低速空腔聲襯降噪的試驗(yàn)研究

阮佳明 郭 昊 劉 媛 劉沛清

(北京航空航天大學(xué)陸士嘉實(shí)驗(yàn)室(航空氣動(dòng)聲學(xué)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室) , 北京 100191)

0 引言

空腔噪聲是飛機(jī)氣動(dòng)噪聲的主要來(lái)源之一。民機(jī)起落架、前緣縫翼以及機(jī)身其它部件都存在腔體結(jié)構(gòu)所引起的氣動(dòng)噪聲，軍用飛機(jī)投彈倉(cāng)的空腔結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)榭涨坏淖约ふ袷幃a(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題。

早在20世紀(jì)50年代，就已經(jīng)出現(xiàn)了對(duì)空腔噪聲的研究。目前研究自激振蕩噪聲應(yīng)用最為廣泛的是Rossiter公式，它是ROSSITER于1964年提出的用于預(yù)測(cè)振蕩頻率的半經(jīng)驗(yàn)公式。國(guó)內(nèi)對(duì)空腔噪聲機(jī)理和降噪技術(shù)開(kāi)展了研究。李曉東等人用高階低耗散的格式求解二維URANS方程和k-e湍流模型，分析了亞聲速下的空腔流動(dòng)機(jī)理。楊黨國(guó)等應(yīng)用CFD技術(shù)和氣動(dòng)聲學(xué)時(shí)域理論(FW-H積分方程)，探討了空腔自激振蕩發(fā)聲機(jī)理。

聲襯作為一種有效的降噪措施，其原理為微穿孔板吸聲體，即多個(gè)亥姆霍茲共鳴器并聯(lián)，通過(guò)激發(fā)背腔共振吸收聲能。早在1947年，BOLT就開(kāi)展了穿孔板的噪聲控制研究，INGARD建立了穿孔板的基本理論，我國(guó)著名聲學(xué)專(zhuān)家馬大猷教授則基于等效電路模型最早提出了微穿孔板理論模型，并解釋其吸聲原理為“聲場(chǎng)激發(fā)共鳴器然后消耗聲場(chǎng)能量的吸聲體”。錢(qián)玉潔則在研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)微穿孔板吸聲體吸聲系數(shù)以及吸聲頻帶的影響基礎(chǔ)上，給出了聲襯降噪設(shè)計(jì)方案。聲襯降噪技術(shù)在空腔氣動(dòng)噪聲領(lǐng)域也有所應(yīng)用，ROBERTS等人以飛機(jī)武器艙為研究背景，在高速下探究淺腔前后壁面加裝聲襯對(duì)空腔噪聲的影響。然而，目前聲襯降噪技術(shù)主要集中在高速大長(zhǎng)深比的空腔中，對(duì)于低速深腔的應(yīng)用較少。

本文針對(duì)低速空腔氣動(dòng)噪聲問(wèn)題，通過(guò)微穿孔板吸聲體原理對(duì)聲襯進(jìn)行多參數(shù)混合設(shè)計(jì)，并將其加裝到空腔中，對(duì)比加裝聲襯前后空腔噪聲的頻譜特性，評(píng)估聲襯在空腔噪聲問(wèn)題中的降噪效果，分析加裝聲襯對(duì)空腔噪聲的自激振蕩及聲共振產(chǎn)生的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1 D7氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞

本實(shí)驗(yàn)在北航D7風(fēng)洞進(jìn)行，該風(fēng)洞是北航4 m×3 m低湍流度氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞(BHAW)的1∶15縮比模型風(fēng)洞，同樣為一座低湍流度低噪聲的低速回流風(fēng)洞。動(dòng)力段采用了低噪聲風(fēng)扇設(shè)計(jì)、微穿孔板消聲器，洞壁裝有聲襯降噪技術(shù)。試驗(yàn)段為開(kāi)口，長(zhǎng)500 mm，其截面尺寸為200 mm×200 mm，射流核心區(qū)湍流度小于0.1%，測(cè)試風(fēng)速范圍為0.1 m/s～50 m/s。試驗(yàn)段外為一座小型的消聲室，如圖1所示，消聲室的長(zhǎng)、寬、高分別為1.4 m、1.6 m和1.884 m。在設(shè)計(jì)風(fēng)速 50 m/s下，場(chǎng)外噪聲為72 dBA。

圖1 D7氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞

1.2 熱線(xiàn)測(cè)量

使用Dantec公司生產(chǎn)的55P14熱線(xiàn)探頭進(jìn)行熱線(xiàn)實(shí)驗(yàn)。采樣頻率為25 600 Hz，每次采樣時(shí)長(zhǎng)為50 s。

1.3 噪聲測(cè)量

本次實(shí)驗(yàn)使用了4 G.R.A.S.型40LS 1/4″ CCP壁面?zhèn)髀暺骱?個(gè)B&K公司的4190型電容遠(yuǎn)場(chǎng)傳聲器，搭配B&K公司的Labshop系統(tǒng)進(jìn)行噪聲的采集和測(cè)量工作。5個(gè)通道同時(shí)測(cè)量。采樣時(shí)長(zhǎng)均為50 s，采樣頻率為25 600 Hz。

2 聲襯設(shè)計(jì)

穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)是由布有穿孔的板材與板后空腔組成的空腔共振構(gòu)件。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)可理解為許多亥姆霍茲共鳴器的并聯(lián)。

圖2 聲襯結(jié)構(gòu)示意圖

穿孔板的聲阻與其孔徑的平方成反比?？讖綇暮撩准?jí)縮小到絲米級(jí)的穿孔板被稱(chēng)為微穿孔板。馬氏理論模型將微穿孔板看作是大量微管的并聯(lián)，微穿孔板的聲阻抗公式：

深度為D的板后空腔微穿孔板的聲阻抗公式：

=-·cot()

(2)

微穿孔板吸聲體的聲阻抗率可表示為：

=-

(3)

用對(duì)式進(jìn)行歸一化得到相對(duì)聲阻抗率的表達(dá)式：

(4)

為相對(duì)聲阻率及為相對(duì)聲質(zhì)量：

(5)

(6)

根據(jù)聲波垂直入射條件下，微穿孔板吸聲體的垂直入射吸聲系數(shù)為：

(7)

當(dāng)微穿孔板吸聲體的聲阻抗率的實(shí)部和虛部分離時(shí)，吸聲系數(shù)可表示為：

(8)

微穿孔板吸聲體的吸聲系數(shù)在共振時(shí)達(dá)到最大值，為：

(9)

吸聲系數(shù)達(dá)到最大時(shí)的頻率即共振頻率滿(mǎn)足：

2-cot(2)=0

(10)

聲學(xué)特性參數(shù)包括下限頻率和上限頻率。以及對(duì)應(yīng)頻率的吸聲系數(shù)需滿(mǎn)足的最小值限制和，最大吸聲系數(shù)需滿(mǎn)足的最小值限制。

圖3為文獻(xiàn)[13]中給出的聲襯參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算原理流程圖。在圖中，不同板材，B取值不同。普通非金屬微穿孔板：B=10，金屬板或熱傳導(dǎo)系數(shù)很大的微穿孔板：B=22.3。

圖3 聲襯參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算原理流程圖

如圖4按照空腔噪聲頻譜特性進(jìn)行聲襯設(shè)計(jì)，通過(guò)MATLAB程序得到非金屬材料所需具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖4 空腔頻譜特性與所設(shè)計(jì)聲襯吸聲系數(shù)

表1 非金屬材料聲襯具體結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 來(lái)流邊界層

對(duì)空腔來(lái)流邊界層進(jìn)行測(cè)量速度型結(jié)果如圖5所示，可以看出所測(cè)得的速度型與布拉休斯解吻合得很好，為層流。

圖5 空腔前緣來(lái)流邊界層速度型

邊界層RMS如圖6所示，RMS值偏大的原因是邊界層中感受到了空腔自激振蕩的頻率脈動(dòng)，從邊界層頻譜云(圖7)中也可以看出。

圖6 空腔前緣來(lái)流邊界層RMS

圖7 空腔前緣來(lái)流邊界層頻譜云圖

3.2 聲襯布置于空腔底部

空腔模型如圖8所示，流向長(zhǎng)度為80 mm，深度為50 mm，寬度為60 mm，聲襯布置在空腔底部。

圖8 空腔底部加裝聲襯示意圖

圖9為風(fēng)速20 m/s～35 m/s時(shí)空腔原始構(gòu)型頻譜圖與加裝聲襯頻譜圖的對(duì)比，從圖中可以看出，空腔底部加裝聲襯后，會(huì)對(duì)聲襯吸聲頻帶內(nèi)的離散噪聲及寬頻噪聲有一定的抑制作用，但由于空腔噪聲“模態(tài)切換”的現(xiàn)象存在，當(dāng)抑制一個(gè)模態(tài)的離散噪聲后會(huì)導(dǎo)致其他模態(tài)噪聲發(fā)生時(shí)間的增加。

(a) U∞=20 m/s

(b) U∞=25 m/s

(c) U∞=30 m/s

(d) U∞=35 m/s圖9 U∞=20 m/s～35 m/s空腔原始構(gòu)型與加裝聲襯頻譜對(duì)比

3.3 聲襯布置于空腔后緣

空腔模型如圖10所示，流向長(zhǎng)度為55 mm,深度為80 mm，寬度為60 mm，聲襯布置在空腔后緣。

圖10 空腔后緣加裝聲襯示意圖

如圖11所示為風(fēng)速20 m/s～35m/s時(shí)空腔原始構(gòu)型頻譜圖與加裝聲襯頻譜圖的對(duì)比，從圖中可以看出，空腔后緣加裝聲襯后同樣會(huì)抑制聲襯吸聲頻帶內(nèi)的峰值，同時(shí)激發(fā)不在吸聲頻帶內(nèi)的離散噪聲。在空腔后緣加裝聲襯還會(huì)導(dǎo)致額外的聲共振模態(tài)，導(dǎo)致部分噪聲的增加。

(a) U∞=20 m/s

(b) U∞=25 m/s

(c) U∞=30 m/s

(d) U∞=35 m/s圖11 U∞=20 m/s～35 m/s空腔原始構(gòu)型與加裝聲襯頻譜對(duì)比

4 結(jié)論

聲襯作為一種吸聲材料在空腔噪聲的抑制方面有一定的效果。

1)在空腔中加裝聲襯可以明顯抑制在其吸聲系數(shù)較高頻帶內(nèi)的離散噪聲，但會(huì)激發(fā)吸聲系數(shù)不高的頻帶的離散噪聲，這主要是由于空腔自激振蕩噪聲的模態(tài)切換現(xiàn)象引起的。

2)由于聲襯本身為腔體結(jié)構(gòu)，在空腔中加裝聲襯會(huì)改變空腔的聲共振模態(tài)，聲襯加裝的位置不同，對(duì)聲共振模態(tài)的改變也不同。