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[综合讨论] 声衬技术:叶轮机噪声控制的主要手段

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发表于 2017-11-27 14:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  声衬技术简介
  随着航空工业的发展,噪声与控制水平已经成为衡量飞机性能的重要指标之一。发动机作为飞机的动力装置,是最主要的噪声源。而自喷气式航空发动机出现以来,声衬 (liner) 一直就是最主要的叶轮机 (turbomachinery) 噪声⁽1'2⁾的控制手段。有经验表明,短舱声衬消声技术可以有效地降低涡扇发动机的噪声,从而减少座舱内的噪声和振动,提高飞机舒适性。

  近50年,伴随着发动机技术的快速发展,短舱声衬技术也有了长足的进步,特别是自1970年以来大涵道比发动机的发展,以及80年代后一代接一代消声短舱的问世,大幅降低了飞机噪声的辐射。近年来,新的声衬设计(如多自由度设计、侧吹气流、非local reactive 设计、泡沫金属设计等)和应用(如涡轮、燃烧室噪声控制)也是层出不穷。截至目前,关于声衬技术的研究已经超过70年,但是仍然存在许多没有解决的科学和工程问题。
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  图1 声衬在航空发动机内的可能安装位置(橙色部分)
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  图2 金属泡沫声衬的外形、微观形状(安装在风扇叶尖处的短舱内壁面)
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  图3某款声衬的穿孔表面及其吸声性能
  目前,几乎所有民用涡扇发动机都装配有消声短舱和专门设计的声衬(图1-2给出了声衬的安装位置,图3给出了某款声衬的穿孔表面及其吸声性能曲线)。虽然,结构形式不尽相同,但随着设计制造年代的推进,大体上呈现出“消声频带越来越宽、结构重量越来越轻、同时加工维护成本越来越低”的规律。未来消声短舱的发展趋势可以总结为以下3点:
        · 制造材料,采用轻质复合材料替代传统的金属材料;
        · 制作工艺,采用周向无安装拼缝的柔性成型工艺;
        · 结构特点,覆盖风扇前后整个外涵道⁽⁴⁾。
  综上所述,可以说,短舱声衬技术是降低发动机噪声性价比最高、改变发动机工作条件最小的一项技术。国内、外均投入了大量的研究力量持续进行改进。

  声衬原理简介
  1、亥姆霍兹共振腔工作原理
  一般,一个单自由度(SDOF,即单层)的声衬结构的剖面如图4所示。关于声衬具体的噪声控制工作机理包含多种说法,本文将结合得到最普遍认可的亥姆霍兹共振腔 (Helmholtz Resonator)(图5)的工作原理对其进行说明。
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  图4 声衬结构剖面示意图

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  图5 不同大小的亥姆霍兹共振腔及其示意图
  马大猷先生采用声电比拟,将空腔描述为容抗,短管描述为感抗,短管内空气阻尼描述为声阻,并把吸声原理阐述为“受外声场的激发并消耗其能量称为吸声体”⁽3⁾。具体的吸声频带和性能取决于空心体体积V(类比为弹簧),短管开口面积S(其内空气类比为质量块)和短管长度L(管内摩擦类比为空气阻尼),共振ω与√S/lV成正比。为了吸收宽频噪声可以采用两层声衬结构设计、或者内部腔体具有不同高度(从而改变V)等设计。如果我们再看图1,可以发现声衬类似于很多个亥姆霍兹共振腔安装在一起,相应的重要的几何参数有所谓的开孔率 (POA)σ,开口孔径d,穿孔面板厚度t,空腔深度h。

  2、声衬工作机制的理论解释
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  图6 管道声传播示意图
  如图6所示的声衬设计中,声波由小孔进入空腔后只能在r方向传播,而不能在θ以及x方向传播(此处假设蜂窝状空腔的尺度小于声波波长),此类声衬是最常见的locally reactive类型,其阻抗定义为:
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  其中,υ'为小孔开口法向方向(指声衬内部)的声粒子速度。换句话说,在壁面安装声衬后,壁面条件由
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  变为:
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  此处我们应用了以下两个关系:
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  把p'(iω)表达成旋转模态,上式可进一步写作:
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  给定Z和ω,我们可以算出一个对应的αmn。换言之,声衬阻抗Z会改变径向波数,进而改变轴向波数,使得相应的模态cut-off。这就是声衬工作机制的理论解释。

  参考资料:
  [1] 黄迅,“航空发动机叶轮机噪声控制:声衬技术讲义”,北京大学,2014 年。
  [2] Qingkai Wei, Xun Huang* and Edward Peers, “Acoustic Imaging of a Duct Spinning Mode by the Use of an In-duct Circular Microphone Array”, Journal of Acoustical Society of America, Vol 133, No 6, 2013, pp. 3986-3994.
  [3] Xun Huang*, “Compressive Sensing and Reconstruction in Measurements with An Aerospace Application”, AIAA Journal, Vol 51, No 4, 2013, pp. 1011-1015.
  [4] 航空发动机消声短舱强度问题浅析《中国航空报》2017-08-08

  来源:综合自北京大学安静飞行实验室 黄迅 《声衬技术讲义》和中国航空新闻网《航空发动机消声短舱强度问题浅析》

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