復(fù)合材料環(huán)狀聲襯降噪特性試驗(yàn)研究

徐 健， 英基勇， 薛東文， 霍施宇， 高 翔

(1.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所航空噪聲與動(dòng)強(qiáng)度航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710065； 2.中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司， 上海 200241)

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

早期的聲襯設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)機(jī)噴流噪聲和風(fēng)扇噪聲的關(guān)注，Rice[4]指出，聲襯設(shè)計(jì)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(jì)的標(biāo)準(zhǔn)方法，學(xué)者們開始在聲襯設(shè)計(jì)中研究模態(tài)波在真實(shí)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(jì)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(jì)研制進(jìn)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(qiáng)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(yàn)研究工作[10-11]，可以為進(jìn)一步開展聲襯設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)強(qiáng)度研究所的發(fā)動(dòng)機(jī)聲模態(tài)模擬試驗(yàn)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(yàn)平臺與測量

1.1 試驗(yàn)平臺

試驗(yàn)在中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所設(shè)計(jì)研制的發(fā)動(dòng)機(jī)聲模態(tài)模擬試驗(yàn)平臺上進(jìn)行，試驗(yàn)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(yàn)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(dòng)機(jī)風(fēng)扇噪聲源進(jìn)行試驗(yàn)載荷加載，其工作原理是通過周向均布的靜止揚(yáng)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(shí)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(dòng)機(jī)聲模態(tài)模擬試驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Spinning acoustic mode synthesizer test rig configuration

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)聲模態(tài)模擬試驗(yàn)平臺技術(shù)指標(biāo)Table 1 Performance parameters of the engine acoustic spinning mode synthesizer test rig

發(fā)動(dòng)機(jī)聲模態(tài)模擬試驗(yàn)平臺如圖2所示，該平臺和測量裝置放置于強(qiáng)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(yàn)測試

本文所述試驗(yàn)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(shí)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(jì)了2排沿流動(dòng)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(jī)帶動(dòng)下繞管道軸線旋轉(zhuǎn)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)聲模態(tài)模擬試驗(yàn)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(yàn)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(gè)均布點(diǎn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)如圖3所示上方的小齒輪、再通過齒輪嚙合帶動(dòng)傳聲器陣列實(shí)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(jī)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，伺服電機(jī)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(jī)旋轉(zhuǎn)角度的精確調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)傳聲器陣列的旋轉(zhuǎn)精確定位，而同時(shí)傳聲器陣列的調(diào)節(jié)精度能夠滿足實(shí)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(jìn)行，測試通過氣流下游以輪轂?zāi)┒它c(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(yàn)件與試驗(yàn)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(jī)理進(jìn)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(dòng)條件下聲阻抗只與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙內(nèi)聲襯處于強(qiáng)噪聲、復(fù)雜聲模態(tài)和有流動(dòng)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(jì)與聲源條件密切相關(guān)。本文選擇的聲襯設(shè)計(jì)點(diǎn)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(jì)點(diǎn)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(jì)點(diǎn)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(yàn)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得針對周向(8,0)模態(tài)、0.3Ma切向流動(dòng)、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(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of annular acoustic liner

圖5 環(huán)狀聲襯試驗(yàn)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(yàn)管道的內(nèi)徑和通徑)。在制造過程中采用先進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yàn)件如圖5所示，為進(jìn)行試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)測試。試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果與分析

3.1 設(shè)計(jì)點(diǎn)工況的降噪驗(yàn)證

首先針對聲襯的設(shè)計(jì)點(diǎn)工況，即試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生符合設(shè)計(jì)點(diǎn)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(yàn)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(yàn)件指向性測試結(jié)果。

圖6 兩種聲襯試驗(yàn)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(shí)，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(qiáng)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(jì)點(diǎn)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(jì)點(diǎn)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(diǎn)，二者比較接近；在96°～120°的測點(diǎn)，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(jì)點(diǎn)頻率分析流速對降噪效果的影響意義不大。為進(jìn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)件的降噪效果有明顯影響；長度較長的聲襯試驗(yàn)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(shí)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(jì)并制備了兩種無縫復(fù)材環(huán)形聲襯，利用發(fā)動(dòng)機(jī)聲模態(tài)模擬試驗(yàn)分別通過管道內(nèi)聲模態(tài)試驗(yàn)和管道指向性試驗(yàn)，驗(yàn)證了環(huán)形聲襯的降噪效果，通過多種對比試驗(yàn)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(jì)點(diǎn)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(qiáng)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。