復(fù)合材料聲襯聲阻抗性能測試試驗(yàn)研究

黃太譽(yù)，高 翔

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 第三十二研究室，陜西 西安 710065)

1 引 言

噴氣式發(fā)動機(jī)問世伊始，在噪聲傳遞路徑中鋪設(shè)聲襯一直是最主要的噪聲控制手段[1，2]。從上世紀(jì)中期開始，航空工業(yè)的蓬勃發(fā)展給人們的交通帶來了極大的便利，但是飛機(jī)帶來的噪聲污染卻愈發(fā)嚴(yán)重。為解決日益突出的航空發(fā)動機(jī)噪聲問題，采用聲襯吸聲仍是當(dāng)前在改善發(fā)動機(jī)噪聲中最有效的降噪技術(shù)。

迄今為止，國外對于聲襯的使用和研究已有超過70年的歷史，聲襯廣泛應(yīng)用于商用航空發(fā)動機(jī)的短艙。微穿孔板結(jié)構(gòu)是馬大猷[3-5]院士提出的、國內(nèi)發(fā)展最早的聲襯結(jié)構(gòu)，短艙內(nèi)使用的聲襯大多是微穿孔板蜂窩夾層吸聲結(jié)構(gòu)。目前，金屬材料微穿孔板和蜂窩芯材制成的聲襯產(chǎn)品發(fā)展已日臻成熟。隨著航空器輕質(zhì)化的要求以及復(fù)合材料制備、加工工藝的發(fā)展，樹脂基復(fù)合材料因其具有比剛度大、輕質(zhì)、加工性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于短艙聲襯的加工制造[6-9]。

本文以某特定的聲阻抗為目標(biāo)，分別設(shè)計(jì)制備了樹脂基復(fù)合材料的聲襯樣件，并對聲襯樣件分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)和聲學(xué)性能等參數(shù)性能測試研究。復(fù)合材料聲襯的測試結(jié)果分析表明，由于復(fù)合材料聲襯加工制備方面的優(yōu)勢，聲襯結(jié)構(gòu)參數(shù)的控制精準(zhǔn)，聲學(xué)性能表現(xiàn)良好，為復(fù)材聲襯的應(yīng)用做出了有益探索。

2 試驗(yàn)對象

微穿孔板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的聲襯主要由穿孔面板、蜂窩芯、無孔背板組成，可以看成是多個(gè)Helmholtz共振器的并聯(lián)，如圖1所示。穿孔板中的空氣類似于質(zhì)量塊，而蜂窩腔中的空氣類似于彈簧，即單個(gè)亥姆霍茲共振器可以看成小孔空氣質(zhì)量與空腔空氣彈簧組成的彈簧系統(tǒng)。當(dāng)入射聲波頻率與彈簧系統(tǒng)頻率一致時(shí)產(chǎn)生共振，小孔空氣劇烈振動摩擦，聲能轉(zhuǎn)換為熱能而耗散。

圖1 微穿孔板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意圖

聲阻抗是決定聲襯降噪效果的主要參數(shù)，其定義是聲襯表面聲壓p與表面法向質(zhì)點(diǎn)速度u的比值，在頻域中為一個(gè)復(fù)數(shù)物理量，其中實(shí)部為聲阻R，虛部為聲抗X。將其用空氣特性阻抗ρc進(jìn)行無量綱化，獲得相對聲阻抗：

(1)

工程上通?；诖罅吭囼?yàn)獲得半經(jīng)驗(yàn)的聲阻抗模型對聲襯進(jìn)行設(shè)計(jì)。比較有代表性的是Goodrich聲阻抗模型[10]，Z的數(shù)學(xué)表達(dá)如(2)所示：

Z=Zof+SrVp+Rg+iSmVp-icot(kL)

(2)

式中，Zof為黏性阻、黏性抗和厚度項(xiàng)，SrVp為高聲壓級聲阻，Rg為切向流聲阻，SmVp為高聲壓級對應(yīng)的聲抗項(xiàng)，各項(xiàng)數(shù)學(xué)表達(dá)如(3)所示：

(3)

根據(jù)Goodrich模型，聲阻抗不僅與聲襯結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔徑d、穿孔率σ、穿孔板厚度t、蜂窩腔深L)相關(guān)，還受工作環(huán)境影響(聲壓級相關(guān)的聲質(zhì)點(diǎn)速度Vp、切向流速Vg、邊界層厚度δ)。

渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇噪聲主要是由風(fēng)扇葉片高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，以一階BPF及其倍頻向涵道上下游傳播。對于當(dāng)前的主流渦扇發(fā)動機(jī)，其前兩階BPF是主要的噪聲源，頻帶約為1000Hz～3000Hz。

本文針對1514Hz和2454Hz兩種典型設(shè)計(jì)工況，開展聲襯設(shè)計(jì)。首先采用聲阻抗理論設(shè)計(jì)方法結(jié)合有限元數(shù)值計(jì)算，獲得給定條件下的聲襯初始聲阻抗，如表1所示?；诒竟?jié)所述的聲阻抗模型，對微穿孔板蜂窩芯材聲襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合考慮幾何尺寸、孔間距、孔徑和穿孔率等相關(guān)設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)制備的聲襯結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 聲襯設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)制備的兩種聲襯試驗(yàn)件如圖2、圖3所示，兩種聲襯試驗(yàn)件的材料一致。穿孔板和背板均采用高分子樹脂基復(fù)合材料SW110/3218，該材料表面光滑平整、比剛度大、可加工性良好；蜂窩芯材選用預(yù)浸料紙蜂窩芯材Nomex NH-1-5.5，這種蜂窩芯材為六邊形，對邊寬度5.5mm、壁厚為0.1mm，預(yù)浸料固化完成后蜂窩晶格六邊形結(jié)構(gòu)規(guī)整。

(a)聲襯A無孔背板

(b)聲襯A穿孔面板圖2 聲襯A試驗(yàn)件實(shí)物圖

(a)聲襯B無孔背板

(b)聲襯B穿孔面板圖3 聲襯B試驗(yàn)件實(shí)物圖

3 試驗(yàn)測試與結(jié)果分析

對于微穿孔板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)聲襯[11]試驗(yàn)件，開展結(jié)構(gòu)參數(shù)和聲阻抗兩方面的試驗(yàn)測試。

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)測試

傳統(tǒng)聲襯結(jié)構(gòu)如圖4所示。在加工過程中，完成孔板和背板加工后，在背板和穿孔板內(nèi)側(cè)刷上薄薄的膠膜，將蜂窩芯材放入其中，進(jìn)行高溫固化，固化完成后清理穿孔板面的堵孔。這種工藝中，由于膠膜在高溫固化過程中具有流動性，會導(dǎo)致膠膜厚度不均勻且膠膜會沿蜂窩晶格爬升，聲襯的厚度誤差較大。同時(shí)，穿孔板面容易被堵孔，造成穿孔率誤差較大，降低聲襯的降噪效果。

圖4 傳統(tǒng)聲襯結(jié)構(gòu)示意圖

為此，聲襯膠結(jié)后的結(jié)構(gòu)參數(shù)對于聲襯的質(zhì)量尤為重要。本文所述的復(fù)材聲襯試驗(yàn)件采用的膠結(jié)工藝是在蜂窩芯材的晶格邊涂抹膠層，由于蜂窩晶格壁厚小，膠膜量很小，因此在固化過程中膠膜流動性對穿孔板和背板幾乎沒有影響，膠膜在蜂窩芯上的爬升同樣可以忽略不計(jì)，更加不會產(chǎn)生對微孔堵塞等現(xiàn)象。

固化完成后經(jīng)檢測，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)參數(shù)測試結(jié)果如表2所示：穿孔板和背板的厚度誤差優(yōu)于±0.05mm，聲襯件的整體厚度誤差保證在±0.05mm以內(nèi)。另外，穿孔板微孔的孔徑和穿孔率誤差均優(yōu)于0.1%。

表2 聲襯結(jié)構(gòu)參數(shù)測試結(jié)果

3.2 聲阻抗測試

依據(jù)GB/T 18696.2-2002《聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量第2部分：傳遞函數(shù)法》在標(biāo)準(zhǔn)駐波管進(jìn)行聲阻抗試驗(yàn)測試，如圖5所示。

圖5 駐波管試驗(yàn)現(xiàn)場

3.2.1 測試分析方法

試驗(yàn)依據(jù)傳遞函數(shù)法，通過安裝在管壁上的兩支傳聲器測量入射波和反射波的聲壓，進(jìn)行干涉場的分析和入射吸聲系數(shù)、復(fù)傳遞函數(shù)和聲阻抗率的計(jì)算。

當(dāng)平面聲波垂直入射到吸聲裝置時(shí)，部分能量被吸收，部分被反射。入射波壓pi和反射波壓pr分別為：

pi=Acos(2πft)

(4)

pr=Bcos[2πf(t-2x/c)]

(5)

式中：f為頻率，單位為Hz；t為時(shí)間，單位為s；x為離樣品表面的距離，單位為m；c為聲速，單位為m/s；A和B為振幅。管內(nèi)的總聲壓由兩者的和得到。

吸聲系數(shù)α定義為：

α=1-(B/A)2

(6)

這是聲波入射能被材料吸收的分?jǐn)?shù)。處理噪聲時(shí)，相對聲級用分貝度量：

(7)

試驗(yàn)中采用的聲阻抗和吸聲測試系統(tǒng)主要由B&K公司生產(chǎn)的阻抗管、聲學(xué)校準(zhǔn)器、傳聲器、功率放大器、四通道聲學(xué)分析儀、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)測試軟件組成。將系統(tǒng)的各部分連接起來，聲襯試樣放置在阻抗管中的可調(diào)試件管中。試驗(yàn)開始前，需對測試軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定(包括測試類型、阻抗管設(shè)定、環(huán)境參數(shù)的設(shè)定等)。參數(shù)設(shè)定完成后，利用通道校準(zhǔn)器對四通道聲學(xué)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完成后，由測試軟件發(fā)射聲波信號，信號傳輸?shù)铰晫W(xué)分析儀的輸入端，聲學(xué)分析儀通過輸出端將信號傳入功率放大器進(jìn)行放大，放大后的信號傳入阻抗管的內(nèi)置揚(yáng)聲器，通過揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲波。通過阻抗管的聲波信號由傳聲器再次被傳輸?shù)铰晫W(xué)分析儀中，聲學(xué)分析儀將分析后的聲波信號反饋回測試軟件。

3.2.2 測試分析結(jié)果

分別對兩種各5個(gè)試驗(yàn)件采用直徑29mm的阻抗管進(jìn)行試驗(yàn)測試。

聲襯A的5個(gè)平板試驗(yàn)件A1、A2、A3、A4和A5在設(shè)計(jì)頻點(diǎn)處(1514Hz)的聲阻抗測試結(jié)果如表3所示，聲阻抗測試曲線如圖6～圖10所示。

表3 聲襯A設(shè)計(jì)頻點(diǎn)處聲阻和聲抗測試結(jié)果

圖6 聲襯A平板A1試驗(yàn)件聲阻抗測試結(jié)果

圖7 聲襯A平板A2試驗(yàn)件聲阻抗測試結(jié)果

圖8 聲襯A平板A3試驗(yàn)件聲阻抗測試結(jié)果

圖9 聲襯A平板A4試驗(yàn)件聲阻抗測試結(jié)果

圖10 聲襯A平板A5試驗(yàn)件聲阻抗測試結(jié)果

聲襯B的5個(gè)平板試驗(yàn)件B1、B2、B3、B4和B5在設(shè)計(jì)頻點(diǎn)處(2454Hz)的聲阻抗測試結(jié)果如表4所示，聲阻抗測試曲線如圖11～圖15所示。

表4 聲襯B設(shè)計(jì)頻點(diǎn)處聲阻和聲抗測試結(jié)果

圖11 聲襯B平板B1試驗(yàn)件聲阻抗測試結(jié)果

圖12 聲襯B平板B2試驗(yàn)件聲阻抗測試結(jié)果

圖13 聲襯B平板B3試驗(yàn)件聲阻抗測試結(jié)果

圖14 聲襯B平板B4試驗(yàn)件聲阻抗測試結(jié)果

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由聲襯的結(jié)構(gòu)測試結(jié)果可知，聲襯幾何參數(shù)的誤差控制非常精準(zhǔn)。聲襯用穿孔板、蜂窩芯和背板膠結(jié)而成，穿孔板和背板材料為玻璃布-樹脂纖維復(fù)合材料，蜂窩芯材為紙蜂窩固化而成，采用蜂窩芯晶格上涂膠的粘接工藝、蜂窩芯采用預(yù)浸料成形后固化、穿孔板先成形后打孔的工藝進(jìn)行加工制造。這一系列先進(jìn)加工工藝有效地控制了膠膜在固化過程中的流動性，遏制了膠膜在穿孔板、背板和蜂窩芯壁面上的爬升和由此產(chǎn)生的堵孔現(xiàn)象，精準(zhǔn)控制保證聲襯蜂窩晶格的完整性和穿孔排列的一致性。

根據(jù)聲阻抗測試分析結(jié)果可知，聲襯A的實(shí)測聲阻抗結(jié)果與目標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)果吻合良好，而對于聲襯B，有個(gè)別試驗(yàn)件的測試結(jié)果與目標(biāo)值有較大差異。在結(jié)構(gòu)尺寸控制良好的

圖15 聲襯B平板B5試驗(yàn)件聲阻抗測試結(jié)果

條件下，聲襯B的測試結(jié)果出現(xiàn)誤差的原因可能在于，聲襯B的穿孔率較小，僅為1.9%，在直徑29mm的聲襯試驗(yàn)件上微孔數(shù)較少，另外同樣由于穿孔率小，不同試驗(yàn)件上的微孔數(shù)目不同，導(dǎo)致試驗(yàn)件測試結(jié)果分散性較大的情況出現(xiàn)。

4 結(jié) 論

本文針對某特定工況設(shè)計(jì)制備了兩種樹脂基復(fù)合材料聲襯試驗(yàn)件，通過對試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和聲阻抗特性進(jìn)行了試驗(yàn)測試研究，研究結(jié)果表明：

(1)本文所述的復(fù)合材料制成的微穿孔板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)聲襯在聲襯結(jié)構(gòu)參數(shù)控制上具有良好的表現(xiàn)，通過特定的固化粘接工藝可以精準(zhǔn)控制聲襯結(jié)構(gòu)參數(shù)，特別是膠膜在聲襯上的爬升控制優(yōu)異，能夠保證蜂窩晶格的完整性和穿孔的一

致性，這對聲襯的加工制造而言是非常難得的。

(2)得益于良好的結(jié)構(gòu)參數(shù)控制，復(fù)合材料制成的聲襯試驗(yàn)件聲阻抗測試結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)吻合度良好。