連續(xù)型和非連續(xù)型蜂窩芯材的共振吸聲結(jié)構(gòu)性能研究

劉 杰 紀(jì)雙英 焦麗娟 楊進(jìn)軍

（1 中國(guó)航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300）

（2 中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

文 摘 以芳綸紙蜂窩、內(nèi)嵌樹脂隔板和微穿孔面板為原料，制備了連續(xù)和非連續(xù)雙自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)，對(duì)兩種共振吸聲結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和吸聲系數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明：連續(xù)蜂窩芯材所制備共振吸聲結(jié)構(gòu)的壓縮和拉伸性能高于非連續(xù)型共振吸聲結(jié)構(gòu)，其中非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度高19%，穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度高32%，穩(wěn)定型壓縮模量高43%，剪切性能基本相當(dāng)；兩層蜂窩芯材容易出現(xiàn)孔格錯(cuò)位（非連續(xù)型共振吸聲結(jié)構(gòu)），引起錯(cuò)位區(qū)域的微孔堵塞，使該結(jié)構(gòu)的共振吸收峰與理論值出現(xiàn)較大差異。

0 引言

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、隔熱等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、軌道交通等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。將一定厚度的蜂窩與微穿孔板及背板結(jié)合可制成共振吸聲結(jié)構(gòu)，針對(duì)共振吸聲結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外研究人員開展了大量研究［3-10］。單自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)在共振頻率附近有很好的吸聲效果，但是在共振頻率以外的頻段吸聲效果不佳，為拓寬噪聲吸收頻段，研究人員提出了組合微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)的概念［11-12］，組合結(jié)構(gòu)又分為耦合結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)兩種。耦合結(jié)構(gòu)是指通過增加共振吸聲結(jié)構(gòu)空腔數(shù)量和穿孔板數(shù)量的方式拓寬吸收頻帶，雙層耦合結(jié)構(gòu)不是簡(jiǎn)單的單層結(jié)構(gòu)組合，與單層結(jié)構(gòu)相比，雙層結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主要共振頻率分別向高頻和低頻移動(dòng)［13］，而三層微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)和吸聲頻帶可在雙層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高［14］，但是三層微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)制備工藝復(fù)雜，工業(yè)化難度較大。并聯(lián)結(jié)構(gòu)僅一層微穿孔板，但板上有多組穿孔，孔徑和孔間距不同，分別與空腔形成共振吸聲結(jié)構(gòu)，研究人員對(duì)該結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了理論研究［15］，發(fā)現(xiàn)并聯(lián)后結(jié)構(gòu)在交點(diǎn)位置的吸聲系數(shù)高于兩組吸聲系數(shù)的數(shù)值平均。單層、雙層和三層微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 共振吸聲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of resonance sound absorption structure

共振吸聲結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域的主要應(yīng)用部位是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙內(nèi)壁、入口或后通道中的聲學(xué)襯墊，以減少發(fā)動(dòng)機(jī)造成的風(fēng)扇寬頻噪音［16-18］。最初的設(shè)計(jì)是采用具有微孔面板的單自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)，顯然，單自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)吸收頻帶窄，難應(yīng)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的寬頻噪聲，逐漸被淘汰?，F(xiàn)在更為常見的設(shè)計(jì)是采用雙自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化以實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的寬頻吸收。雙自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)在制備工藝上又從最初非連續(xù)蜂窩芯材結(jié)構(gòu)逐步發(fā)展為連續(xù)蜂窩芯材結(jié)構(gòu)，如A320 系列飛機(jī)所使用的IAE研制的V2500發(fā)動(dòng)機(jī)，其聲學(xué)襯墊就采用了非連續(xù)蜂窩芯材結(jié)構(gòu)，如圖2所示。針對(duì)非連續(xù)蜂窩芯材和連續(xù)蜂窩芯材所制備的共振吸聲結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能、聲學(xué)性能上的具體差異，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究報(bào)道較少，本文分別采用非連續(xù)蜂窩芯材和連續(xù)蜂窩芯材制備雙自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)，對(duì)該結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和聲學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)合兩種結(jié)構(gòu)的具體制備工藝，分析造成兩種結(jié)構(gòu)性能差異的主要原因。

圖2 V2500發(fā)動(dòng)機(jī)聲學(xué)襯墊解剖后的非連續(xù)蜂窩芯材Fig.2 Discontinuous honeycomb core of V2500 engine acoustic line after dissection

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料與儀器

1.1.1 原材料

主要原材料見表1。

表1 主要原材料Tab.1 Main raw materials

1.1.2 儀器

主要儀器設(shè)備見表2。

表2 主要設(shè)備Tab.2 Main equipment

1.2 試驗(yàn)過程與方法

1.2.1 共振吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)于微穿板吸聲結(jié)構(gòu)來說，其吸聲性能是由穿孔率、孔徑、板厚和空腔深度來決定，因此為獲得理想的吸聲效果，需要對(duì)這結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在前期工作的基礎(chǔ)上，采用遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，得出表3中的設(shè)計(jì)參數(shù)，該設(shè)計(jì)參數(shù)主要針對(duì)的頻率范圍是1.5～4.5 kHz。根據(jù)優(yōu)化參數(shù)結(jié)果，以芳綸紙蜂窩、碳纖維面板、熱破膠膜和微穿孔內(nèi)隔板為原材料，分別制備非連續(xù)型和連續(xù)型兩種雙自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)，雙自由的共振吸聲結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物見圖3。

圖3 雙自由的共振吸聲結(jié)構(gòu)示意圖及其實(shí)物Fig.3 Schematic diagram of double-free resonance sound absorption structure and its physical object

表3 雙自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Parameters of resonance sound-absorbing structure of double degree freedom

1.2.2 性能測(cè)試方法

采用Instron5566電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)蜂窩進(jìn)行非穩(wěn)定型壓縮性能、穩(wěn)定型壓縮性能和L向、W向剪切性能測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)分別按照GB/T 1453—2005和GB/T 1455—2005進(jìn)行；采用阻抗管法，對(duì)所制備共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試頻率范圍0～6.4 kHz。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能結(jié)果討論

兩種雙自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)強(qiáng)度性能對(duì)比見圖4（a），各項(xiàng)模量性能對(duì)比見圖4（b）。從圖4（a）可以看出，采用連續(xù)型蜂窩所制備的共振吸聲結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度、穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度和平面拉伸強(qiáng)度高于非連續(xù)型，其中非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度高19%，穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度高32%，而剪切強(qiáng)度基本相當(dāng)；同樣可從圖4（b）看出，采用連續(xù)型蜂窩所制備的共振吸聲結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定型壓縮模量比非連續(xù)型高42%，而剪切模量基本相當(dāng)。造成兩種結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能出現(xiàn)以上差異的主要原因是芳綸紙蜂窩的連續(xù)性。當(dāng)連續(xù)型的共振吸聲結(jié)構(gòu)在受到壓縮、拉伸和剪切載荷作用時(shí)，由于蜂窩壁連續(xù)，載荷可從上面板完整的傳遞至下面板，在無膠接質(zhì)量的情況下，共振吸聲結(jié)構(gòu)的壓縮、剪切和拉伸性能與蜂窩本身的性能相當(dāng)；當(dāng)非連續(xù)型共振吸聲結(jié)構(gòu)在受到壓縮載荷和拉伸載荷作用時(shí)，由于蜂窩非連續(xù)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部蜂窩的受載情況則會(huì)發(fā)生變化，非連續(xù)型蜂窩芯材截面形貌和壓縮載荷傳遞情況見圖5。從圖5可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到壓縮載荷時(shí)，上面板和下面板受到的載荷均會(huì)通過蜂窩壁傳遞至微穿孔內(nèi)隔板（該材料主要體現(xiàn)功能性，強(qiáng)度較低），使微穿孔內(nèi)隔板受到彎曲載荷而發(fā)生破壞，隨后蜂窩局部失穩(wěn)后發(fā)生破壞，最終造成蜂窩的壓縮性能結(jié)果偏低，同理當(dāng)結(jié)構(gòu)受到拉伸載荷時(shí)，上面板和下面板受到的拉伸載荷均會(huì)通過蜂窩壁傳遞至微穿孔內(nèi)隔板，微穿孔內(nèi)隔板受到彎曲載荷而發(fā)生破壞，造成蜂窩的拉伸強(qiáng)度結(jié)果偏低。而結(jié)構(gòu)受到剪切載荷時(shí)，雖然剪切載荷同樣會(huì)傳遞至微穿孔內(nèi)隔板，但微穿孔內(nèi)隔板的抗剪切性能遠(yuǎn)高于蜂窩（室溫下，內(nèi)隔板的剪切強(qiáng)度≥15 MPa），剪切載荷通過內(nèi)隔板在上下兩層蜂窩之間傳遞時(shí)不會(huì)發(fā)生破壞。當(dāng)剪切載荷達(dá)到一定程度時(shí)，結(jié)構(gòu)則會(huì)在性能相對(duì)較低的蜂窩上發(fā)生破壞，故兩種雙自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度和剪切模量性能結(jié)果基本相當(dāng)。

圖4 連續(xù)型和非連續(xù)型共振吸聲結(jié)構(gòu)性能對(duì)比Fig.4 Performance comparison of resonance sound absorption structure

2.2 吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果討論

兩種雙自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)在0～6.4 kHz范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖6（a）所示。圖中非連續(xù)蜂窩所制作的共振吸聲結(jié)構(gòu)在主要工況頻率范圍內(nèi)（即1.2.1節(jié)中主要優(yōu)化的頻率范圍：1.5～4.5 kHz）的平均吸聲系數(shù)為0.730，連續(xù)蜂窩所制作的共振吸聲結(jié)構(gòu)在主要工況頻率范圍內(nèi)的平均吸聲系數(shù)為0.881。與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，連續(xù)蜂窩型共振吸聲結(jié)構(gòu)的共振吸收峰與理論計(jì)算結(jié)果更接近、平均吸聲系數(shù)更高，非連續(xù)型共振吸聲結(jié)構(gòu)則出現(xiàn)了多個(gè)雜峰，平均吸聲系數(shù)也偏低。結(jié)合兩種雙自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)的制備工藝可知，造成實(shí)際測(cè)試值與理論計(jì)算值出現(xiàn)差異的原因主要是結(jié)構(gòu)的微孔出現(xiàn)了不同程度的堵塞。當(dāng)蜂窩連續(xù)時(shí)，僅共振吸聲結(jié)構(gòu)面板上的孔眼會(huì)發(fā)生堵塞，堵塞位置一般位于蜂窩壁與面板膠接處，由于微穿孔面板與蜂窩膠接過程中，膠黏劑會(huì)在蜂窩壁與面板接觸位置附近聚集，堵塞面板上的孔眼，而蜂窩芯材的中間隔板（含微孔）是通過隔板側(cè)面與蜂窩壁膠接，該工藝通過工藝控制，可避免出現(xiàn)孔眼堵塞的問題。當(dāng)蜂窩非連續(xù)時(shí)，共振吸聲結(jié)構(gòu)面板的孔眼堵塞情況與蜂窩連續(xù)時(shí)基本一致，但中間隔板上的微穿孔會(huì)因?yàn)閮蓪臃涓C孔格錯(cuò)位、蜂窩與中間隔板表面的膠接等問題，導(dǎo)致中間隔板上的微孔堵塞嚴(yán)重，且孔眼堵塞具有隨機(jī)性。根據(jù)X射線檢測(cè)結(jié)果（圖7），采用目視計(jì)數(shù)的方法計(jì)算可知（蜂窩壁交叉位置的孔眼堵塞）：文中共振吸聲結(jié)構(gòu)面板的孔眼堵塞率在10%～20%，通過二次加工處理，可將面板的孔眼堵塞率降低至5%以下，而非連續(xù)型共振吸聲結(jié)構(gòu)因孔格錯(cuò)位和膠接的需要，其中間隔板的孔眼堵塞率達(dá)到50%左右，且這部分堵塞在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，無法進(jìn)行二次加工，且該堵塞無固定規(guī)律，可能造成非連續(xù)型共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸收峰隨機(jī)出現(xiàn)。為驗(yàn)證無規(guī)律堵塞是否會(huì)使結(jié)構(gòu)的吸收峰隨機(jī)出現(xiàn)，采用同樣的工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)重新制備了1塊非連續(xù)型共振吸聲結(jié)構(gòu)，其參數(shù)結(jié)果見圖6（b），由圖可知，結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)發(fā)生了較大變化，這種隨機(jī)性是不能接受的。

圖6 吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of sound absorption coefficient

圖7 共振吸聲結(jié)構(gòu)微穿孔面板孔眼堵塞情況Fig.7 Blockage of the resonance sound absorption structure

3 結(jié)論

（1）基于連續(xù)蜂窩的雙自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)的壓縮性能和拉伸性能高于非連續(xù)型吸聲結(jié)構(gòu)，其中非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度高19%，穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度高32%，穩(wěn)定型壓縮模量高43%，剪切性能基本相當(dāng)。

（2）連續(xù)型共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)與理論計(jì)算結(jié)果一致性較高，而非連續(xù)型吸聲結(jié)構(gòu)因內(nèi)隔板層上的微孔存在隨機(jī)堵塞，造成該結(jié)構(gòu)的實(shí)際吸聲系數(shù)與理論結(jié)果存在較大差異，且這種差異存在設(shè)計(jì)不能接受的不確定性。