航空發(fā)動機風扇氣動聲學(xué)消聲室設(shè)計論述

王云龍，李雪罡，裴一哲

（中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120）

隨著全球范圍內(nèi)民用航空工業(yè)的快速發(fā)展，噪聲問題受到了越來越多的重視。民航飛機的噪聲標準也日趨嚴格。民航飛機的噪聲主要來自發(fā)動機噪聲。民航客機發(fā)動機噪聲主要由噴流噪聲、風扇噪聲和發(fā)動機本體機械噪聲組成，其中，風扇噪聲在民航客機噪聲中貢獻最大。

1 消聲室簡介

消聲室是通過對噪聲控制技術(shù)的應(yīng)用，通過控制噪聲傳播的方式以獲得接近理想聲學(xué)環(huán)境的設(shè)施。消聲室分全消聲室、半消聲室和卦限消聲室。

房間的六個面全鋪設(shè)吸聲層的，稱為全消聲室，一般就稱為消聲室。凡要求測量誤差比較小，如要求在±1dB以內(nèi)的，或者有測量聲源指向性特征要求的，一般都設(shè)計全消聲室。房間的六個面中只在五個或四個面鋪設(shè)吸聲層的，稱為半消聲室。房間相鄰三個互相垂直的面是全反射的，則根據(jù)鏡面反射原理，這好像是一個完整消聲室的八分之一的空間，因此，稱為卦限消聲室。卦限消聲室受聲源或接收器尺寸的限制，一般只在特定用途下才使用。

2 風扇氣動聲學(xué)消聲室特點

風扇氣動聲學(xué)消聲室，由于其試驗對象比較特殊，傳統(tǒng)消聲室多為密閉空間，風扇氣動聲學(xué)消聲室且與外界大氣聯(lián)通，有進氣塔和排氣塔，所以進氣塔和排氣塔內(nèi)為隔絕外部噪聲對消聲室本底噪聲的影響，需要設(shè)置多層消音器。同時，由于風扇氣動聲學(xué)試驗特殊的指向性和試驗裝置動力的輸入特點，假設(shè)消聲室為正方形如圖1（細框），聲源S在室中心，考慮離聲源較近的點A，從S到A點的距離為rA，因為點A到S很近，故6個一次反射聲到達點A的距離都近似為L。壁面吸聲層的吸聲系數(shù)為α，反射系數(shù)模量為|R|2=1-α。在六個反射聲與直達聲的相位相同的假定下，得到A點附近與自由聲場的最大誤差，如式（2）所示。

工程上，一般將試驗件放置于距離吸聲面半個波長以上的位置，即可忽略一次反射的聲波影響。根據(jù)消聲室截止頻率f，計算出響應(yīng)范圍內(nèi)的最大波長值λ。為節(jié)約造價成本，將試驗件放置于消聲室的一角，距兩墻距離大于λ/2的位置，消聲室尺寸應(yīng)為（L+λ）/2。其尺寸示意圖如圖1（粗框）所示。

同時，由于風扇噪聲具有明確的指向性，在發(fā)動機工作過程中，各部分產(chǎn)生噪聲均有指向性。對于風扇噪聲輻射的指向性,在發(fā)動機進口角大于150°，噪聲級較??；噪聲級大的區(qū)間是發(fā)動機進口角30°～130°。

根據(jù)此噪聲指向性測試范圍的要求，為保證大于90°時的噪聲依舊能夠被準確地測量到，消聲室形狀為異形，如圖2所示。

圖1 消聲室示意

圖2 風扇氣動聲學(xué)消聲室的形狀示意圖

3 風扇氣動聲學(xué)消聲室設(shè)計

（1）消聲室尖劈選型。消聲室內(nèi)吸聲方式有多孔性吸聲材料、薄層多孔性材料的共振吸聲、尖劈狀吸聲結(jié)構(gòu)等。通常采用尖劈狀吸聲結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。尖劈尖部長度為L1，基部長度為L2，尖劈體總長度為L=L1+L2，尖劈底與剛性面的空腔深度為D2。尖劈的吸聲特性與L和L1/L2相關(guān)，L越長，尖劈的低頻吸聲性能越好。當尖劈的尺寸固定時，改變材料的密度可以得到一個最佳的吸聲系數(shù)頻率曲線。選定一個密度值后，改變L1與L2的比例，可以得到一個最佳值。空腔與尖劈基部形成了一個共振吸聲區(qū)，調(diào)節(jié)空腔深度D2，使共振頻率位置恰當，可以有效提高尖劈結(jié)構(gòu)的低頻吸聲特性。

截止頻率略低于相應(yīng)吸聲結(jié)構(gòu)全長（L1+L2+D2），為四分之一波長的頻率。

（2）消聲室隔聲設(shè)計。消聲室是為噪聲測試提供自由聲場環(huán)境，同時，保證本被測聲源信號不受環(huán)境噪聲的干擾，因此，除了要消除室內(nèi)界面反射聲的影響外，還要消除外界噪聲的影響。消聲室必須進行隔聲設(shè)計，以保證消聲室的墻、屋頂有足夠的隔聲量，以消除外界空氣噪聲的干擾。

首先，根據(jù)使用要求，確定消聲室內(nèi)允許的本地噪聲。背景噪聲的確定主要依據(jù)被試聲源的聲壓級水平確定，在測試頻率范圍內(nèi)，背景噪聲的聲壓級至少要比被測聲源的聲壓級低6dB，最好低12dB。一般認為，背景噪聲比被測聲源噪聲低20dB以上，測試結(jié)果就可不進行修正。在設(shè)計時，要充分估計被測噪聲的大小，特別是可能遇到的最低聲壓級的大小來確定允許本底噪聲。隔聲設(shè)計包含墻厚、屋頂厚設(shè)計，隔聲門的設(shè)計和選取，穿墻洞的隔聲處理等設(shè)計工作。消聲室需采用隔聲設(shè)計，以保證本底噪聲的要求。對于單層混凝土墻，其臨界頻率很低，透射損失低于質(zhì)量定律的估計值。這時，對于較厚重的墻面，密度為mskg/平方米，其透射損失可以使用經(jīng)驗公式（2）來估計。

一般門的面積比墻面積小很多，所以門的透射損失可以比墻的透射損失低一些。門縫的處理是保證門具有高隔聲量的一個關(guān)鍵因素。門縫越狹越深，隔聲量越大。

為了使門縫密封，可以在門與門框之間襯以海綿條、空心橡皮條或者嵌上自行車內(nèi)胎，門關(guān)上后重啟密封。門與墻的接觸方式可采取圖4（a）和（b）兩種形式。這兩種方式相比傳統(tǒng)的門縫，壓緊更容易實現(xiàn)，隔聲效果更好。

圖3 吸聲尖劈結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 門的兩種壓緊方式

（3）消聲室隔振設(shè)計。為減弱附近周圍通過地基傳遞到消聲室的振動，消聲室應(yīng)避免建設(shè)在有大型鍛造、沖壓等振動大的設(shè)備周圍。一般采用彈性基礎(chǔ)及阻尼隔振器降低外界振動對消聲室的影響。典型的結(jié)構(gòu)形式為圖5所示的“房中房”。

圖5 采用阻尼隔振器的房中房形式的消聲室

若遠離鐵路和主要汽車道的安靜環(huán)境中，或用于測定較高的水平噪聲聲壓級的消聲室，可以不采取隔振措施。

（4）消聲室麥克風布置。風扇噪聲輻射指向性,在發(fā)動機進口角大于150°，噪聲級較小。噪聲級大的區(qū)間是發(fā)動機進口角30°～130°。故在消聲室內(nèi)噪聲測試麥克風軌道的布置示意圖如圖2所示，夾角范圍為0°～130°。

4 結(jié)語

本文簡要介紹了全消聲室的工作原理、控制要素和關(guān)鍵參數(shù)，針對風扇氣動聲學(xué)試驗的測量特點，總結(jié)了消聲室的設(shè)計要點。