直升機金屬加筋板阻尼減振降噪仿真研究

李 翱,陳 浩,王風嬌

(中國直升機設計研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機艙內(nèi)噪聲環(huán)境惡劣,嚴重影響乘員安全性和舒適度,需采取措施進行控制[1-2]。直升機艙內(nèi)噪聲源眾多,其中主減速器齒輪嚙合頻率及其諧波振動會通過主減速器支撐結(jié)構(gòu)傳遞到艙壁,激勵機體結(jié)構(gòu)振動,并向艙內(nèi)輻射噪聲,形成艙內(nèi)主減速器結(jié)構(gòu)聲[3]。該部分噪聲頻率一般位于500～2000 Hz,是人耳敏感頻率范圍,且噪聲幅值高,逐漸成為制約直升機艙內(nèi)舒適度的關鍵因素。

目前,汽車、輕軌、船舶等行業(yè)廣泛采用阻尼減振降噪技術(shù)進行結(jié)構(gòu)聲振控制[4,5],但對于直升機機身壁板結(jié)構(gòu),很少有文獻研究阻尼對其結(jié)構(gòu)聲的控制效果,更缺乏中高頻結(jié)構(gòu)聲的相關研究。因此,為了給直升機艙內(nèi)降噪提供有效途徑,本文嘗試以直升機常見壁板構(gòu)型——金屬加筋板為研究對象,選用減振效果更好的約束阻尼層[6]進行阻尼減振降噪性能研究。

首先基于聲振耦合理論建立了加筋板及其阻尼構(gòu)件的聲振耦合有限元分析模型;隨后采用直接聲振響應法進行仿真計算;通過與試驗結(jié)果進行對比,初步驗證了本文仿真方法的可信度。在此基礎上,分析了約束阻尼的減振降噪效果以驗證阻振降噪方案的有效性,同時分別討論了阻尼層和約束層厚度對結(jié)構(gòu)聲振響應的影響,為后續(xù)阻尼有效降噪及優(yōu)化設計提供依據(jù)。

1 聲振耦合基本理論

根據(jù)有限元法,加筋板結(jié)構(gòu)可簡化等效為多自由度系統(tǒng),則結(jié)構(gòu)的強迫振動方程為:

(1)

進一步將聲腔離散化,得到聲腔聲場的動力學方程為:

(2)

式中,Mf為流體等效質(zhì)量矩陣,Cf為流體等效阻尼矩陣,Kf為流體等效剛度矩陣,p為節(jié)點壓力向量。

在聲腔與結(jié)構(gòu)的耦合面上,考慮聲波對結(jié)構(gòu)的聲壓載荷,此時結(jié)構(gòu)的動力學方程為:

(3)

其中,Kc為耦合剛度矩陣。

此外,在聲振耦合處結(jié)構(gòu)振動通過耦合界面?zhèn)鬟f至聲腔,致使聲腔內(nèi)流體運動產(chǎn)生噪聲。此時考慮結(jié)構(gòu)對聲場的作用力,聲腔聲場的動力學方程為[7]:

(4)

結(jié)合式(3)和(4),可得聲振耦合有限元方程:

(5)

求解上述方程可得到結(jié)構(gòu)位移及聲場聲壓。

2 結(jié)構(gòu)聲振響應仿真建模

常見的直升機加筋板三維模型如圖1(a)所示,包括蒙皮和Z型加強筋(通過鉚釘連接),可在蒙皮內(nèi)表面(筋條除外)粘貼約束阻尼層(灰色部分)進行減振降噪。其中,蒙皮、筋條和約束阻尼層的材料參數(shù)見表1;蒙皮尺寸為500×500 mm2,厚度為1 mm;加強筋截面尺寸如圖1(b)所示,厚度為1.2 mm,數(shù)量為5,安裝間隔為85 mm;約束阻尼層中約束層為0.7 mm的鋁,阻尼層為1 mm的丁腈橡膠,其損耗因子隨頻率的變化如圖2所示。

表1 材料參數(shù)

圖1 加筋板阻尼構(gòu)件三維實體圖

圖2 阻尼的損耗因子隨頻率的變化曲線

為了分析上述加筋板結(jié)構(gòu)的聲振特性,將其固定在一個消聲箱上,聲腔體積為500×500×578 mm3,聲腔外圍具有20 mm厚的PET吸聲棉。根據(jù)有限元法得到加筋板結(jié)構(gòu)聲振響應仿真分析模型如圖3所示。

圖3 加筋板輻射噪聲模型

其中,結(jié)構(gòu)網(wǎng)格采用shell單元進行建模,單元尺寸11.3 mm;結(jié)構(gòu)網(wǎng)格映射得到三維聲腔網(wǎng)格,聲腔中的空氣密度1.55 kg/m3,聲速為340 m/s;聲腔網(wǎng)格外圍建立三維PET吸聲棉網(wǎng)格,PET棉的靜流阻率為14065 Pa·s/m2,孔隙率為0.9572,曲折度為1.005,粘特性因子長度為0.103 mm,熱特性因子長度為0.093 mm。加筋板自由邊的三個位移方向約束。值得注意的是,約束阻尼層的阻尼層采用實體單元進行建模,約束層則采用shell單元建模。

基于上述模型,分析結(jié)構(gòu)振動激勵位置(圖4)至結(jié)構(gòu)表面一點(圖5)的中高頻振動傳遞特性,以及至聲腔內(nèi)部一點(圖6)的中高頻噪聲傳遞特性。

圖4 激勵位置

圖5 加速度測點位置

圖6 噪聲測點位置

3 仿真方法初步驗證

本文的仿真計算模型是基于文獻[4]中的阻尼板輻射噪聲測試臺進行構(gòu)建的。加筋板阻尼構(gòu)件的仿真與試驗結(jié)果對比如圖7和圖8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)加速度和輻射噪聲響應的仿真結(jié)果與試驗吻合良好,且相關系數(shù)分別為0.7和0.72,屬于強相關,從而初步驗證了本文仿真方法的可信度。因此,可以基于本文仿真模型探討阻尼對結(jié)構(gòu)中高頻聲振響應的影響,為后續(xù)阻尼有效降噪及優(yōu)化設計提供依據(jù)。

圖7 加速度仿真與測試結(jié)果對比

圖8 輻射噪聲仿真與測試結(jié)果對比

4 計算結(jié)果

本文分析頻率為500～2000 Hz的中高頻。為便于分析約束阻尼層對加筋板結(jié)構(gòu)振動及輻射噪聲的影響,采用振動傳遞函數(shù)VTF(Vibration Transfer Function)和噪聲傳遞函數(shù)NTF(Noise Transfer Function)進行分析。VTF和NTF分別代表單位力激勵下結(jié)構(gòu)測點上的加速度水平和聲腔內(nèi)部測點處的聲壓水平。同時給出1/3倍頻程,以直觀地顯示有無阻尼時加筋板振動和噪聲能量在各頻段的變化情況。

4.1 阻尼對加筋板聲振響應的影響

附加約束阻尼層前后,加筋板激勵位置至結(jié)構(gòu)表面的VTF變化情況如圖9(a)所示?？砂l(fā)現(xiàn)增加約束阻尼后,加筋板的加速度顯著衰減,即加筋板的振動得到有效抑制。圖9(b)給出了加速度在各頻段的變化情況。增加阻尼后,結(jié)構(gòu)的振動能量被約束阻尼有效吸收,各頻段上的結(jié)構(gòu)加速度平均衰減76%。

圖9 加筋板有無阻尼時的VTF對比

有無阻尼時,計算所得加筋板激勵位置至聲腔的NTF變化情況如圖10(a)所示。

圖10 加筋板有無阻尼時的NTF對比

增加約束阻尼后,除在1300 Hz附近聲壓出現(xiàn)放大以外,其余頻點聲壓整體上呈降低趨勢,加筋板的輻射噪聲同樣得到有效抑制。圖10(b)給出了聲壓在各頻段的變化情況。增加阻尼后各頻段上的結(jié)構(gòu)輻射噪聲能量同樣被約束阻尼有效吸收,聲壓平均降低9.2 dB,總聲壓級降低10.4 dB。

以上對比分析,初步驗證了約束阻尼對加筋板結(jié)構(gòu)的中高頻減振降噪的有效性。

4.2 約束阻尼結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

由于直升機重量敏感性,為方便后續(xù)降噪設計,分別分析約束阻尼中阻尼層和約束層的厚度對加筋板聲振響應的影響

4.2.1 阻尼層厚度

保持約束層與基板不變,分析阻尼層厚度對加筋板聲振響應的影響。

圖11給出了不同阻尼層厚度下,加筋板中心位置的加速度變化情況。隨著阻尼厚度的增加,加速度逐漸減小,且頻率越高,衰減越大。這是因為阻尼越厚,克服剪切力做功消耗的結(jié)構(gòu)振動能量越多。從圖12中可發(fā)現(xiàn),隨著阻尼層厚度的增加,加筋板在聲腔中的輻射噪聲降低。但與結(jié)構(gòu)加速度不同的是,結(jié)構(gòu)輻射噪聲在中心頻點為1250 Hz和1600 Hz的頻段上沒有出現(xiàn)明顯降低,即增加阻尼層厚度并不能保證在所有頻段上產(chǎn)生良好的降噪效果,還可能會帶來附加重量。

圖11 阻尼層厚度對測點加速度的影響

圖12 阻尼層厚度對測點輻射噪聲的影響

4.2.2 約束層厚度

保持阻尼層與基板不變,分析約束層厚度對加筋板聲振響應的影響。

從圖13中可以發(fā)現(xiàn),隨著約束層厚度增加,結(jié)構(gòu)加速度沒有呈現(xiàn)明顯變化的規(guī)律,結(jié)構(gòu)振動衰減主要集中在中心頻點為1250 Hz和1600 Hz的頻段上,約束阻尼的減振性能隨著約束層厚度的增加而提高。但圖14中結(jié)構(gòu)輻射噪聲隨約束層厚度變化的規(guī)律則與之相反:加速度增大,輻射噪聲則降低;加速度減小,輻射噪聲則增大。這是因為當阻尼層厚度恒定時,耗能基本維持不變,由于能量守恒,所以結(jié)構(gòu)振動能量增大時,輻射噪聲能量減小,反之亦然。在630～1000 Hz之間,約束阻尼的降噪性能隨著約束層厚度的增加而顯著提高。

圖14 約束層厚度對測點輻射噪聲的影響

5 結(jié)論

本文以直升機典型壁板結(jié)構(gòu)金屬加筋板為研究對象,采用直接聲振響應法對其中高頻聲振特性進行仿真分析。通過與試驗結(jié)果進行對比,初步驗證了本文仿真方法的可信度。在此基礎上,進一步開展仿真研究,探討約束阻尼及其結(jié)構(gòu)參數(shù)對加筋板結(jié)構(gòu)聲振響應的影響,通過分析仿真計算結(jié)果得出以下結(jié)論:

1) 增加約束阻尼后,加筋板500～2000 Hz范圍內(nèi)振動及輻射噪聲得到有效抑制,帶寬內(nèi)的振動衰減均值達75%以上,輻射噪聲平均降低9 dB以上,從而驗證了約束阻尼對加筋板構(gòu)型的減振降噪有效性。

2) 隨著阻尼厚度的增加,約束阻尼層的減振降噪性能得到有效提高。但僅通過增加阻尼層厚度并不能在全頻段上產(chǎn)生良好的降噪效果,反而會增加系統(tǒng)重量,達不到輕量化設計的要求。因此,阻尼設計時要注意選擇參數(shù)以避開敏感頻率或頻段。

3) 隨約束層厚度的增加,約束阻尼的減振性能在1250～1600 Hz之間有顯著提高;而在630～1000 Hz之間則沒有明顯提高甚至會出現(xiàn)降低。約束阻尼的降噪性能則與減振性能相反,在630～1000 Hz之間有顯著提高。因此實際應用時要根據(jù)直升機減振降噪需求進行綜合設計。