周期隔振設(shè)計(jì)用于直升機(jī)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(jié)構(gòu)進(jìn)行周期隔振設(shè)計(jì)，開展艙內(nèi)噪聲抑制研究。首先，設(shè)計(jì)了兩種周期隔振結(jié)構(gòu)，建立了周期隔振結(jié)構(gòu)的聲振分析模型以及作封閉腔體簡化的直升機(jī)艙室模型;其次，開展了周期隔振結(jié)構(gòu)與均勻連續(xù)隔振結(jié)構(gòu)對比研究，分析了周期性設(shè)計(jì)對隔振結(jié)構(gòu)自身振動(dòng)傳遞、單層隔振系統(tǒng)聲振響應(yīng)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(shè)計(jì)的情況，周期性設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲得到了顯著抑制;通過周期隔振結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(guān)鍵詞： 噪聲控制; 直升機(jī); 艙內(nèi)噪聲; 周期結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)： TB535 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)： 1004-4523（2020）04-0764-08

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

1 概 述

直升機(jī)以其獨(dú)特的飛行能力，在軍用民用領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。但直升機(jī)在運(yùn)行中通常存在突出的振動(dòng)與噪聲問題，這也是直升機(jī)等旋翼類飛行器的主要缺點(diǎn)之一[1-2]。其中，艙內(nèi)噪聲不僅影響乘坐舒適性，還會(huì)對乘員工作效率等產(chǎn)生影響，不利于各項(xiàng)任務(wù)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(biāo)[5-6]。

直升機(jī)艙內(nèi)噪聲主要來源包括：旋翼/尾槳、主減速器及傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)以及機(jī)載設(shè)備等。主要傳遞路徑包括兩類：一是結(jié)構(gòu)聲傳遞，即主減速器、發(fā)動(dòng)機(jī)以及旋翼/尾槳等部件的振動(dòng)，通過主支撐桿等連接件傳遞到艙室壁板，引起壁板振動(dòng)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(fēng)擋、艙門等結(jié)構(gòu)傳遞進(jìn)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(rèn)為對艙內(nèi)噪聲環(huán)境具有重要影響，而其支撐結(jié)構(gòu)則被認(rèn)為是振動(dòng)與噪聲傳遞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8-12]。主減速器的振動(dòng)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(gè)諧頻成分的疊加，但對不同型號(hào)的直升機(jī)，頻譜特性也會(huì)存在差異，如文獻(xiàn)[13]中給出的減速器主要振動(dòng)頻段在500-4000 Hz，文獻(xiàn)[8]中艙室振動(dòng)噪聲主要頻段為500-4000 Hz，而在文獻(xiàn)[9-10]中這一頻段則是500-2000 Hz，具體頻譜曲線可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)直升機(jī)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(jī)主減速器支撐結(jié)構(gòu)這一傳遞路徑，主要措施是采用隔振設(shè)計(jì)。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(jī)主減速器隔振工程中，為解決這一矛盾，主要采用了動(dòng)力反共振隔振器（DAVI）與主動(dòng)隔振兩種措施[14-15]。如Mcguire[16]在直升機(jī)主減速器隔振研究中，設(shè)計(jì)了基于動(dòng)力反共振原理的高剛度液彈隔振系統(tǒng)，相關(guān)的實(shí)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(shí)驗(yàn)研究。Hoffmann等[8]開展了利用主動(dòng)式支撐連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行直升機(jī)聲振抑制的研究。就上述兩種措施而言，動(dòng)力反共振隔振主要用于低頻段，且減振頻段通常較窄;主動(dòng)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(yīng)用較少。此外，主動(dòng)控制的作動(dòng)器設(shè)計(jì)、系統(tǒng)魯棒性等也待進(jìn)一步改善。

在上述典型控制方法以外，近年來基于周期性設(shè)計(jì)的直升機(jī)振動(dòng)與噪聲抑制以其特有的優(yōu)勢受到了一些學(xué)者的關(guān)注。周期結(jié)構(gòu)具有禁帶特性等特殊的彈性波調(diào)控效應(yīng)，通過合理設(shè)計(jì)，有望實(shí)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(shè)計(jì)進(jìn)行隔振的系列研究，其以一維周期層狀結(jié)構(gòu)為對象，首先開展了禁帶分析與設(shè)計(jì)，進(jìn)而通過引入質(zhì)量放大單元以及壓電主動(dòng)控制等手段，對振動(dòng)抑制頻段進(jìn)行了拓展。圖2所示為Szefi等利用周期隔振設(shè)計(jì)來抑制主減速器振動(dòng)傳遞的設(shè)想圖[11]。王目凱[19]也進(jìn)行了周期減振支撐桿的研究，并分別考慮了軸向振動(dòng)與橫向振動(dòng)情況。王鳳嬌、陸洋[12]針對直升機(jī)同時(shí)承受較大的拉伸載荷的情況，設(shè)計(jì)了一種周期層狀結(jié)構(gòu)撐桿，分析了其主要設(shè)計(jì)參數(shù)對振動(dòng)傳遞特性、剛度及強(qiáng)度的影響。此外，Autran等[11]、Asiri等[20]針對直升機(jī)減振降噪問題，通過對齒輪箱支撐結(jié)構(gòu)、軸承座等進(jìn)行周期化設(shè)計(jì)，開展了利用禁帶進(jìn)行振動(dòng)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(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞抑制的實(shí)驗(yàn)測試與驗(yàn)證工作，考慮了結(jié)構(gòu)中的橡膠材料楊氏模量隨頻率的變化以及阻尼的影響等?？傮w而言，在利用周期性設(shè)計(jì)進(jìn)行艙內(nèi)噪聲控制方面，仍有很多研究工作待于進(jìn)一步深入，包括降低結(jié)構(gòu)附加質(zhì)量、拓寬作用頻段、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及艙內(nèi)噪聲抑制效果的綜合驗(yàn)證等。

本文基于周期結(jié)構(gòu)理論，通過對振動(dòng)與噪聲傳遞路徑上的關(guān)鍵部件主減速器支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)，開展艙內(nèi)噪聲抑制研究。首先，設(shè)計(jì)了兩種周期隔振結(jié)構(gòu)，建立了將其用于單層隔振系統(tǒng)聲振響應(yīng)與艙內(nèi)噪聲控制研究的物理模型;進(jìn)而通過與非周期的連續(xù)隔振結(jié)構(gòu)對比，開展了周期性結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(shí)所取得的聲振抑制效果。

2 周期隔振結(jié)構(gòu)及其減振降噪分析模型2.1 周期隔振結(jié)構(gòu)模型 ?在本文的研究中，將主減速器支撐結(jié)構(gòu)簡化為一維桿狀結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。其中，周期結(jié)構(gòu)-Ⅰ為由兩種材料交替排列構(gòu)成的周期層狀結(jié)構(gòu);周期結(jié)構(gòu)-Ⅱ通過在基體軟材料上周期性附加共振單元構(gòu)成，且每個(gè)周期中有2個(gè)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(jié)構(gòu)的情況。

3 周期隔振結(jié)構(gòu)的減振降噪效果分析

3.1 周期隔振結(jié)構(gòu)的禁帶與振動(dòng)傳遞特性 ?周期隔振結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)-Ⅰ與-Ⅱ的波傳播與禁帶特性，圖5（b）所示為由2個(gè)周期單元構(gòu)成的有限長周期結(jié)構(gòu)的振動(dòng)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(jì)算中設(shè)置軟材料結(jié)構(gòu)阻尼為0，圖5（b）計(jì)算中阻尼為0.02。為便于對比，也給出了連續(xù)結(jié)構(gòu)中的波傳播常數(shù)與振動(dòng)傳遞曲線。

由圖可見，在所考慮的頻段內(nèi)，周期結(jié)構(gòu)-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(jié)構(gòu)-I（1.3 kg）的禁帶為1170-2150 Hz和2620-4000 Hz，周期結(jié)構(gòu)-Ⅱ的禁帶為1100-3770 Hz。而由有限長周期結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)可見，振動(dòng)的衰減頻段與禁帶范圍吻合良好，并且振動(dòng)傳遞的衰減幅度與波傳播常數(shù)的幅值大小相對應(yīng)。

還可發(fā)現(xiàn)，對周期結(jié)構(gòu)-Ⅱ，雖然其附加質(zhì)量成本與周期結(jié)構(gòu)-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(jié)構(gòu)-Ⅰ（1.3 kg）為分離的兩個(gè)禁帶，而周期結(jié)構(gòu)-Ⅱ形成了一個(gè)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(jié)構(gòu)-Ⅱ在禁帶內(nèi)的波傳播常數(shù)幅值更大，減振效果也更好?？梢?，通過結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)置，可以調(diào)節(jié)禁帶范圍，增強(qiáng)振動(dòng)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(jié)構(gòu)阻尼也使振動(dòng)傳遞產(chǎn)生了衰減，但阻尼所引起的衰減遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)，阻尼雖然使中高頻段的振動(dòng)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(jié)構(gòu)禁帶;周期結(jié)構(gòu)自身而言，其在禁帶內(nèi)的振動(dòng)衰減也明顯大于禁帶外的阻尼作用頻段。

3.2 基礎(chǔ)板的振動(dòng)與聲輻射抑制分析

進(jìn)一步對單層隔振系統(tǒng)中周期隔振設(shè)計(jì)所取得的基礎(chǔ)板振動(dòng)和聲輻射的抑制效果進(jìn)行分析。圖6所示分別為使用周期隔振結(jié)構(gòu)-Ⅰ和-Ⅱ以及使用連續(xù)隔振結(jié)構(gòu)時(shí)，基礎(chǔ)板的振動(dòng)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(shí)線框所示分別為不同周期結(jié)構(gòu)的禁帶范圍。

由圖可見，相對于采用連續(xù)隔振結(jié)構(gòu)的情況，通過周期隔振設(shè)計(jì)，使基礎(chǔ)板的振動(dòng)響應(yīng)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(dòng)與聲輻射也得到了一定的抑制。相對于采用周期結(jié)構(gòu)-Ⅰ（12.5 kg）的情況，采用周期結(jié)構(gòu)-Ⅰ（1.3 kg）所產(chǎn)生的基礎(chǔ)板振動(dòng)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(jié)構(gòu)禁帶內(nèi)的彈性波衰減幅度和禁帶寬度相應(yīng)減小所致。相對于周期結(jié)構(gòu)-Ⅰ（1.3 kg），雖然周期結(jié)構(gòu)-Ⅱ的附加質(zhì)量成本相同，但總體而言，其對振動(dòng)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(jié)構(gòu)所取得的對基礎(chǔ)板振動(dòng)、聲輻射的抑制頻段和降低幅度，與周期隔振結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)傳遞衰減頻段和降低幅度總體上可以實(shí)現(xiàn)較好的對應(yīng)。

3.3 艙內(nèi)降噪效果分析

圖7（a）和（b）所示為力激勵(lì)作用下，客艙地板振動(dòng)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(jié)構(gòu)-Ⅰ（12.5 kg）與采用連續(xù)隔振結(jié)構(gòu)兩種情況。圖中陰影區(qū)域所示為周期隔振結(jié)構(gòu)的禁帶范圍。

由圖可見，相對于采用連續(xù)隔振結(jié)構(gòu)的情況，通過引入周期性設(shè)計(jì)，艙室振動(dòng)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(dǎo)致施加于艙體的激勵(lì)作用減小，進(jìn)而使壁板振動(dòng)和噪聲輻射大幅降低。而在低于禁帶的頻段，兩種隔振結(jié)構(gòu)的聲振抑制效果相當(dāng)。

為了更直觀地顯示不同隔振結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的力傳遞率曲線。計(jì)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(shè)置。由圖可見，對理想結(jié)構(gòu)，力在傳遞過程中，既無放大、也無衰減;對連續(xù)結(jié)構(gòu)而言，施加于其輸入端的激勵(lì)力，在傳遞過程中，在整個(gè)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(jié)構(gòu)而言，激振力在傳遞過程中，雖仍然受到結(jié)構(gòu)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(gòu)而言，激振力在傳遞過程中，雖仍然受到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)時(shí)的艙室結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)與艙內(nèi)艙外輻射聲壓分布圖。由圖9（a）和（b）可見，當(dāng)采用連續(xù)隔振結(jié)構(gòu)時(shí)，艙室壁板存在較強(qiáng)的振動(dòng)響應(yīng)（部分壁板振動(dòng)還強(qiáng)于振動(dòng)的來源主減速器），進(jìn)而產(chǎn)生了較強(qiáng)的向艙內(nèi)的噪聲輻射。由圖9（c）和（d）可見，當(dāng)采用周期隔振結(jié)構(gòu)時(shí)，振動(dòng)傳遞得到了顯著抑制。較強(qiáng)的振動(dòng)僅存在于主減速器部分，并且主減速器的振動(dòng)也遠(yuǎn)小于采用連續(xù)隔振結(jié)構(gòu)時(shí)的艙體振動(dòng)。相應(yīng)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(jié)構(gòu)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(gè)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(qiáng)。但對采用周期隔振結(jié)構(gòu)的情況，較強(qiáng)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(jì)算/數(shù)值模擬方法所建立模型也是經(jīng)過了系列簡化。實(shí)際應(yīng)用中，所面臨的問題更為復(fù)雜，將受到多方面影響，主要包括：系統(tǒng)中各子結(jié)構(gòu)及其耦合共振、隔振結(jié)構(gòu)阻尼、隔振結(jié)構(gòu)彎曲振動(dòng)-軸向振動(dòng)的耦合等方面，而實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)通常也難以完全準(zhǔn)確獲取。這些因素將會(huì)使實(shí)際降噪效果相對于計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)變的更為復(fù)雜。但通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基本作用規(guī)律、總體抑制效果是一致的。文獻(xiàn)[21-22]對一維周期隔振結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果與測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析。在工程應(yīng)用中，針對不同情況，也需要對具體設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(shí)保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性;有時(shí)還會(huì)面臨嚴(yán)苛的附加質(zhì)量限制，這也將會(huì)增加設(shè)計(jì)難度。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了兩種周期隔振結(jié)構(gòu)，開展了其減振降噪對比研究，分析了其振動(dòng)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(yīng)抑制的效果。

（1）開展了周期性設(shè)計(jì)對隔振結(jié)構(gòu)減振降噪效果的影響研究。研究表明，相對于連續(xù)隔振結(jié)構(gòu)，周期隔振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)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(chǔ)板振動(dòng)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(jié)構(gòu)禁帶特征基本一致。此外，通過結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)置，可以在同等附加質(zhì)量成本下實(shí)現(xiàn)禁帶調(diào)節(jié)與拓展，進(jìn)而增強(qiáng)減振降噪效果。

（2）開展了基于主減速器支撐結(jié)構(gòu)周期隔振設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的艙室結(jié)構(gòu)，周期隔振支撐設(shè)計(jì)使由主減速器振動(dòng)傳遞引起的艙室振動(dòng)和內(nèi)部噪聲在較寬的頻段內(nèi)得到了非常顯著的抑制。

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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