周期隔振設計用于直升機艙內(nèi)噪聲抑制的研究

宋玉寶 李征初 黃奔

摘要： 通過對主減速器支撐結構進行周期隔振設計，開展艙內(nèi)噪聲抑制研究。首先，設計了兩種周期隔振結構，建立了周期隔振結構的聲振分析模型以及作封閉腔體簡化的直升機艙室模型;其次，開展了周期隔振結構與均勻連續(xù)隔振結構對比研究，分析了周期性設計對隔振結構自身振動傳遞、單層隔振系統(tǒng)聲振響應以及艙內(nèi)噪聲的抑制效果。研究表明：相對于采用非周期隔振設計的情況，周期性設計使結構振動與噪聲得到了顯著抑制;通過周期隔振結構優(yōu)化設計，可以在不增加附加質(zhì)量的情況下，取得更好的減振降噪效果。

關鍵詞： 噪聲控制; 直升機; 艙內(nèi)噪聲; 周期結構

中圖分類號： TB535 ?文獻標志碼： A ?文章編號： 1004-4523（2020）04-0764-08

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.04.015

1 概 述

直升機以其獨特的飛行能力，在軍用民用領域均有著廣泛的應用。但直升機在運行中通常存在突出的振動與噪聲問題，這也是直升機等旋翼類飛行器的主要缺點之一[1-2]。其中，艙內(nèi)噪聲不僅影響乘坐舒適性，還會對乘員工作效率等產(chǎn)生影響，不利于各項任務的高效執(zhí)行[3-4]。目前，艙內(nèi)噪聲已成為影響其市場競爭性的重要指標[5-6]。

直升機艙內(nèi)噪聲主要來源包括：旋翼/尾槳、主減速器及傳動系統(tǒng)、發(fā)動機以及機載設備等。主要傳遞路徑包括兩類：一是結構聲傳遞，即主減速器、發(fā)動機以及旋翼/尾槳等部件的振動，通過主支撐桿等連接件傳遞到艙室壁板，引起壁板振動并向艙內(nèi)輻射噪聲;二是空氣聲傳遞，即旋翼/尾槳、主減速器等噪聲源所產(chǎn)生的噪聲，通過壁板、風擋、艙門等結構傳遞進入艙室[1， 3， 6-7]。其中，主減速器所產(chǎn)生的中高頻噪聲通常被認為對艙內(nèi)噪聲環(huán)境具有重要影響，而其支撐結構則被認為是振動與噪聲傳遞的關鍵環(huán)節(jié)[8-12]。主減速器的振動特性以及由主減速器所引起的艙內(nèi)噪聲通常為寬頻成分與多個諧頻成分的疊加，但對不同型號的直升機，頻譜特性也會存在差異，如文獻[13]中給出的減速器主要振動頻段在500-4000 Hz，文獻[8]中艙室振動噪聲主要頻段為500-4000 Hz，而在文獻[9-10]中這一頻段則是500-2000 Hz，具體頻譜曲線可參考相關文獻。

為了實現(xiàn)直升機艙內(nèi)噪聲抑制，通常從噪聲源控制與傳遞路徑控制兩方面入手。其中，針對直升機主減速器支撐結構這一傳遞路徑，主要措施是采用隔振設計。在傳統(tǒng)隔振中，為獲得較好的隔振效果，通常要求隔振器的剛度要低，這就使得靜變形太大，對正常工作不利，甚至是不允許的。在直升機主減速器隔振工程中，為解決這一矛盾，主要采用了動力反共振隔振器（DAVI）與主動隔振兩種措施[14-15]。如Mcguire[16]在直升機主減速器隔振研究中，設計了基于動力反共振原理的高剛度液彈隔振系統(tǒng)，相關的實際安裝及三維模型如圖1所示[17]。馮志壯等[18]也開展了液彈隔振器的理論與實驗研究。Hoffmann等[8]開展了利用主動式支撐連桿結構進行直升機聲振抑制的研究。就上述兩種措施而言，動力反共振隔振主要用于低頻段，且減振頻段通常較窄;主動隔振通常用于主減速器諧頻噪聲控制，而寬頻抑制研究及應用較少。此外，主動控制的作動器設計、系統(tǒng)魯棒性等也待進一步改善。

在上述典型控制方法以外，近年來基于周期性設計的直升機振動與噪聲抑制以其特有的優(yōu)勢受到了一些學者的關注。周期結構具有禁帶特性等特殊的彈性波調(diào)控效應，通過合理設計，有望實現(xiàn)寬頻段、大幅度的聲振抑制。Szefi等[9]、Hen等[10]開展了利用周期性設計進行隔振的系列研究，其以一維周期層狀結構為對象，首先開展了禁帶分析與設計，進而通過引入質(zhì)量放大單元以及壓電主動控制等手段，對振動抑制頻段進行了拓展。圖2所示為Szefi等利用周期隔振設計來抑制主減速器振動傳遞的設想圖[11]。王目凱[19]也進行了周期減振支撐桿的研究，并分別考慮了軸向振動與橫向振動情況。王鳳嬌、陸洋[12]針對直升機同時承受較大的拉伸載荷的情況，設計了一種周期層狀結構撐桿，分析了其主要設計參數(shù)對振動傳遞特性、剛度及強度的影響。此外，Autran等[11]、Asiri等[20]針對直升機減振降噪問題，通過對齒輪箱支撐結構、軸承座等進行周期化設計，開展了利用禁帶進行振動抑制的探索性研究。溫激鴻等[21]、鄭玲等[22]開展了周期層狀隔振結構振動傳遞抑制的實驗測試與驗證工作，考慮了結構中的橡膠材料楊氏模量隨頻率的變化以及阻尼的影響等。總體而言，在利用周期性設計進行艙內(nèi)噪聲控制方面，仍有很多研究工作待于進一步深入，包括降低結構附加質(zhì)量、拓寬作用頻段、結構優(yōu)化設計以及艙內(nèi)噪聲抑制效果的綜合驗證等。

本文基于周期結構理論，通過對振動與噪聲傳遞路徑上的關鍵部件主減速器支撐結構進行隔振設計，開展艙內(nèi)噪聲抑制研究。首先，設計了兩種周期隔振結構，建立了將其用于單層隔振系統(tǒng)聲振響應與艙內(nèi)噪聲控制研究的物理模型;進而通過與非周期的連續(xù)隔振結構對比，開展了周期性結構振動傳遞抑制研究，分析了將其用于單層隔振系統(tǒng)與艙內(nèi)噪聲控制時所取得的聲振抑制效果。

2 周期隔振結構及其減振降噪分析模型2.1 周期隔振結構模型 ?在本文的研究中，將主減速器支撐結構簡化為一維桿狀結構，通過使用彈性軟材料，使其可以起到隔振作用。圖3（a）給出了兩種周期隔振支撐結構。其中，周期結構-Ⅰ為由兩種材料交替排列構成的周期層狀結構;周期結構-Ⅱ通過在基體軟材料上周期性附加共振單元構成，且每個周期中有2個共振單元。為便于對比，也考慮了采用連續(xù)均勻隔振支撐結構的情況。

3 周期隔振結構的減振降噪效果分析

3.1 周期隔振結構的禁帶與振動傳遞特性 ?周期隔振結構的重要特性就是彈性波禁帶的存在。圖5（a）所示為周期隔振結構-Ⅰ與-Ⅱ的波傳播與禁帶特性，圖5（b）所示為由2個周期單元構成的有限長周期結構的振動傳遞特性曲線。為了便于觀察禁帶頻段及其本身所產(chǎn)生的衰減，圖5（a）在計算中設置軟材料結構阻尼為0，圖5（b）計算中阻尼為0.02。為便于對比，也給出了連續(xù)結構中的波傳播常數(shù)與振動傳遞曲線。

由圖可見，在所考慮的頻段內(nèi)，周期結構-Ⅰ（12.5 kg）所產(chǎn)生的禁帶頻段分別為440-2140 Hz與2240-4000 Hz，周期結構-I（1.3 kg）的禁帶為1170-2150 Hz和2620-4000 Hz，周期結構-Ⅱ的禁帶為1100-3770 Hz。而由有限長周期結構的振動響應可見，振動的衰減頻段與禁帶范圍吻合良好，并且振動傳遞的衰減幅度與波傳播常數(shù)的幅值大小相對應。

還可發(fā)現(xiàn)，對周期結構-Ⅱ，雖然其附加質(zhì)量成本與周期結構-Ⅰ（1.3 kg）相同，但其禁帶特性相對得到了有效改善。一方面，周期結構-Ⅰ（1.3 kg）為分離的兩個禁帶，而周期結構-Ⅱ形成了一個聯(lián)合的寬禁帶，且其禁帶的總寬度也略大;另一方面，周期結構-Ⅱ在禁帶內(nèi)的波傳播常數(shù)幅值更大，減振效果也更好。可見，通過結構形式和結構參數(shù)的合理設置，可以調(diào)節(jié)禁帶范圍，增強振動抑制效果，使同等附加質(zhì)量成本情況下的禁帶得到有效改善。

此外，雖然結構阻尼也使振動傳遞產(chǎn)生了衰減，但阻尼所引起的衰減遠小于禁帶所產(chǎn)生的衰減。例如，由圖5（b）可見，對連續(xù)隔振結構，阻尼雖然使中高頻段的振動傳遞峰值得到了抑制，但抑制幅度和作用頻段都明顯小于周期結構禁帶;周期結構自身而言，其在禁帶內(nèi)的振動衰減也明顯大于禁帶外的阻尼作用頻段。

3.2 基礎板的振動與聲輻射抑制分析

進一步對單層隔振系統(tǒng)中周期隔振設計所取得的基礎板振動和聲輻射的抑制效果進行分析。圖6所示分別為使用周期隔振結構-Ⅰ和-Ⅱ以及使用連續(xù)隔振結構時，基礎板的振動均方速度與輻射聲功率曲線。圖中的陰影區(qū)域、虛線框以及實線框所示分別為不同周期結構的禁帶范圍。

由圖可見，相對于采用連續(xù)隔振結構的情況，通過周期隔振設計，使基礎板的振動響應與輻射聲功率在禁帶頻段內(nèi)顯著降低，并且，即使在部分通帶頻段，振動與聲輻射也得到了一定的抑制。相對于采用周期結構-Ⅰ（12.5 kg）的情況，采用周期結構-Ⅰ（1.3 kg）所產(chǎn)生的基礎板振動和聲輻射降低程度顯著減小，且頻段明顯變窄。這是由于硬材料組元質(zhì)量變小，使周期結構禁帶內(nèi)的彈性波衰減幅度和禁帶寬度相應減小所致。相對于周期結構-Ⅰ（1.3 kg），雖然周期結構-Ⅱ的附加質(zhì)量成本相同，但總體而言，其對振動與聲輻射的降低幅度以及頻段寬度均得到了有效拓展。通過對比還可以發(fā)現(xiàn)，采用周期隔振結構所取得的對基礎板振動、聲輻射的抑制頻段和降低幅度，與周期隔振結構自身的振動傳遞衰減頻段和降低幅度總體上可以實現(xiàn)較好的對應。

3.3 艙內(nèi)降噪效果分析

圖7（a）和（b）所示為力激勵作用下，客艙地板振動位移以及艙室內(nèi)部聲壓的平均值曲線，分別考慮了采用周期隔振結構-Ⅰ（12.5 kg）與采用連續(xù)隔振結構兩種情況。圖中陰影區(qū)域所示為周期隔振結構的禁帶范圍。

由圖可見，相對于采用連續(xù)隔振結構的情況，通過引入周期性設計，艙室振動與內(nèi)部噪聲在禁帶頻段內(nèi)均得到了顯著抑制。這是由于在禁帶內(nèi)，激振力在從主減速器向艙體傳遞的過程中被顯著抑制，從而導致施加于艙體的激勵作用減小，進而使壁板振動和噪聲輻射大幅降低。而在低于禁帶的頻段，兩種隔振結構的聲振抑制效果相當。

為了更直觀地顯示不同隔振結構對激振力的傳遞特性差異，圖8給出了理想、連續(xù)以及周期三種隔振結構的力傳遞率曲線。計算中采用一端固支、一端自由這一常見力傳遞率分析邊界條件設置。由圖可見，對理想結構，力在傳遞過程中，既無放大、也無衰減;對連續(xù)結構而言，施加于其輸入端的激勵力，在傳遞過程中，在整個頻段均未發(fā)生衰減，反而在其自身共振頻率附近頻段被顯著放大;對周期隔振結構而言，激振力在傳遞過程中，雖仍然受到結構共振影響，使在通帶內(nèi)也出現(xiàn)被放大的情況，但在禁帶內(nèi)及其附近頻段，總體上出現(xiàn)了顯著的衰減。

構而言，激振力在傳遞過程中，雖仍然受到結構共振影響，使在通帶內(nèi)也出現(xiàn)被放大的情況，但在禁帶內(nèi)及其附近頻段，總體上出現(xiàn)了顯著的衰減。

圖9給出了800 Hz頻率處（禁帶內(nèi)），采用兩種不同的隔振結構時的艙室結構振動響應與艙內(nèi)艙外輻射聲壓分布圖。由圖9（a）和（b）可見，當采用連續(xù)隔振結構時，艙室壁板存在較強的振動響應（部分壁板振動還強于振動的來源主減速器），進而產(chǎn)生了較強的向艙內(nèi)的噪聲輻射。由圖9（c）和（d）可見，當采用周期隔振結構時，振動傳遞得到了顯著抑制。較強的振動僅存在于主減速器部分，并且主減速器的振動也遠小于采用連續(xù)隔振結構時的艙體振動。相應的，艙室內(nèi)部與外部的噪聲均被顯著降低。

還可發(fā)現(xiàn)，對采用連續(xù)隔振結構的情況，艙室內(nèi)部聲壓明顯高于外場聲壓。這是由于艙室外部是一個開放聲場，而艙室內(nèi)部是封閉聲腔，受聲腔模態(tài)的影響，內(nèi)部聲壓顯著增強。但對采用周期隔振結構的情況，較強的噪聲輻射主要存在于艙室外部主減速器附近的區(qū)域，內(nèi)部噪聲則顯著降低。

需說明的是，本文采用了理論計算/數(shù)值模擬方法所建立模型也是經(jīng)過了系列簡化。實際應用中，所面臨的問題更為復雜，將受到多方面影響，主要包括：系統(tǒng)中各子結構及其耦合共振、隔振結構阻尼、隔振結構彎曲振動-軸向振動的耦合等方面，而實際結構參數(shù)通常也難以完全準確獲取。這些因素將會使實際降噪效果相對于計算結果發(fā)生變化，例如減振降噪幅度的降低、作用頻段的偏移等，也使減振降噪設計變的更為復雜。但通過合理的結構設計，基本作用規(guī)律、總體抑制效果是一致的。文獻[21-22]對一維周期隔振結構的仿真結果與測試結果進行了對比分析。在工程應用中，針對不同情況，也需要對具體設計問題做更多考慮。例如，對承受拉力的情況，需考慮周期隔振結構內(nèi)不同組元的連接及其安裝形式，以在取得減振降噪效果的同時保證結構的安全穩(wěn)定性;有時還會面臨嚴苛的附加質(zhì)量限制，這也將會增加設計難度。

4 結 論

本文設計了兩種周期隔振結構，開展了其減振降噪對比研究，分析了其振動傳遞特性以及將其用于單層隔振系統(tǒng)與艙內(nèi)聲振響應抑制的效果。

（1）開展了周期性設計對隔振結構減振降噪效果的影響研究。研究表明，相對于連續(xù)隔振結構，周期隔振結構的振動傳遞在禁帶內(nèi)被顯著抑制。用其做隔振器，可以使隔振系統(tǒng)中的基礎板振動與聲輻射在較寬的頻段內(nèi)明顯降低，并且，降低的頻段和幅度大小與周期結構禁帶特征基本一致。此外，通過結構形式和結構參數(shù)的合理設置，可以在同等附加質(zhì)量成本下實現(xiàn)禁帶調(diào)節(jié)與拓展，進而增強減振降噪效果。

（2）開展了基于主減速器支撐結構周期隔振設計的艙內(nèi)噪聲抑制研究。研究表明，相對于采用連續(xù)支撐結構的艙室結構，周期隔振支撐設計使由主減速器振動傳遞引起的艙室振動和內(nèi)部噪聲在較寬的頻段內(nèi)得到了非常顯著的抑制。

參考文獻：

[1] Edwards B， Cox C. Revolutionary Concepts for Helicopter Noise Reduction： SILENT Program[M]. Fort Worth， Texas： Bell Helicopter Textron Inc.， 2002.

[2] 路錄祥，王江河. 直升機降噪技術[C]. 第十六屆全國直升機年會，中國，上海，2000.

Lu L， Wang J. Technology of helicopter noise control[C]. The 16th Annual Meeting of Helicopter Technology，Shanghai，China，2010.

[3] Coy J J， Handschuh R F， Lewicki D G， et al. Identification and proposed control of helicopter transmission noise at the source[C]. NASA/Army Rotorcraft Technology Conference， Moffett Field， California，1987.

[4] 劉亞軍，徐新喜，王運斗，等. 救護直升機艙室溫度和噪聲環(huán)境控制研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備， 2013， 34（8）： 84-87.

Liu Y， Xu X， Wang Y， et al. Development of thermal and noise environment control system in ambulance helicopter[J]. Chinese Medical Equipment Journal， 2013， 34（8）： 84-87.

[5] Lepage A， Mortain F， Coste L. Active structural acoustic control of a helicopter trim panel[C]. The 2005 Congress and Exposition on Noise Control Engineering， Rio de Janeiro， Brazil，2005.

[6] 虞漢文，孫東紅，李明強，等. 直升機艙內(nèi)降噪技術研究[J]. 直升機技術， 2012，（4）： 38-44.

Yu H， Sun D， Li M， et al. Cabin noise control process of a helicopter[J]. Helicopter Technique， 2012，（4）： 38-44.

[7] 劉孝輝，徐新喜，白 松，等. 軍用直升機振動與噪聲控制技術[J]. 直升機技術， 2013，（1）： 67-72.

Liu X， Xu X， Bai S， et al. Vibration and noise control technology on military helicopter[J]. Helicopter Technique， 2013，（1）： 67-72.

[8] Hoffmann F， Maier R， Janker P， et al. Helicopter interior noise reduction by using active gearbox struts[C]. 12th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference， Cambridge， Massachusetts， 2006.

[9] Szefi J T， Smith E C， Lesieutre G A. Design and analysis of high-frequency periodically layered isolators for helicopter gearbox isolation[C]. 41st AIAA Structures， Structural Dynamics and Materials Conference， Atlanta，GA，2003.

[10] Hen F L， Smith E C， Lesieutre G A， et al. Actively-enhanced periodically-layered mount for helicopter gearbox isolation[C]. 46th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures， Structural Dynamics， and Materials Conference， Austin， Texas， 2005.

[11] Autran P， Materkowski D J， Lesieutre G A. Multilayered radial isolator for helicopter interior noise reduction[C]. American Institute of Aeronautics and Astronautics， Inc.， Boston， Massachusetts，2013.

[12] 王鳳嬌，陸 洋. 用于直升機艙內(nèi)降噪的主減周期撐桿研究[J]. 航空學報， 2016， 37（25）： 3370-3384.

Wang F， Lu Y. Research on gearbox periodic strut for helicopter cabin noise reduction[J]. Acta Aeronautica Astronautica Sinica， 2016， 37（25）： 3370-3384.

[13] Coy J， Handschuh R， Lewicki D， et al. Identification and proposed control of helicopter transmission noise at the source[C]. NASA/Army Rotor Technology Conference， NASA， Moffett Field， California， 1987.

[14] Bramwell A R， Balmford D， Done G. Bramwell′s Helicopter Dynamics[M]. Oxford： Butterworth-Heinemann， 2001.

[15] 顧仲權，朱德懋. 振動控制評述[J]. 噪聲與振動控制， 1988， （1）： 5-13.

Gu Z， Zhu D. Review of vibration control[J]. Noise and Vibration Control， 1988， （1）： 5-13.

[16] Mcguire D P. High stiffness （“rigid”） helicopter pylon vibration isolation systems [C]. American Helicopter Society 59th Annual Forum， Phoenix， Arizona， 2003.

[17] 龔 亮. 液彈隔振器設計與試驗研究[D]. 南京： 南京航空航天大學， 2012.

Gong L. Design and testing of the fluid elastomer isolator[D]. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2012.

[18] 馮志壯，錢 峰，程起有，等. 新型液彈隔振器設計與仿真[J]. 航空學報， 2017， 38（S1）： 721530.

Feng Z， Qian F， Cheng Q， et al. Design and simulation for new fluid elastomer vibration isolator[J]. Acta Aeronautica Astronautica Sinica， 2017， 38（S1）： 721530.

[19] 王目凱. 直升機主減速器支撐桿的隔振特性研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學， 2015.

Wang M. Research on vibration isolation characteristics of the helicopter main gearbox support strut[D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2015.

[20] Asiri S， Baz A， Pines D. Active periodic struts for gearbox support system[C]. Smart Structures and Materials 2004： Damping and Isolation， Bellingham， WA， 2004.

[21] 溫激鴻，王 剛，劉耀宗，等. 金屬/丁腈橡膠桿狀結構聲子晶體振動帶隙研究[J]，振動工程學報，2005， 18（1）： 1-7.

Wen J， Wang G， Liu Y， et al. Research on vibration and gaps of one dimensional phononic crystals consisted of metal and nitrile butadiene rubber[J]. Journal of Vibration Engineering， 2005， 18（1）： 1-7.

[22] 鄭 玲，李以農(nóng)，Baz A. 一維聲子晶體的振動特性與實驗研究[J]， 振動工程學報，2007， 20（4）： 417-421.

Zheng L， Li Y， Baz A. Theoretical and experimental study on the characteristics of wave propagation for one dimensional phononic crystal[J]. Journal of Vibration Engineering， 2007， 20（4）： 417-421.

Abstract： The noise level inside modern helicopter cabins has become one of the major indices to evaluate its performance. The noise transfer path control is an important approach to reduce the noise in cabin. Gearbox struts are one of the key transfer paths for the noise and vibration inside helicopter cabin. Based on the periodic theory， the isolation structure for gearbox vibration is designed， and the reduction of the cabin noise is studied. Firstly， two types of periodic isolation structures are designed. A single layer vibration isolation system and a simplified cabin model which is considered as a closed cavity are built. Next， the vibration and sound properties of the periodic isolation structure are analyzed and compared. The effect of periodic design on the vibration transmission of the isolation structure， the vibration and noise of the single layer isolation system and the cabin are studied. The numerical results demonstrate that the vibration and noise of these structures are effectively suppressed by periodic design. In addition， via the optimal design of the periodic structure， the vibration and noise can be reduced more， while the added mass is not increased.

Key words： noise control; helicopter; cabin noise; periodic structure