連續型和非連續型蜂窩芯材的共振吸聲結構性能研究

劉 杰 紀雙英 焦麗娟 楊進軍

（1 中國航空制造技術研究院復合材料技術中心，北京 101300）

（2 中國飛機強度研究所，西安 710065）

文 摘 以芳綸紙蜂窩、內嵌樹脂隔板和微穿孔面板為原料，制備了連續和非連續雙自由度共振吸聲結構，對兩種共振吸聲結構的力學性能和吸聲系數進行對比研究。結果表明：連續蜂窩芯材所制備共振吸聲結構的壓縮和拉伸性能高于非連續型共振吸聲結構，其中非穩定型壓縮強度和拉伸強度高19%，穩定型壓縮強度高32%，穩定型壓縮模量高43%，剪切性能基本相當；兩層蜂窩芯材容易出現孔格錯位（非連續型共振吸聲結構），引起錯位區域的微孔堵塞，使該結構的共振吸收峰與理論值出現較大差異。

0 引言

蜂窩夾層結構具有輕質、高強、耐腐蝕、隔熱等優點，在航空航天、軌道交通等領域均得到了廣泛的應用［1-2］。將一定厚度的蜂窩與微穿孔板及背板結合可制成共振吸聲結構，針對共振吸聲結構，國內外研究人員開展了大量研究［3-10］。單自由度共振吸聲結構在共振頻率附近有很好的吸聲效果，但是在共振頻率以外的頻段吸聲效果不佳，為拓寬噪聲吸收頻段，研究人員提出了組合微穿孔共振吸聲結構的概念［11-12］，組合結構又分為耦合結構和并聯結構兩種。耦合結構是指通過增加共振吸聲結構空腔數量和穿孔板數量的方式拓寬吸收頻帶，雙層耦合結構不是簡單的單層結構組合，與單層結構相比，雙層結構的兩個主要共振頻率分別向高頻和低頻移動［13］，而三層微穿孔共振吸聲結構的吸聲系數和吸聲頻帶可在雙層結構基礎上進一步提高［14］，但是三層微穿孔共振吸聲結構制備工藝復雜，工業化難度較大。并聯結構僅一層微穿孔板，但板上有多組穿孔，孔徑和孔間距不同，分別與空腔形成共振吸聲結構，研究人員對該結構也進行了理論研究［15］，發現并聯后結構在交點位置的吸聲系數高于兩組吸聲系數的數值平均。單層、雙層和三層微穿孔共振吸聲結構示意圖見圖1。

圖1 共振吸聲結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of resonance sound absorption structure

共振吸聲結構在航空領域的主要應用部位是飛機發動機短艙內壁、入口或后通道中的聲學襯墊，以減少發動機造成的風扇寬頻噪音［16-18］。最初的設計是采用具有微孔面板的單自由度共振吸聲結構，顯然，單自由度共振吸聲結構吸收頻帶窄，難應對航空發動機所產生的寬頻噪聲，逐漸被淘汰。現在更為常見的設計是采用雙自由度共振吸聲結構，通過結構參數的變化以實現對噪聲的寬頻吸收。雙自由度共振吸聲結構在制備工藝上又從最初非連續蜂窩芯材結構逐步發展為連續蜂窩芯材結構，如A320 系列飛機所使用的IAE研制的V2500發動機，其聲學襯墊就采用了非連續蜂窩芯材結構，如圖2所示。針對非連續蜂窩芯材和連續蜂窩芯材所制備的共振吸聲結構在力學性能、聲學性能上的具體差異，國內外的相關研究報道較少，本文分別采用非連續蜂窩芯材和連續蜂窩芯材制備雙自由度共振吸聲結構，對該結構的力學性能和聲學性能進行對比研究，結合兩種結構的具體制備工藝，分析造成兩種結構性能差異的主要原因。

圖2 V2500發動機聲學襯墊解剖后的非連續蜂窩芯材Fig.2 Discontinuous honeycomb core of V2500 engine acoustic line after dissection

1 實驗

1.1 原材料與儀器

1.1.1 原材料

主要原材料見表1。

表1 主要原材料Tab.1 Main raw materials

1.1.2 儀器

主要儀器設備見表2。

表2 主要設備Tab.2 Main equipment

1.2 試驗過程與方法

1.2.1 共振吸聲結構設計參數

對于微穿板吸聲結構來說，其吸聲性能是由穿孔率、孔徑、板厚和空腔深度來決定，因此為獲得理想的吸聲效果，需要對這結構參數進行優化設計。在前期工作的基礎上，采用遺傳算法進行多目標參數優化，得出表3中的設計參數，該設計參數主要針對的頻率范圍是1.5～4.5 kHz。根據優化參數結果，以芳綸紙蜂窩、碳纖維面板、熱破膠膜和微穿孔內隔板為原材料，分別制備非連續型和連續型兩種雙自由度共振吸聲結構，雙自由的共振吸聲結構示意圖及實物見圖3。

圖3 雙自由的共振吸聲結構示意圖及其實物Fig.3 Schematic diagram of double-free resonance sound absorption structure and its physical object

表3 雙自由度共振吸聲結構參數Tab.3 Parameters of resonance sound-absorbing structure of double degree freedom

1.2.2 性能測試方法

采用Instron5566電子萬能實驗機對蜂窩進行非穩定型壓縮性能、穩定型壓縮性能和L向、W向剪切性能測試，測試標準分別按照GB/T 1453—2005和GB/T 1455—2005進行；采用阻抗管法，對所制備共振吸聲結構的吸聲系數進行了測試，測試頻率范圍0～6.4 kHz。

2 結果與討論

2.1 力學性能結果討論

兩種雙自由度共振吸聲結構的各項強度性能對比見圖4（a），各項模量性能對比見圖4（b）。從圖4（a）可以看出，采用連續型蜂窩所制備的共振吸聲結構的非穩定型壓縮強度、穩定型壓縮強度和平面拉伸強度高于非連續型，其中非穩定型壓縮強度和拉伸強度高19%，穩定型壓縮強度高32%，而剪切強度基本相當；同樣可從圖4（b）看出，采用連續型蜂窩所制備的共振吸聲結構的穩定型壓縮模量比非連續型高42%，而剪切模量基本相當。造成兩種結構的力學性能出現以上差異的主要原因是芳綸紙蜂窩的連續性。當連續型的共振吸聲結構在受到壓縮、拉伸和剪切載荷作用時，由于蜂窩壁連續，載荷可從上面板完整的傳遞至下面板，在無膠接質量的情況下，共振吸聲結構的壓縮、剪切和拉伸性能與蜂窩本身的性能相當；當非連續型共振吸聲結構在受到壓縮載荷和拉伸載荷作用時，由于蜂窩非連續，結構內部蜂窩的受載情況則會發生變化，非連續型蜂窩芯材截面形貌和壓縮載荷傳遞情況見圖5。從圖5可以看出，當結構受到壓縮載荷時，上面板和下面板受到的載荷均會通過蜂窩壁傳遞至微穿孔內隔板（該材料主要體現功能性，強度較低），使微穿孔內隔板受到彎曲載荷而發生破壞，隨后蜂窩局部失穩后發生破壞，最終造成蜂窩的壓縮性能結果偏低，同理當結構受到拉伸載荷時，上面板和下面板受到的拉伸載荷均會通過蜂窩壁傳遞至微穿孔內隔板，微穿孔內隔板受到彎曲載荷而發生破壞，造成蜂窩的拉伸強度結果偏低。而結構受到剪切載荷時，雖然剪切載荷同樣會傳遞至微穿孔內隔板，但微穿孔內隔板的抗剪切性能遠高于蜂窩（室溫下，內隔板的剪切強度≥15 MPa），剪切載荷通過內隔板在上下兩層蜂窩之間傳遞時不會發生破壞。當剪切載荷達到一定程度時，結構則會在性能相對較低的蜂窩上發生破壞，故兩種雙自由度共振吸聲結構的剪切強度和剪切模量性能結果基本相當。

圖4 連續型和非連續型共振吸聲結構性能對比Fig.4 Performance comparison of resonance sound absorption structure

2.2 吸聲系數測試結果討論

兩種雙自由度共振吸聲結構在0～6.4 kHz范圍內的吸聲系數測試結果如圖6（a）所示。圖中非連續蜂窩所制作的共振吸聲結構在主要工況頻率范圍內（即1.2.1節中主要優化的頻率范圍：1.5～4.5 kHz）的平均吸聲系數為0.730，連續蜂窩所制作的共振吸聲結構在主要工況頻率范圍內的平均吸聲系數為0.881。與理論計算結果對比可知，連續蜂窩型共振吸聲結構的共振吸收峰與理論計算結果更接近、平均吸聲系數更高，非連續型共振吸聲結構則出現了多個雜峰，平均吸聲系數也偏低。結合兩種雙自由度共振吸聲結構的制備工藝可知，造成實際測試值與理論計算值出現差異的原因主要是結構的微孔出現了不同程度的堵塞。當蜂窩連續時，僅共振吸聲結構面板上的孔眼會發生堵塞，堵塞位置一般位于蜂窩壁與面板膠接處，由于微穿孔面板與蜂窩膠接過程中，膠黏劑會在蜂窩壁與面板接觸位置附近聚集，堵塞面板上的孔眼，而蜂窩芯材的中間隔板（含微孔）是通過隔板側面與蜂窩壁膠接，該工藝通過工藝控制，可避免出現孔眼堵塞的問題。當蜂窩非連續時，共振吸聲結構面板的孔眼堵塞情況與蜂窩連續時基本一致，但中間隔板上的微穿孔會因為兩層蜂窩孔格錯位、蜂窩與中間隔板表面的膠接等問題，導致中間隔板上的微孔堵塞嚴重，且孔眼堵塞具有隨機性。根據X射線檢測結果（圖7），采用目視計數的方法計算可知（蜂窩壁交叉位置的孔眼堵塞）：文中共振吸聲結構面板的孔眼堵塞率在10%～20%，通過二次加工處理，可將面板的孔眼堵塞率降低至5%以下，而非連續型共振吸聲結構因孔格錯位和膠接的需要，其中間隔板的孔眼堵塞率達到50%左右，且這部分堵塞在結構內部，無法進行二次加工，且該堵塞無固定規律，可能造成非連續型共振吸聲結構的吸收峰隨機出現。為驗證無規律堵塞是否會使結構的吸收峰隨機出現，采用同樣的工藝和結構參數重新制備了1塊非連續型共振吸聲結構，其參數結果見圖6（b），由圖可知，結構的吸聲系數發生了較大變化，這種隨機性是不能接受的。

圖6 吸聲系數測試結果Fig.6 Test results of sound absorption coefficient

圖7 共振吸聲結構微穿孔面板孔眼堵塞情況Fig.7 Blockage of the resonance sound absorption structure

3 結論

（1）基于連續蜂窩的雙自由度共振吸聲結構的壓縮性能和拉伸性能高于非連續型吸聲結構，其中非穩定型壓縮強度和拉伸強度高19%，穩定型壓縮強度高32%，穩定型壓縮模量高43%，剪切性能基本相當。

（2）連續型共振吸聲結構的吸聲系數與理論計算結果一致性較高，而非連續型吸聲結構因內隔板層上的微孔存在隨機堵塞，造成該結構的實際吸聲系數與理論結果存在較大差異，且這種差異存在設計不能接受的不確定性。