有兩個拼縫，拼縫寬度約。為了對比拼縫寬度對進氣道聲襯消聲效果的影響，選擇拼縫個數依然為兩個，但拼縫寬度分別為、和三種情況，計算出的聲壓云圖如圖2所示：

從圖2中可以看出，當拼縫數量不變時，隨著拼縫寬度增大，聲波在拼縫處的泄漏也變得越來越嚴重，其結果反映了吸聲面積對吸聲效果的影響。為了定量比較不同拼縫寬度對風扇一階通過頻率噪聲的吸聲能力，可以計算不同拼縫寬度下整個進氣道對風扇一階通過頻率噪聲的聲學傳遞損失，計算結果如表3所示。

從表3中可以看出，在拼縫數量不變的情況下，隨著拼縫寬度的增大，進氣道聲襯對風扇通過頻率基頻噪聲的傳遞損失從1.969dB逐漸降低為1.868dB。從圖2和表3中可以得出，隨著拼縫寬度的增大，進氣道對風扇噪聲的吸聲能力逐漸降低，這也說明了研制發動機最低寬度拼縫或無縫聲襯的必要性。

3 拼縫數目對進氣道消聲效果影響

本節計算研究在拼縫總寬度不變的情況下，拼縫數目對進氣道降噪效果的影響。為了便于結果比較，選擇拼縫總寬度為336mm，拼縫數目分別為1個、2個和3個。同時，為了進行結果對比，引入無拼縫情況下的計算結果，得到的聲壓云圖如圖3所示：

對整個進氣道風扇通過基頻噪聲進行傳遞損失計算，計算結果如表4所示。

可能進氣道并非完全對稱，其消聲效果隨拼縫數目的變化并不十分明顯。但從圖3和表4中可以得出無拼縫聲襯的降噪效果最好，其次3個拼縫聲襯的降噪效果要好于1個和2個拼縫的聲襯。因此，在進氣道聲襯加工過程中，若不能實現無縫聲襯，則應最先保證單個拼縫寬度最小。

4 總結

本文應用管道模態波混合的方法，對不同拼縫寬度、不同拼縫數目的進氣道聲襯降噪效果進行了研究。文中以某型發動機進氣道為研究對象，計算了其在不同拼縫寬度、不同拼縫數目時對風扇一階通過頻率噪聲的降噪量。

研究結果表明，在拼縫數量不變的情況下，隨著拼縫寬度的增大，進氣道聲襯對風扇一階通過基頻噪聲的降噪效果逐步下降。在拼縫總寬度不變的情況下，拼縫數目越多，單個拼縫寬度越小，則進氣道降噪效果越好。此外，從本文中還可以得出，無縫聲襯吸聲面積大，而且沒有聲阻抗的間斷，模態散射效應低，降噪效果最優。因此，為了增大聲襯面積，無縫聲襯以及唇口聲襯是未來進氣道降噪的發展方向[4]。

【參考文獻】

[1]Mcalpine A， Wright MCM. Acoustic scattering by a spliced turbofan inlet duct liners[J]. Journal of Sound and Vibration，2006，292：911-934.

[2]詹福良，徐俊偉.Virtual.Lab Acoustics聲學仿真計算從入門到精通[M].西安：西北工業大學出版社，2013.

[3]朱哲民，龔秀芬，杜功煥.聲學基礎[M].南京：南京大學出版社，2001.

[4]Fabrice Gantie， Martin Clewley. Evaluation of lip liner benefits[J]. AIAA，2008，AIAA Paper 2008-2979.

[責任編輯：鄧麗麗]