全尺寸短舱排气道声衬声学设计与试验验证

针对排气道声衬应用环境，提出了一种适用于短舱排气道声衬的声学设计方法，利用有限元方法建立了排气道声衬声阻抗参数优化模型，根据设计工况和结构约束条件，设计并制备了一套全尺寸排气道内壁声衬试验件。为了验证排气声衬的声学设计方法，研发了频率范围500～16 000 Hz、最大周向15阶模态的全尺寸声衬声学试验平台用以模拟风扇后传噪声特征，分别进行了声衬条件和固壁条件下辐射声场3 m和5 m处的指向性测试，获取了500～1 500 Hz频率范围内的降噪量，试验结果表明设计声衬在950、1 000 Hz频率点的降噪效果最优，充分验证了声衬设计的准确性。分析了设计工况下的声衬在3 m和5 m处辐射声场指向性的声压级分布，试验结果表明0°～90°范围内的最大降噪量分别为10.44 dB和7.21 dB。提出的排气道声衬声学设计与验证方法可为发动机短舱排气道声衬设计与验证提供重要技术支撑。     

切向流条件下短舱单/双自由度声衬实验

使用声学流管实验台对一件双自由度（DDOF）声衬和一件单自由度（SDOF）声衬的声学特性进行对比测试。在最大0.26Ma切向流速和管道的截止频率之下，采用直接提取法SFM测得声衬的无量纲声阻抗，同时使用双传声器分解驻波法计算声衬安装段管道的传声损失（TL）和吸声系数等，基于声能量理论的传声损失可直观地展示两件被测声衬的吸声性能差异。结果表明在流管声学实验台上，相较于单自由度声衬，双自由度声衬能够有效拓宽声衬的吸声频带，同时共振频率处的传声损失不如单自由度声衬，切向流也会明显改变声衬的共振频率、弱化吸声能力。基于声能量的传声损失和吸声系数也为无等效阻抗的非均匀结构声衬提供了一种声学性能评估方法。     

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.      

基于模态发生器的进气道风扇噪声及声衬降噪实验

为研究发动机进气道风扇噪声特性及声衬降噪效果,使用模态发生器提供声源,采用固定麦克风阵列和旋转扫描耙装置测量进气道内噪声信号,进而利用周向和径向模态分解方法得到声模态幅值,对影响模态分解结果的关键因素进行了研究。对周向模态在时域内进行分解,得到幅值和相位的时变特性。最后完成了2套声衬实验件降噪效果测试。结果表明:模态发生器提供的声源可获得风扇噪声的主要模态特征,包括模态幅值、旋转角速度等;满足采样定理条件,径向模态n=0情况下模态发生器产生的主模态和扬声器数量无关;使用旋转扫描耙装置测量声模态,旋转扫描耙的采样位置数对测量结果影响可忽略;在设计频率下,声衬降噪效果良好。模态发生器提供的进气道风扇噪声源可用于对声衬设计方法进一步实验验证。      

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。     

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。      

在线测量声衬声阻抗的双传声器法

双传声器法是工程上在线测量声衬声阻抗的重要方法,为解决实用声衬蜂窝尺寸过小而无法直接嵌入传声器的问题,本文设计了探针传声器,通过外径1.5 mm的探针将声衬表面和背腔声压信号引出.在对探针传声器进行严格校准后,应用双传声器法测量了共振腔和实用蜂窝夹层声衬的声阻抗,并与理论结果进行了对比分析.     

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。     

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。     

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.      

考虑变截面影响的航空发动机短舱声学模型及数值结果

针对航空发动机短舱声学设计的需要,发展一种快速计算方法——传递单元法(TEM),并与直接边界元方法相结合,计算发动机远场声辐射。TEM以等价分布源方法为基础,该方法的优势在于易于计算变截面管道内的声传播,同时,对管道内部声衬位置及长度没有任何限制。给出更接近于真实发动机形状的声辐射算例。     

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.      

风扇前传噪声及声衬特性研究

为了探究航空发动机的风扇噪声,通过试验研究了缩尺风扇前传噪声在不同转速工况下的频谱特性和周向模态特性,并对所设计的环形声衬降噪效果进行了验证。研究结果表明,基于试验测量数据分析得到的频谱特性和周向模态特性满足转静干涉噪声理论。随着转速的提高,风扇纯音噪声越显著,高转速工况下纯音噪声的能量约占风扇前传噪声的85%。在所研究的工况范围内,该声衬对目标频率及模态均有显著的降噪效果,且在85%转速工况时的纯音降噪效果最优,其主模态的传声损失约为59dB。该声衬对于设计频率附近的宽频噪声也有一定降噪效果,在85%转速时的宽频噪声平均传递损失约为3dB。     

快速声散射方法在变截面管道中的应用

 快速声散射方法(FSM)是一种基于无流动Helmholtz方程边值问题的声散射预测工具,具有快速、灵活的特点.以航空发动机消声短舱的声学设计为背景,用该方法对变截面管道声传播特性进行数值模拟研究,用直接边界元方法(DBEM)进行数值求解,避免了求解管口反射系数,有效地提高了计算速度.数值研究了刚性壁面和不同位置壁面声衬组合对变截面圆环管道形状声传播的影响,并分析了管道厚度对散射声场的影响,数值结果与声类比方法结果进行了相互验证.最后,还对一种真实转子声源进行了管道声散射的数值研究,结果表明本方法在航空发动机声学设计中具有工程应用价值.     

剪切流圆管物理参量对声衰减量的影响

应用模态分析方法建立了均匀流和剪切流条件下,发动机多段声衬圆形管道声传播工程计算模型,围绕各种物理参量如平均流Ｍａｃｈ数、附面层厚度和声衬腔深、声阻、面板特征频率、管长等对管内噪声衰减量的影响进行了算例计算,并与有关文献实验测量结果进行了验证对比,从而为发动机前短舱管内声传播研究提供了一种比较完整的模态分析工程预测方法。     

气流条件下微穿孔板结构吸声特性研究

飞机发动机噪声是飞机的主要噪声源之一;利用声衬结构抑制发动机的噪声,是飞机噪声控制的一项重要手段。介绍了利用穿孔板声衬结构吸声原理,通过设计穿孔板声衬的结构参数,实现控制噪声的设计方法并通过试验结果加以验证。     

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。     

声激励下机身舱段内传声器布放方法研究

民用飞机客舱和飞机驾驶舱必须要有相对较为安静的声环境,研究机身舱段在声激励下的舱段内声场分布情况具有很重要的意义。以Y7机身声学试验平台为研究对象,主要研究声激励下测量机身舱段内声压级分布图时,传声器的布放方法及位置。为了准确而有效的得到机身舱段内声压级的分布图,在声压级测量过程中引入了插值泫,并分析捅值法在机身舱段内传声器布放方法研究中的应用。最后在半消声室内进行机身舱段内声压级的测量试验,通过试验验证了插值法在飞机机身舱段内声压级分布图中的可行性和有效性。研究结论对以后的测量工作有一定的实用价值。     

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。     

串列深腔流致声共鸣特性研究

深腔结构在管路中串列布置时会形成强烈的声学耦合效应，内部存在固有声学驻波模态等特征。尤其是当主管路流体掠过串列深腔结构时，前缘流动分离形成剪切涡脱，一旦与侧边腔体固有声模态达到频率锁定和相位匹配，则会产生强烈的流致声共鸣现象。本文有效结合了声模态有限元分析和传感器阵列实验测量，研究了腔体间距和来流雷诺数等对串列深腔流致声共鸣特性的影响。其中的声模态有限元分析获取了无来流状态下的串列深腔声学驻波模态的频率大小和声压空间分布；传感器阵列测量获取了来流雷诺数在(0.26～2.17)×10⁵之间的串列深腔壁面压力脉动的幅频信息和波形规律。研究结果表明：当串列深腔处于半波长布置时，会产生最为强烈的声共鸣现象，腔体内部声压脉动处于同相位振荡模式，同时能够诱发主管路声压与腔体声压反相位振荡；其次，当串列深腔近距离布置时，腔体内部声压脉动处于反相位振荡模式；而处于其他间距布置时，未发生明显的声共鸣现象，压力脉动幅值较低。