飞机短舱声衬声学性能实验技术

飞机短舱声衬作为飞机降噪的关键手段，其设计的成功与否强烈依赖于声学性能验证实验技术的发展。短舱声衬的声学设计一般分为两个层面，各自关注不同的研究目的与验证对象。在初步设计层面，一般借助声衬声阻抗提取技术对阻抗设计进行验证；在详细设计层面，一般使用缩比尺度和全尺寸短舱样件、借助声模态测控技术对整体声学效果进行验证。本文对比了基于双传声器法和直接提取方法发展而来的声衬阻抗提取技术，和基于相位控制阵列方法发展而来的声模态测控技术，以及这两种技术在发动机进排气道声衬设计中的应用。研究结果表明，双传声器法在低频下具有更高的精度，高频范围内双传声器法和直接提取方法的精度均降低，中频范围内双传声器法和直接提取方法的无量纲声阻和无量纲声抗差别小于0.2,均展示了较好的适用性。基于相位精细控制的旋转声模态发生技术研制的发生器能够产生超过10 dB以上的模态分辨率，能够用于测试声衬对多个目标模态的调控效果。为了进一步研究无缝声衬降噪量提升的主要机制，实验中使用模态发生器依次发出单独纯净的声模态，对两型声衬实验件开展对比测试。采用新一代技术研制的无缝声衬相比上一代成型工艺制成的带拼缝声衬在多声模态调控和关键...     

基于传递单元方法的局域反应声衬设计与试验

航空声衬的优化设计是指在发动机管道结构内铺设具有最优阻抗的声衬,以达到最大降噪效果,此过程一般需要对目标进行全尺寸的模拟计算。应用传递单元方法对单级低速轴流压气机试验台进行局域反应声衬的优化设计,并进行声衬消声效果的试验验证。试验结果显示,在设计频率下局域反应声衬对目标模态有良好的降噪效果,传声损失达到44.01 dB,而且具有一定的宽频降噪特性。利用传递单元方法计算的传声损失与实际测试结果趋势一致,声衬的实际降噪效果满足设计需求。研究表明,传递单元方法作为一种快速声学计算方法,适用于管道声传播的全尺寸理论评估,能够有效降低航空声衬的设计周期和成本,适合于工程应用。     

新型通气声衬在对旋轴流通风机降噪中的实验研究

介绍了一种以沿声干涉原理为理论基础设计的新型通气声衬,具有良好的吸声效果。突出的特点是新型通气声衬的声学性能参数可调,以一台自行设计的高效高噪声对旋轴流通风机作为噪声源,对新型通气声衬的消声性能做了实验研究。结果表明,降噪效果较好,但主流道中的切向流与通气声衬中的通气量对通气声衬的性能有较大影响。     

均匀轴流条件下应用模态匹配法设计声衬和实验验证

应用模态匹配法针对低速风扇实验台进行了前传声(圆管)和后传声(圆环管)消声声衬的优化设计,在低速风扇实验台进行消声声衬的消声效果实验验证.实验结果表明:在5000r/min转速下,设计的两套声衬对于2阶叶片通过频率(1833.33Hz)+4模态有很好的吸声效果;第一套声衬前传声插入损失为30.4dB,后传声插入损失为20.25dB;第二套声衬前传声插入损失为21.85dB,后传声插入损失为18.85dB.使用模态匹配法可以较好地进行消声声衬的设计,减小了航空发动机消声短舱实验验证的成本.      

声衬流动声性能测量的流管实验装置设计及调试

管道风扇声衬优化设计的重要环节是实验验证所设计的声衬结构在设计的流动工况下能否具有所要求的声学性能,本文回顾了验证实验装置流管设备的发展历史,介绍了北京航空航天大学所建立的流管装置的结构和工作原理,以及初步的调试,实验说明工作段流场均匀,无流动的声场满足波导管理论,初步调试表明该装置基本满足设计要求,调试是初步的,有、无流动条件的管口的声阻抗测量及其它有关流管的实验研究还有待进一步进行。      

基于切向流效应的宽频带穿孔板声衬的研究

对于大孔径穿孔板,减小声质量是实现宽带吸声的关键,而切向流效应可以提高穿孔板声阻、减小声质量,从而实现大孔径穿孔板宽频带吸声.基于上述结论,提出了切向流条件下穿孔板声衬参数的设计原则,并设计了穿孔板消声器实验,实验结果表明:对于大孔径穿孔板,低声质量的通流声衬吸声频带明显宽于无流条件的声衬.这种声衬在航空发动机消声短舱、汽车发动机进排气管道、各种通风管道等存在较大气流环境的消声具有实际意义.      

一种新的有限长等截面航空发动机短舱声学模型及数值结果

基于航空发动机短舱声学设计的需要,发展一种与以往工作不同的有限长管道声学模型声场的计算方法——直接边界元和传递单元法相结合。本方法对管道内部几何条件和声衬的敷设情况有更少的限制,可以很好地用于分段声衬的优化设计,并且提供求解有限长变截面管道声学模型的基础。     

大涵道比风扇/增压级单自由度声衬优化设计及应用

为了发展大涵道比发动机噪声传播途径控制的降噪技术,基于数值仿真与优化算法,以某型大涵道比风扇/增压级试验 件为应用对象,开展进口单自由度声衬设计。在声衬设计过程中,采用非线性谐波法对省略内涵增压级的简化结构进行模拟,并 在光壁及声阻为0~5、声抗为-5~5条件下,以此作为声源开展基于有限元方法的声传播模拟。在固定声衬穿孔板厚度及穿孔直径 的情况下,采用Guess声阻抗模型,将声阻抗-降噪量关系映射到声衬几何参数-降噪量关系,获得声衬几何参数-降噪量图谱,筛 选出最佳声衬几何（参数）,同时采用模拟退火优化算法获得最大降噪效果的声衬几何参数,并与遍历算法结果进行对比,开展不同状 态条件下的降噪效果评估。结果表明：该声衬在风扇0.8转速状态及起飞状态下对1BPF的风扇噪声具有良好的降噪效果。     

风扇后传声降噪声衬设计方法及实验验证

针对航空发动机风扇后传声降噪问题,开展了外涵道降噪声衬设计方法研究。将声衬设计过程分为两步,通过采用基于半经验声阻抗模型的声衬设计方法针对给定的声源频率进行初步设计,获得较优的声阻抗及相应的声衬几何参数。之后在初步设计结果的基础上,利用基于高精度计算气动声学的声传播计算软件对声阻抗进行优化,并得到最终的优化方案。为验证提出的设计方法,在全消声室内的风扇后传声降噪声衬测试台分别对初步设计声衬和优化声衬进行了实验验证。实验中采用扬声器模拟风扇声源,给定声源模态为(1,0),频率为3150Hz,内涵出口马赫数为0.8,外涵出口马赫数为0.6。结果表明:在给定的声源模态和频率下,初步设计的声衬可以取得10dB的降噪效果。优化设计的声衬相较于初步设计声衬,远场噪声可以再降低3~4dB。      

排气道钛合金环形声衬声学特性试验

根据钛合金蜂窝声衬潜在的应用环境,提出了考虑温度梯度影响的环形声衬消声效果的试验方法并研制了模拟发动机风扇排气道声学试验台,开展了钛合金环形声衬的声学特性试验研究。针对2 500 Hz、2阶周向模态的入射噪声和马赫数为02的切向来流工况,设计并制备了钛合金环形声衬,分别通过管道内声模态测试和远场指向性测试研究钛合金环形声衬的声学特性。试验结果表明:设计的钛合金声衬在目标工况下管道内降噪量为319 dB,远场1 m半径、30°~120°范围内的降噪量都超过20 dB;增加切向流速会扩展降噪频谱带宽,使降噪频谱峰值由低频向高频移动;增加背板温度对降噪频谱带宽几乎没有影响,但会使得降噪频谱峰值由低频向高频移动。     

Investigation of straightforward impedance eduction method on single-degree-of-freedom acoustic liners

In order to address the current aircraft noise problem, the knowledge of impedance of acoustic liners subjected to high-intensity sound and grazing flow is of crucial importance to the design of high-efficiency acoustic nacelles. To this end, the present study is twofold. Firstly, the StraightForward impedance eduction Method (SFM) is evaluated by the strategy that the impedance of a liner specimen is firstly experimentally educed on a flow duct using the SFM, and then its accuracy is checked by comparing the numerical prediction with the measured wall sound pressure of the flow duct. Secondly, the effects of grazing flow and high-intensity sound on the impedance behavior of two single-layer liners are investigated based on comparisons between educed impedance and predictions by three impedance models. The performance of the SFM is validated by showing that the educed impedance leads to excellent agreement between the simulation and the measured wall sound pressure for different grazing flow Mach numbers and Sound Pressure Levels (SPLs) and over a frequency range from 3000?Hz down to 500?Hz. The grazing flow effect generally has the tendency that the acoustic resistance exhibits a slight decrease before it increases linearly with an increase in Mach, predicted successfully by the sound-vortex interaction theoretical model and the Kooi semi-empirical impedance model. However, the Goodrich semi-empirical impedance model gives only a simple linear relation of acoustic resistance starting from Mach zero. Additionally, when the SPL increases from 110 to 140?dB in the present investigation, the acoustic resistance exhibits a significant increase at all frequencies in the absence of flow; however, the resistance decreases slightly under a grazing flow of Mach 0.117. It indicates that the SPL effect can be greatly inhibited when flow is present, and the grazing flow effect can be reduced partly as well at a relatively high SPL.     

变截面风扇管道快速声散射计算

针对航空发动机消声短舱声学设计的需要,发展了一种结合快速声散射和直接边界元计算发动机远场声散射的方法,用于计算包含了壁面声阻抗影响的复杂截面管道声散射问题.应用该方法针对某风扇实验台进行了管道消声的数值模拟,得到了远场声散射结果,进行了声衬声阻抗影响的计算,并通过与文献结果的对比表明该方法具有工程应用价值.      

一种可用于声衬优化设计的管道声传播有限元模型

以航空发动机消声短舱声学设计为目标, 发展了一种管道声传播有限元模型, 它包含了壁面声阻抗、管道截面积和形状变化、以及管内非均匀流动等典型影响因素.应用该模型针对一种真实的高速转子声源进行了管道消声的数值模拟, 不仅得到了细致的管内声场分布情况, 更利用其快速的特点完成了声衬声阻抗的优化计算.结果表明该模型具有工程应用价值.      

基于流管试验的管道声传播预测

通过平板声衬流管试验，测试了管道内无流动和有流动下不同入射声波频率的管道壁面复声压，并基于试验模型与数据分别开展了二维和三维管道声传播预测，将试验测量结果与预测结果进行了对比。结果表明:二维和三维的预测结果非常吻合，尤其是在无流动条件下；在不同流动条件和不同频率下，声传播预测给出了与试验数据较为吻合的结果，壁面声压级的趋势与试验结果一致，基本验证了管道声传播预测模型的准确性；对比不同流动条件和频率点，有流动下预测的壁面声压级的误差比无流动更大，低频下预测的壁面声压级的误差比高频更大。      

现场测量管道声衬声阻抗的双传声器法实验研究

对现场测量管道声衬声阻抗的双传声器法进行了研究.为解决实用声衬蜂窝单元尺寸过小,无法直接嵌入常用传声器的难题,采用了探针传声器技术,通过外径1.5mm的细管引出不易直接测量的声衬表面和背腔内声压信号,并设计了校准方法以确保测量精度.进而,在管内声场具有多重模态和声波斜入射的条件下,应用双传声器法测量了实用蜂窝夹层声衬的声阻抗,并与标准阻抗管的测量数据和一种理论预测模型进行了对比,结果符合良好,从而验证了本方法及测量装置的可靠性.      

共振吸声结构在航空发动机上的应用进展

共振吸声结构是由穿孔面板、蜂窝及刚性背板形成的三明治夹层结构,该结构广泛应用于发动机消声短舱内,取得了良好的降噪效果。随着声学理论及制造工艺的不断进步,共振吸声结构从最初的单自由度逐步发展为多自由度甚至内嵌多自由度阶段,吸声效果也取得了较大进步。详细阐述共振吸声结构的吸声原理,并在此基础上介绍国内外发动机消声短舱的发展历程。指出发动机消声短舱的两个发展趋势及在进行短舱声衬结构的精细化设计时要考虑的细节问题,例如背景剪切流动、入射声压级、制造误差等。     

多段组合穿孔板声衬降低对旋风机噪声的实验研究

通过对一台自行设计的高效高噪声对旋轴流通风机进行降噪实验研究表明:多段组合穿孔板声衬可大幅度降低对旋风机的离散噪声。使用有效长度为600mm的多段组合穿孔板声衬降噪,风机的总声压级降低了9dB.      

基于有限元/边界元耦合方法的管道进口声传播及声辐射模型

发展了一种基于有限元和边界元耦合方法的管道进口声传播及声辐射计算模型.该模型将整个声场分为内部有限域和外部无界域,分别用有限元和边界元方法求解控制方程,在两者之间的界面上使用具有物理意义的声阻抗参数进行匹配,并通过一种快速迭代方法实现全声场求解.这种迭代方法可以保证有限元刚度矩阵等带宽以及对称的特性不被破坏,有助于提高计算效率.该模型先得到了Levine-Schwinger标准解的检验,进而在无流动情况下对于简化的航发短舱进口管道模型进行了噪声辐射现象的数值模拟,最后基于计算结果分析了声衬对远场声辐射的影响.      

Characterization of an acoustic liner by means of Laser Doppler Velocimetry in a subsonic flow

This paper describes a new experimental approach to acoustic liner characterization in the presence of a grazing flow. The traditional methods of measurement use microphones to determine liner impedance. The in situ method in particular requires the simultaneous use of two microphones. The first is mounted flush with the surface of the liner grazed by the flow and the second is flush-mounted to the rear face of the liner. However, this method is invasive and assumes the reaction of the liner to be independent of the incidence of the waves (locally-reacting liner). The approach suggested here is radically different since Laser Doppler Velocimetry (LDV) is used to measure the acoustic perturbation of velocity, or acoustic velocity. This latter allows us to determine the acoustic displacement, which is the key parameter in Galbrun's linear theory for assessing the perturbation of pressure and the field of active intensity. The wall impedance and the propagation paths of acoustic energy in the presence of the liner may be deduced without any assumption and non-invasively. This approach was applied for characterizing a resistive liner in a test bench specially designed for aeroacoustic measurements, with a 2D LDV system. The flow was turbulent and the measured nominal Mach number was 0.13. The impedance and field of active intensity were then obtained. A comparison was carried out between the new approach and the in situ method using microphones. According to previous theoretical works in the literature and the presented test results, one has to be cautious about the definition of the impedance when performing in-flow acoustic measurements.