基于傳聲器陣列的低速空腔噪聲控制試驗研究

馬瑞軒， 李征初， 宋玉寶， 王勛年

(1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 氣動噪聲控制重點實驗室， 四川 綿陽 621000；2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學國家重點實驗室， 四川 綿陽 621000)

空腔結(jié)構(gòu)廣泛存在于航空航天工程中，如飛行器的內(nèi)埋式彈艙、起落架艙和部件之間的縫隙。當氣流流經(jīng)空腔時，會產(chǎn)生劇烈的壓力脈動和噪聲并伴隨著強烈的振蕩現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)承受額外的非定常載荷，造成飛行器結(jié)構(gòu)的振動和疲勞，損壞艙內(nèi)電子元件，影響飛行器的安全。再者由于飛行器飛行過程中有時候需要向外投射有效內(nèi)埋載荷，而腔口的剪切層不穩(wěn)定，處于周期性脈動的狀態(tài)，所以內(nèi)埋有效載荷向外投射穿越剪切層時，會受到方向時刻變化的法向力矩對其運動軌跡造成“顛覆性”的變化，使內(nèi)埋有效載荷在機身分離后有可能又飛向機身，造成災難性的后果。因此從20世紀50年代以來，在航空航天領(lǐng)域，空腔流動一直就是一個重要的研究課題[1-3]。

近年來，典型空腔流動的非定常特性問題得到人們越來越多的關(guān)注[4-7]，國內(nèi)外學者開展了大量的空腔振蕩的流動機理與控制研究?？涨煌庑慰此坪唵?，但其中包含的流動現(xiàn)象卻極其豐富同時又非常復雜。剪切層之間的相互作用以及剪切層與空腔壁面的相互作用會引起一系列復雜的流動現(xiàn)象，包括剪切層不穩(wěn)定性、邊界層分離、旋渦運動、聲輻射、激波/膨脹波和激波邊界層相互干擾等[8-9]。隨著人們對空腔流動特性和流場結(jié)構(gòu)認識不斷深入，空腔噪聲特性與降噪方法逐漸成為了一個爭相研究的熱點。Schemit等[10]采用改變空腔流動形態(tài)的方法系統(tǒng)的開展了抑制空腔流動噪聲的研究。Zhuang等[11]采用零質(zhì)量微射流方法降低空腔噪聲，并且通過試驗驗證噪聲得到了有效抑制。楊黨國等[12-15]通過數(shù)值模擬和風洞試驗對空腔流動噪聲做了系統(tǒng)的研究，建立了空腔風洞試驗標模，發(fā)展了一系列可用于實際型號的抑制空腔噪聲的方法。余培汛等[16]通過改變來流剪切層形態(tài)有效的抑制了空腔中的氣動噪聲。其中最具工程意義的方法就是通過在空腔前后緣加裝鋸齒版和阻擋板等擾流裝置的方式，改變剪切層的形態(tài)，從而降低空腔噪聲。Schmit等[17-19]發(fā)現(xiàn)在前緣安裝鋸齒版和阻擋板可以抬高剪切層的位置，減弱剪切層與空腔后壁面的撞擊，從而達到降噪的目的。Thangamani等[20]通過在空腔前后緣安裝阻擋板、鋸齒版和方齒板等措施開展了亞聲速空腔降噪研究，試驗結(jié)果表明：鋸齒板降噪效果最好。Thangamani等[21-23]發(fā)現(xiàn)在空腔前緣安裝鋸齒板可以有效地改變空腔上方剪切層的高度并破壞空腔自持振蕩的循環(huán)機制。Panickar等[24-25]通過在空腔前緣安裝圓柱，有效的降低了空腔噪聲。Dudley等[26-28]指出前緣圓柱可以有效抬高剪切層的位置并增加其厚度和穩(wěn)定性，有效減弱與后壁相撞的作用力。

目前絕大多數(shù)空腔降噪都是通過測量空腔壁面脈動壓力或者遠場噪聲驗證降噪措施的有效性，而缺乏對空腔氣動噪聲源的直接測量。置于空腔內(nèi)壁面的壓力傳感器測量的只是空腔壁面的壓力脈動，并不等同于空腔流動近場的噪聲。事實上，空腔近場流動極其復雜，其脈動成分除了聲波還有渦波(超聲速時還有熵波)等非聲成分。只有到了遠場，其脈動成分就只有聲波。因此放置于遠場的陣列接受到的就只有聲信號。我們可根據(jù)遠場測量結(jié)果，反推近場聲源的空間分布和強度大小。而且相比于壓力傳感器，陣列測量不會對近場流動造成任何影響。在降噪研究中，我們可以通過陣列進行噪聲源定位，使得降噪工作更加有針對性。其次通過陣列又可以對降噪效果進行直接評估，進一步優(yōu)化降噪措施。

本文以大型飛機的起落架輪轂腔、高速列車的車輪艙以及汽車天窗等低速空腔噪聲控制為應用背景，基于相位傳聲器陣列，在聲學風洞中直接測量空腔噪聲源分布特性，進一步給出了一種評估氣動聲源強度的方法。并且通過在空腔前后緣加裝鋸齒板和阻擋板的方法改變空腔前后緣的流動方式，探索空腔噪聲的抑制策略。

1 試驗裝置及數(shù)據(jù)處理

1.1 試驗設備

試驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心(CARDC)的FL-17y航空聲學風洞(如圖1所示)開口試驗段(如圖2所示)中進行，試驗段噴口尺寸為0.55 m×0.4 m。FL-17y聲學風洞是一座連續(xù)式單回流低速風洞，具有開口、閉口兩個試驗段，其中開口試驗段長1.5 m。如圖2所示開口試驗段外配置一個長3.7 m，寬5.5 m，高4 m的全消聲室，消聲室截止頻率為100 Hz，主要用于聲學測量。進行聲學試驗時，最大風速可達到100 m/s；模型區(qū)軸向靜壓梯度低于0.005；背景噪聲小于 75.6 dB(A) (開口試驗段來流風速80 m/s，氣流軸線中心外2 m處測量)。

圖1 風洞整體結(jié)構(gòu)

圖2 開口試驗段及消聲室

1.2 試驗模型

如圖3所示，試驗模型采用嵌入式安裝方法。將162.2 mm(長)×72.6 mm(寬)×25.3 mm(深)的三維空腔模型嵌入到平板之中，保證空腔開口表面與平板上表面齊平?？涨晃挥谄桨逯醒?，空腔前內(nèi)壁距離平板前緣104.4 mm，空腔后內(nèi)壁距離平板尾緣233.4 mm，空腔左右內(nèi)壁距離平板邊緣163.7 mm。為了真實模擬空腔來流條件，在平板前緣距離空腔前緣40 mm的位置加裝10 mm寬的轉(zhuǎn)戾帶。平板通過上下兩塊端板固連于風洞噴口。

圖3 試驗模型在風洞中的安裝

1.3 測量設備與數(shù)據(jù)處理

試驗中采用40通道的多臂螺旋型的相位傳聲器陣列進行噪聲源分布的測量，陣列直徑為720 mm，陣列上所有傳聲器都被風罩遮擋以減少消聲室內(nèi)空氣壓力脈動的影響。沿風洞流向安裝陣列，陣列所在的平面與平板平行，距離為750 mm，具體見圖3。陣列的掃描平面為平板所在的平面。采用G.R.A.S公司生產(chǎn)的46AE型傳聲器作為聲壓感應元件，其主要技術(shù)指標如表1所示。采用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡，采樣頻率為48 kHz，有效采樣點個數(shù)為409 600。數(shù)據(jù)處理時采樣點分成100個數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊的采樣點個數(shù)為4 096，這樣得到的頻譜曲線的頻率間隔約為12 Hz。聲源成像采用基于CLEAN-SC的波束成形技術(shù)[29-31]。從所得到的聲源分布結(jié)果可以識別某一頻率下主要聲源的位置。根據(jù)聲源的發(fā)聲位置，就可采用相應的控制措施降低空腔噪聲。為了更好的評價不同措施降噪效果，我們對聲源掃描面上的噪聲定位結(jié)果在空腔面內(nèi)進行能量積分，即可得到某一特定頻率f下聲源強度的度量，即

(1)

表1 G.R.A.S 46AE型傳聲器的主要技術(shù)指標

式中：Es表征空腔噪聲源強度，單位為dB；Ω表示掃描平面上空腔水平面區(qū)域：162.2 mm(長)×72.6 mm(寬)，|Ω|表示聲源區(qū)域的面積；PSD是波束成形算法得到的掃描平面固定點上的能量譜密度，pref是參考聲壓，一般取2×10-5Pa。然后在整個頻段上做三分之一倍頻程分析，并且進行A計權(quán)修正。

2 試驗結(jié)果及分析

本文主要通過改變空腔前后緣流動方式的方法降低空腔噪聲，具體采用在空腔前后緣安裝鋸齒板和阻擋板的方式。鋸齒板幾何參數(shù)如圖4所示，研究中共選取三種不同外形的鋸齒板，其中鋸齒板長度L=72 mm和高度H=6 mm保持不變，鋸齒之間夾角分別取α=30°，53°，90°。鋸齒板在空腔前后緣有兩種安裝方式，分為沿來流方向安裝和垂直流向安裝。阻擋板外形如圖5所示，長度L=72 mm，高度H有五種不同的規(guī)格分別為3 mm, 5 mm, 7 mm, 9 mm, 11 mm，垂直來流方向安裝于空腔前后緣。在后緣安裝時，距離后緣的距離D分別為：0 mm，1 mm，3 mm，5 mm，7 mm；在前緣安裝時與前緣齊平。試驗時，鋸齒板和阻擋板在空腔前后緣的具體安裝方式如圖6所示。

圖4 鋸齒板示意圖

圖5 阻擋板示意圖

(a) 沿流向安裝在前緣(實物圖)

2.1 相位傳聲器陣列聲源分布測量結(jié)果驗證

通過以下方法考察試驗中所用相位傳聲器陣列及數(shù)據(jù)處理方法對噪聲源分布測量的有效性。將一單頻“點聲源”(發(fā)聲單元的直徑約為6 mm)分別放在空腔的前后緣，在沒有風洞來流的情況下進行了聲源分布測量。圖7為聲源發(fā)聲頻率為5 kHz時的相位傳聲器陣列測量結(jié)果，顯示的動態(tài)范圍為10 dB。結(jié)果顯示：試驗中所用的相位傳聲器陣列及數(shù)據(jù)處理方法準確的給出了噪聲源在空腔中的具體分布，且沒有出現(xiàn)其他次級虛假聲源，證明了CLEAN-SC算法對主瓣優(yōu)秀的分辨水平和出色的抑制旁瓣的能力。下面我們給出試驗中具有典型意義的結(jié)果。為了方便比較各種降噪措施的優(yōu)劣，以不加裝任何降噪措施時的聲源強度結(jié)果作為基準，然后給出采取降噪措施與基準狀態(tài)時聲源強度的差值。

(a) 空腔前緣

2.2 空腔前后緣安裝鋸齒板降噪效果

試驗時來流速度為40 m/s。首先將鋸齒板安裝在空腔前緣。圖8給出了鋸齒板分別與風洞來流垂直和平行安裝時的噪聲控制結(jié)果?？梢钥吹戒忼X板沿流向安裝時比垂直流向安裝時的噪聲控制效果更明顯，而且鋸齒角度α越小，即鋸齒越密，噪聲抑制效果越明顯。α=30°時，在2.5 kHz頻率處噪聲可降低3.7 dB，在1～4 kHz中頻寬帶上噪聲平均降低2.1 dB。沿流向安裝時，α=30°時鋸齒板沒有達到降噪的效果，其他兩種夾角的鋸齒板對噪聲的抑制也不明顯。

(a) 鋸齒板沿流向安裝在前緣

圖9為鋸齒板安裝在空腔后緣時的噪聲控制結(jié)果。可以看到，鋸齒板安裝后緣，無論是沿流向安裝還是垂直流向安裝，相對于無任何抑制措施的空腔流動，噪聲都有不同程度的增加，因此這種鋸齒板的安裝方式不適用空腔噪聲的抑制。

(a) 鋸齒板沿流向安裝在后緣

圖10為在空腔前緣沿流向安裝α=30°的鋸齒板時，頻率2.5 kHz時的空腔噪聲源分布。該頻率下噪聲主要來自于剪切層中的不穩(wěn)定渦撞擊空腔后緣所產(chǎn)生的固壁干擾噪聲，可看到鋸齒板對噪聲的抑制效果極其明顯。

(a) 未安裝鋸齒板

綜上可見，在空腔前緣沿來流方向安裝鋸齒版時，可以有效抑空腔剪切層形成大渦結(jié)構(gòu)，減弱剪切層與空腔后壁面的相互作用，進而降低噪聲，而且鋸齒越密，對渦結(jié)構(gòu)的破碎作用越明顯。安裝在后緣時，會增加剪切層與后壁面的碰撞面積，從而增加噪聲。

2.3 阻擋板減噪效果

考慮到試驗中安裝在前緣的阻擋板會產(chǎn)生明顯的自噪聲，強度高于空腔本身噪聲，下面我們主要給出安裝在后緣時的結(jié)果。阻擋板安裝在后緣，其目的是為了降低來流撞擊到空腔后緣上的速度，從而達到抑制后緣的渦固干擾噪聲。

首先考慮阻擋板緊貼后緣安裝，即與后緣的流向距離D=0，改變阻擋板的高度H；然后選取固定高度為9 mm的擋板，沿流向分別布置在距離空腔后緣5個不同的位置。圖11為測得的噪聲控制結(jié)果?？梢钥闯觯诰o貼后緣安裝時，幾乎所有高度的阻擋板都不會降低空腔噪聲，反而有明顯增加。隨著阻擋板的位置離后緣距離的增加，噪聲抑制效果越明顯，在1.25～4 kHz范圍內(nèi)降噪效果較好。其他頻率區(qū)域噪聲有所增加。在低頻段增加的噪聲主要是由阻擋板自身繞流產(chǎn)生[32]?？諝饬鬟^阻擋板時發(fā)生流動分離，在其后方形成卡門渦街，因此所增加的噪聲主要集中在1 kHz以下的低頻段。在高頻段，增加的噪聲與空腔內(nèi)部形成從尾緣所拋出的大渦結(jié)構(gòu)撞擊阻擋板有關(guān)，主要表現(xiàn)為湍流寬頻噪聲。

(a) 不同高度H的阻擋板緊貼后緣安裝

3 結(jié) 論

采用基于相位傳聲器陣列的氣動噪聲源測量方法開展了低速空腔降噪研究。深入分析了鋸齒版和阻擋板的幾何參數(shù)對降噪效果的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 基于相位傳聲器陣列的氣動噪聲源測量方法可以很好地評估空腔噪聲源的強度，用于指導實際降噪研究。

(2) 低速空腔流動噪聲主要來自于剪切層與空腔后壁的相互作用。

(3) 鋸齒板安裝在前緣對空腔噪聲抑制效果明顯，沿流向安裝比垂直流向安裝噪聲控制效果好。且沿流向安裝時，鋸齒越密集，噪聲抑制效果越好。鋸齒板安裝在后緣導致空腔噪聲明顯增加。

(4) 阻擋板緊貼后緣安裝時，所有高度的阻擋板都會使空腔噪聲有明顯的增加。阻擋板安裝在后緣，與后緣有一定的距離時，在1.25～4 kHz范圍內(nèi)有較好的降噪效果，其他頻率段噪聲增加，且不同頻段的降噪量與自噪聲的增加量均隨與后緣距離的增加而增加。