復(fù)合材料環(huán)狀聲襯降噪特性試驗研究

徐 健， 英基勇， 薛東文， 霍施宇， 高 翔

(1.中國飛機強度研究所航空噪聲與動強度航空科技重點實驗室， 西安 710065； 2.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司， 上海 200241)

航空發(fā)動機噪聲是飛機噪聲的主要噪聲源，噪聲是民航飛機適航取證的強制性指標(biāo)，因此發(fā)動機降噪設(shè)計已經(jīng)成為民用航空領(lǐng)域競爭的焦點[1]。自噴氣式航空發(fā)動機出現(xiàn)以來，利用發(fā)動機短艙聲處理即鋪設(shè)聲襯的方式一直是抑制發(fā)動機噪聲輻射和傳播最有效的突進，即從傳播途徑考慮降噪設(shè)計通過改變聲波的傳播途徑以實現(xiàn)降噪的目的[2]。

早期的聲襯設(shè)計及優(yōu)化工作僅限于無流管道內(nèi)、基于等吸聲量的阻抗而開展的[3]，隨著人們對航空發(fā)動機機噴流噪聲和風(fēng)扇噪聲的關(guān)注，Rice[4]指出，聲襯設(shè)計與優(yōu)惠應(yīng)充分考慮管道截通頻率和模態(tài)聲功率等參數(shù)，這種理念成為聲襯設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)方法，學(xué)者們開始在聲襯設(shè)計中研究模態(tài)波在真實短艙中的輻射和傳播；Snow[5]研究了不同聲源條件對聲襯吸聲效果的影響，發(fā)現(xiàn)聲源條件的選取，即流速、壓力等參數(shù)，對聲襯的吸聲效果有影響；Zlavog等[6-7]通過數(shù)值計算的方法詳細(xì)論證了聲襯的吸聲效果與聲源條件(包括模態(tài)波的幅值分布和相位分布)密切相關(guān)。此后聲襯的設(shè)計研制進入了新的階段，波音公司針對短艙研制了局部聲襯和無縫聲襯[8-9]。近年來，中國北京航空航天大學(xué)、航空工業(yè)強度所相繼開展了短艙消聲技術(shù)的基礎(chǔ)研究和微穿孔板蜂窩夾層消聲結(jié)構(gòu)的試驗研究工作[10-11]，可以為進一步開展聲襯設(shè)計提供參考。

考慮到拼縫對環(huán)形聲襯降噪效果的影響，采用環(huán)狀整體成型工藝和無縫拼接技術(shù)，本文中設(shè)計制備了針對特定工況條件下不同長度的復(fù)材無縫環(huán)形聲襯，應(yīng)用中國飛機強度研究所的發(fā)動機聲模態(tài)模擬試驗系統(tǒng)，開展不同來流速度、不同模態(tài)下的降噪效果測試，研究聲源條件對聲襯降噪效果的影響。

1 試驗平臺與測量

1.1 試驗平臺

試驗在中國飛機強度研究所設(shè)計研制的發(fā)動機聲模態(tài)模擬試驗平臺上進行，試驗平臺結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。試驗平臺主要由氣源、旋轉(zhuǎn)模態(tài)聲源發(fā)生系統(tǒng)、聲模態(tài)測量段、聲襯/硬壁安裝段、中心內(nèi)錐及其他導(dǎo)流管道等組成；其中，旋轉(zhuǎn)模態(tài)聲源發(fā)生系統(tǒng)用于模擬發(fā)動機風(fēng)扇噪聲源進行試驗載荷加載，其工作原理是通過周向均布的靜止揚聲器產(chǎn)生特定頻率、相位等特征的聲音在涵道內(nèi)疊加實現(xiàn)周向旋轉(zhuǎn)模態(tài)[12]；聲模態(tài)測量段采用旋轉(zhuǎn)周向傳聲器陣列獲得聲襯上下游聲模態(tài)[13]。

圖1 發(fā)動機聲模態(tài)模擬試驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Spinning acoustic mode synthesizer test rig configuration

表1 發(fā)動機聲模態(tài)模擬試驗平臺技術(shù)指標(biāo)Table 1 Performance parameters of the engine acoustic spinning mode synthesizer test rig

發(fā)動機聲模態(tài)模擬試驗平臺如圖2所示，該平臺和測量裝置放置于強度所的消聲室內(nèi)部，目的是減少和消除噪聲反射。

1.2 試驗測試

本文所述試驗開展了聲襯降噪量測試和指向性測試，其中降噪量測試通過分別測量聲襯上下游管道內(nèi)聲模態(tài)獲得。

1.2.1 管道內(nèi)聲模態(tài)測量

管道聲模態(tài)的測量是通過聲襯上、下游的旋轉(zhuǎn)測量段來實現(xiàn)的，旋轉(zhuǎn)測量段結(jié)構(gòu)如圖3所示。旋轉(zhuǎn)測量段上有相隔180°設(shè)計了2排沿流動方向等間距(30 mm)均布的傳聲器安裝孔。兩排傳聲器經(jīng)齒輪在伺服電機帶動下繞管道軸線旋轉(zhuǎn)。

圖2 發(fā)動機聲模態(tài)模擬試驗平臺Fig.2 Paragraph of spinning acoustic mode synthesizer test rig configuration

圖3 管道聲模態(tài)測量裝置Fig.3 In-tube mode measurement rig configuration

試驗中，每排安裝傳聲器的數(shù)量為10支，旋轉(zhuǎn)步長為6°，間歇式測量。每隔6°采集15 s的噪聲數(shù)據(jù)；旋轉(zhuǎn)滿180°，即可以保證沿管道壁面10×31×2個均布點噪聲數(shù)據(jù)有效采集。采集完成后，將測得的傳聲器陣列聲壓數(shù)據(jù)p及傳聲器陣列的坐標(biāo)(x,r,φ)代入式(1)，即可解得管道內(nèi)聲模態(tài)的模態(tài)幅值[14]。

(1)

式(1)中：R表示模態(tài)的形狀函數(shù)；A+和A-分別表示順流和逆流傳播的聲模態(tài)幅值；(x,r,φ)表示傳聲器陣列的軸向、徑向和環(huán)向位置坐標(biāo)。

傳聲器陣列旋轉(zhuǎn)是通過步進電機驅(qū)動如圖3所示上方的小齒輪、再通過齒輪嚙合帶動傳聲器陣列實現(xiàn)的。采用可編程邏輯控制器配合高分辨率的脈沖發(fā)生器對伺服電機進行精確調(diào)節(jié)，伺服電機的調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.02°；結(jié)合齒輪嚙合的減速比，最終該傳聲器陣列的調(diào)節(jié)精度能夠達(dá)到0.13°。因此通過伺服電機旋轉(zhuǎn)角度的精確調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)傳聲器陣列的旋轉(zhuǎn)精確定位，而同時傳聲器陣列的調(diào)節(jié)精度能夠滿足實際使用需要。

1.2.2 指向性測量

指向性測試分別在有聲襯和無聲襯的兩種條件下進行，測試通過氣流下游以輪轂?zāi)┒它c為圓心、半徑為1 m、30°～120°的圓弧上均布16支傳聲器，測量平面與輪轂軸線等高，同布連續(xù)采集16支傳聲器30 s的聲壓數(shù)據(jù)，如圖4所示。采集所用傳聲器為B&K4954A型，該型傳聲器為自由場傳聲器，使用頻率范圍為16～80 000 Hz，可適用于40～159 dB聲壓范圍，測試精度高，滿足本實驗的測試精度要求。采集完成后，根據(jù)傳聲器陣列聲壓數(shù)據(jù)p及傳聲器陣列的坐標(biāo)(r,θ)繪制指向性測試結(jié)果圖。

圖4 指向性測點布置圖Fig.4 Directivity test points arrangement

考慮到傳聲器放置在有流環(huán)境下(0.3Ma下，30°傳聲器安裝位置氣流速度小于5 m/s)，傳聲器受聲面均安裝防風(fēng)球，即所有傳聲器安裝防風(fēng)球以及在所有流速下(包括0)下傳聲器頭部安裝防風(fēng)球。指向性支架用吸聲材料包裹，放置支架的聲反射對測量的影響。

2 環(huán)形聲襯試驗件與試驗工況

聲襯由穿孔板、蜂窩芯材、背板膠結(jié)制成，通過Helmholtz共振機理進行聲能的耗散。聲阻抗是量化降噪效果的重要指標(biāo)，在聲功率較低、無流動條件下聲阻抗只與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而在發(fā)動機短艙內(nèi)聲襯處于強噪聲、復(fù)雜聲模態(tài)和有流動甚至湍流條件下，聲阻抗會隨之產(chǎn)生較大變化，聲襯設(shè)計與聲源條件密切相關(guān)。本文選擇的聲襯設(shè)計點工況是目標(biāo)頻率3 000 Hz、聲模態(tài)(8,0)、常溫0.3Ma切向流速，設(shè)計點處的聲阻抗值為(0.27-0.01j) Pa·s/m3。

文中所述聲襯穿孔板和背板均選用高分子樹脂基復(fù)合材料，蜂窩芯材選用邊長為5.5 mm的正六邊形紙蜂窩。根據(jù)設(shè)計點處的阻抗值，考慮可加工性，基于Goodrich阻抗模型[13]對環(huán)形聲襯試驗件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，獲得針對周向(8,0)模態(tài)、0.3Ma切向流動、3 000 Hz條件下的聲襯結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 聲襯結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)Table 2 Design parameters of annular acoustic liner

圖5 環(huán)狀聲襯試驗件Fig.5 Annular acoustic liner

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)，制造加工兩種不同軸向長度的聲襯，軸向長度分別為350 mm和90 mm(這兩種長度對應(yīng)試驗管道的內(nèi)徑和通徑)。在制造過程中采用先進的膠結(jié)方式、環(huán)狀一體成型工藝和無縫拼接技術(shù)保證了聲襯厚度誤差優(yōu)于0.2 mm、穿孔率誤差優(yōu)于0.5%：先將穿孔板、蜂窩芯和背板圓通成型再對穿孔板面進行打孔，保證了穿孔率精度；通過在蜂窩芯材晶格邊緣位置涂抹膠膜的形式，將穿孔板、蜂窩芯和背板進行膠結(jié)，膠結(jié)后蜂窩芯比上沒有膠膜，穿孔板面沒有穿孔堵塞現(xiàn)象。加工完成的聲襯試驗件如圖5所示，為進行試驗對比，在短聲襯(即軸向長度為90 mm的聲襯)上游增加一段硬壁段，使其總長度與長聲襯(即軸向長度為350 mm的聲襯)一致。

以長短兩種軸向長度的聲襯作為試驗件，以與長聲襯直徑、長度和同軸度等結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的硬壁管道作為試驗對照組，分別開展聲襯的降噪和指向性測試及對照組的試驗測試。試驗工況均為四種切向來流速度(0、0.1Ma、0.2Ma和0.3Ma)條件下，發(fā)聲模態(tài)為3 000 Hz、(8,0)階周向聲模態(tài)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 設(shè)計點工況的降噪驗證

首先針對聲襯的設(shè)計點工況，即試驗系統(tǒng)產(chǎn)生符合設(shè)計點工況常溫0.3Ma切向流速條件、3 000 Hz、(8,0)階模態(tài)的噪聲，開展硬壁對比件和長短聲襯的降噪測試和管道外指向性測試。

通過以硬壁對比件上游測得順流傳播的聲模態(tài)聲功率與聲襯下游測得順流傳播的聲模態(tài)聲功率之差和對照組與試驗件的指向性測試記過來描述聲襯的降噪效果。圖6為90 mm聲襯、350 mm聲襯的降噪作用對比圖，圖7所示為硬壁對比件、兩種聲襯試驗件指向性測試結(jié)果。

圖6 兩種聲襯試驗件的降噪效果Fig.6 Noise reduction effect of 2 kinds of liner

通過長短聲襯的降噪效果圖(圖6)可以看出，兩種聲襯均非常有效地降低了所有截通模態(tài)的聲功率，兩種聲襯在(8,0)模態(tài)上的降噪量都超過30 dB；同時，可以明顯看出兩種聲襯對(8,0)模態(tài)的降噪量均遠(yuǎn)高于其他模態(tài)的降噪量，這可以印證聲襯的降噪效果具有強烈的模態(tài)選擇性。

根據(jù)指向性測試結(jié)果，對比兩種長度的聲襯指向性結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種聲襯的降噪效果顯著，特別是在硬壁下聲壓級的極大位置(60°～120°)，兩種聲襯的降噪效果均達(dá)到15 dB以上，90 mm聲襯在120°附近的消聲效果達(dá)到30 dB，設(shè)計點工況的主要波瓣基本被消除。在小角度下(30°～54°)也有比較明顯的降噪效果，降噪量大于5 dB。但350 mm聲襯與90 mm聲襯在設(shè)計點工況下的降噪效果區(qū)別并不明顯，即350 mm的聲襯并沒有表現(xiàn)出更好的效果。在30°～90°范圍內(nèi)的測點，二者比較接近；在96°～120°的測點，長度較短的聲襯有更好的消聲效果，在120°附近，二者降噪效果相差15 dB。

3.2 切向來流速度對降噪效果的影響

通常情況下頻率對聲襯作用的辨識度最高，偏離設(shè)計點頻率分析流速對降噪效果的影響意義不大。為進一步探究切向流速對降噪效果的影響，選取(8,0)階模態(tài)、3 000 Hz發(fā)聲條件下，改變切向流速分別為常溫0、0.1Ma、0.2Ma和0.3Ma。不同流速條件下聲襯降噪量結(jié)果如圖8所示，0、0.1Ma流速下的指向性測試結(jié)果如圖9所示。

圖8 不同切向流速條件下兩種聲襯的降噪量Fig.8 Comparison of the noise reduction effect for 2 kinds of liners at different grazing airflow velocity

圖9 不同切向流速下兩種聲襯試驗件的指向性測試結(jié)果Fig.9 Directivity test results at different grazing airflow velocity of 2 kinds of liner

由不同切向流速度下的降噪量結(jié)果即圖8可以看出，兩種聲襯試驗件在3 000 Hz、(8,0)模態(tài)的不同流速下均具有比較好的消聲效果，降噪效果超過30 dB；流速對聲襯試驗件的降噪效果有明顯影響；長度較長的聲襯試驗件具有更好的消聲效果。

根據(jù)圖7和圖9不同流速下的指向性發(fā)現(xiàn)，(8,0)階聲模態(tài)下主瓣的角度90°～120°，沒有發(fā)生變化；不同流速下、主瓣位置處(即90°～120°)均表現(xiàn)出90 mm聲襯的降噪效果高于350 mm聲襯的降噪效果，說明這種現(xiàn)象是對于高階聲模態(tài)是實際存在的；0.3Ma下對主瓣降噪效果最好。

4 結(jié)論

針對特定工況設(shè)計并制備了兩種無縫復(fù)材環(huán)形聲襯，利用發(fā)動機聲模態(tài)模擬試驗分別通過管道內(nèi)聲模態(tài)試驗和管道指向性試驗，驗證了環(huán)形聲襯的降噪效果，通過多種對比試驗研究了切向流速度對環(huán)形聲降噪效果的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：

(1)不同長度的環(huán)形聲襯在設(shè)計點工況下均表現(xiàn)出良好的降噪效果，即3 000 Hz、(8,0)階周向聲模態(tài)和0.3Ma切向來流條件下，通過聲模態(tài)測試分析90 mm聲襯和350 mm聲襯的降噪量均大于30 dB，在半徑為1 m、30°～120°扇區(qū)范圍內(nèi)的降噪量均大于15 dB。

(2)聲襯的降噪效果具有強烈的模態(tài)選擇性；兩種不同長度的聲襯均表現(xiàn)出在(8,0)階周向模態(tài)上遠(yuǎn)超其他模態(tài)的降噪效果。

(3)從指向性角度講，兩種聲襯降噪效果明顯，特別是在硬壁聲壓級的極大位置(60°～120°)，兩種聲襯的降噪效果均達(dá)到15 dB以上。

(4)切向來流速度對聲襯的降噪效果具有顯著影響。