(寶雞文理學(xué)院 物理與光電技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721016)

0 引言

機(jī)艙舒適性是評(píng)價(jià)飛機(jī)乘坐安全性及可靠性的重要指標(biāo)，而機(jī)艙內(nèi)的基礎(chǔ)噪聲水平，則是對(duì)乘坐舒適性產(chǎn)生直接影響的物理因素。受到飛行環(huán)境等條件的限制，飛機(jī)艙室的結(jié)構(gòu)形式相對(duì)較為復(fù)雜，噪聲源物質(zhì)種類較多，聲音在傳播過程中所觸及的任何物質(zhì)，都可能對(duì)原始噪聲信號(hào)產(chǎn)生一定程度的放大促進(jìn)作用。結(jié)合現(xiàn)有信息資料可知，存在于機(jī)艙內(nèi)的噪聲信號(hào)大多表現(xiàn)為中頻噪聲，這類噪聲主要由機(jī)械設(shè)備旋轉(zhuǎn)或軸承零件的振動(dòng)產(chǎn)生，在一定強(qiáng)度作用下，可推動(dòng)接觸面或附著面上的物體發(fā)生滑移現(xiàn)象，進(jìn)而觸發(fā)一定強(qiáng)度的干擾性聲響[1]。根據(jù)國家參考標(biāo)準(zhǔn)可知，中頻噪聲的振蕩頻率處于70～350 Hz之間，其中超過200 Hz的噪聲會(huì)對(duì)人體聽覺系統(tǒng)造成損傷性影響，而低于200 Hz的噪聲則被定義為安全性中頻噪聲。

為建立更加舒適的機(jī)艙乘坐環(huán)境，現(xiàn)有處理技術(shù)借助SEA方法統(tǒng)計(jì)原始噪聲中的頻段共節(jié)點(diǎn)數(shù)量，再根據(jù)噪聲腔子系統(tǒng)內(nèi)預(yù)測(cè)孔洞的分布狀態(tài)，確定中頻噪聲對(duì)整個(gè)機(jī)艙體結(jié)構(gòu)的影響控制作用。但隨著機(jī)艙中頻噪聲振蕩頻率的不斷提升，人工頻段波的統(tǒng)計(jì)分析精度始終不能達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)水平。為解決上述問題，引入FE-SEA混合法，在機(jī)艙子系統(tǒng)重新劃分建模的基礎(chǔ)上，密封所有已存在的中頻孔洞，再根據(jù)預(yù)應(yīng)連接標(biāo)準(zhǔn)，確定該方法對(duì)于機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲預(yù)測(cè)量的控制能力水平。最后模擬中頻噪聲在機(jī)艙內(nèi)的傳輸行為，根據(jù)噪聲振蕩頻率的變換情況，確定這種新型預(yù)測(cè)手段對(duì)頻段波精確分析的促進(jìn)效果。

1 FE-SEA混合法建模

FE-SEA混合法是機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲預(yù)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，按照原理參數(shù)獲取、機(jī)艙子系統(tǒng)劃分的處理流程，其具體建模操作方法如下。

1.1 基本原理參數(shù)獲取

(1)

其中:p代表機(jī)艙內(nèi)的最大中頻噪聲流量條件，δ代表FE-SEA混合原理的“確定”性約束分子，w1、w0代表兩個(gè)不同的中頻噪聲頻段提取節(jié)點(diǎn)向量，e、r分別代表兩個(gè)不同的冪次項(xiàng)提取數(shù)值，i代表FE-SEA混合法的常性建模向量，u代表目標(biāo)噪聲頻段的基參數(shù)，e、γ分別代表最大和最小的中頻噪聲節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

1.2 機(jī)艙子系統(tǒng)劃分及建模

在FE-SEA混合法的約束作用下，機(jī)艙環(huán)境應(yīng)該滿足Y-7結(jié)構(gòu)的搭建原理，除保留必要的聲學(xué)傳播組織外，還需要在兩端的噪聲腔之間，設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的頻段共聚區(qū)域，用于抑制由孔洞密封不完全而產(chǎn)生的中頻振蕩頻率攀升行為，如圖1所示。

圖1 FE-SEA混合法中的飛機(jī)艙室

由圖1可知，滿足中頻噪聲預(yù)測(cè)原理飛機(jī)艙室的頻段共聚區(qū)域必須位于兩條頻段共節(jié)帶之間，且每條頻段共節(jié)帶上都應(yīng)具有相同數(shù)量的篩查共節(jié)點(diǎn)。隨著飛機(jī)航行時(shí)間的增加，整個(gè)艙室始終保持勻速傳輸?shù)倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，兩端中頻噪聲腔內(nèi)的噪聲元素大量累計(jì)，迫使頻段共聚區(qū)域及頻段共節(jié)帶出現(xiàn)相同的微振動(dòng)行為，而在此過程中，頻段共節(jié)帶內(nèi)的篩查共節(jié)點(diǎn)不斷移動(dòng)，直至整個(gè)腔體結(jié)構(gòu)內(nèi)的所有中頻噪聲信號(hào)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化分布狀態(tài)。

機(jī)艙子系統(tǒng)是以FE-SEA混合法飛機(jī)艙室作為理論基礎(chǔ)的建模結(jié)構(gòu)，在遵從FE-SEA混合法飛機(jī)艙室模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增添了下級(jí)噪聲腔及子體空隙腔，可在維持原有機(jī)艙中頻噪聲振蕩頻率的基礎(chǔ)上，充分過濾其中的峰值及谷值篩查節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而使所有共節(jié)點(diǎn)噪聲量能夠完全貼合FE-SEA混合法的應(yīng)用需求標(biāo)準(zhǔn)[3]。

分析圖2所示的機(jī)艙子系統(tǒng)建模結(jié)構(gòu)可知，F(xiàn)E-SEA混合法飛機(jī)艙室中的噪聲腔對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)中的子頻率噪聲腔，頻段共聚區(qū)域?qū)?yīng)機(jī)艙噪聲信號(hào)聚合子區(qū)域，頻段共節(jié)帶對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)共節(jié)帶，篩查共節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)噪聲共節(jié)點(diǎn)。隨著FE-SEA混合法的應(yīng)用，下級(jí)噪聲腔與字體空隙腔可聯(lián)合整個(gè)機(jī)艙子系統(tǒng)建模結(jié)構(gòu)，在妥善處置機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲信號(hào)的同時(shí)，根據(jù)頻段共節(jié)點(diǎn)的篩查情況，實(shí)施后續(xù)的空洞密封與預(yù)測(cè)處理行為。

圖2 機(jī)艙子系統(tǒng)建模結(jié)構(gòu)

2 機(jī)艙中頻噪聲預(yù)處理

遵照FE-SEA混合法建模原理，篩查噪聲頻段中的共節(jié)點(diǎn)，再通過密封中頻孔洞的方式，建立完整的噪聲腔子系統(tǒng)，最后根據(jù)預(yù)應(yīng)連接的生成步驟，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙中頻噪聲的基礎(chǔ)預(yù)處理。

2.1 頻段共節(jié)點(diǎn)篩查

頻段共節(jié)點(diǎn)篩查的處理對(duì)象為整個(gè)FE-SEA混合法飛機(jī)艙室，需要在確保中頻噪聲源保持穩(wěn)定振動(dòng)的基礎(chǔ)上，查探連接零件間的搭載方式，進(jìn)而使預(yù)測(cè)主機(jī)能夠完整獲取噪聲頻段的共節(jié)點(diǎn)識(shí)別數(shù)據(jù)，復(fù)原被頻段波振蕩行為更改的共節(jié)點(diǎn)頻段接入狀態(tài)[4]。常見的頻段共節(jié)點(diǎn)篩查手段分為平滑篩查(如圖3)和覆蓋篩查(如圖4)兩類(出于保密性考慮，除了必要位置外，其它機(jī)艙結(jié)構(gòu)不能得到清晰展示)。

圖3 頻段共節(jié)點(diǎn)平滑篩查原理

圖4 頻段共節(jié)點(diǎn)覆蓋篩查原理

頻段共節(jié)點(diǎn)平滑篩查主要發(fā)生在機(jī)艙內(nèi)的中頻噪聲交匯處，即機(jī)艙拐角連接處。篩查前的連接表面相對(duì)較為粗糙，極利于中頻噪聲信號(hào)的粘連或附著，可加重噪聲預(yù)測(cè)過程中誤差回聲波所占比重。篩查后的連接表面相對(duì)較為光滑，不合理附著的于中頻噪聲信號(hào)得到有效清除，對(duì)穩(wěn)定機(jī)艙內(nèi)的噪聲振蕩頻率起到極強(qiáng)促進(jìn)作用。

頻段共節(jié)點(diǎn)覆蓋篩查主要發(fā)生在機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲的遍布分置區(qū)域內(nèi)，即機(jī)艙的彎曲表面。篩查前的連接表面被大量誤差中頻噪聲信號(hào)占據(jù)，導(dǎo)致機(jī)艙內(nèi)噪聲振蕩頻率不斷提升，引發(fā)了嚴(yán)重的信號(hào)量錯(cuò)誤傳輸行為。篩查后連接表面的誤差中頻噪聲信號(hào)得到有效清除，機(jī)艙內(nèi)噪聲振蕩頻率在短時(shí)間內(nèi)回歸理想數(shù)值水平，有助有后續(xù)中頻孔洞密封操作的實(shí)施。

2.2 中頻孔洞密封

中頻孔洞是機(jī)艙內(nèi)噪聲參量的唯一傳輸通道，在FE-SEA混合法處于持續(xù)實(shí)施應(yīng)用的條件下，這些中頻孔洞會(huì)隨噪聲振蕩頻率的增加，而呈現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)張的變化趨勢(shì)，最終導(dǎo)致整個(gè)機(jī)艙環(huán)境中的中頻噪聲分子總數(shù)不斷提升，使噪聲腔子系統(tǒng)中的頻段波開始產(chǎn)生壓力形變量。而中頻孔洞密封則是緩解頻段波形變量，控制機(jī)艙環(huán)境內(nèi)中頻噪聲分子分子總數(shù)的有效手段[5]。組成機(jī)艙體結(jié)構(gòu)的板材大多保持良好的聲腔包絡(luò)性，其中一部分板件內(nèi)部已經(jīng)具有一定數(shù)量的中頻孔洞，例如艙門隔板等。這些中頻機(jī)艙孔洞的密封應(yīng)以填補(bǔ)空隙作為主要操作，一方面可在傳輸噪聲信息的同時(shí)，形成完全密閉的聲腔包絡(luò)結(jié)構(gòu)，另一方面也能促進(jìn)待篩查共節(jié)點(diǎn)快速形成頻段組織。

圖5 機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲孔洞密封原理

2.3 噪聲腔子系統(tǒng)建立

噪聲腔子系統(tǒng)是FE-SEA混合法飛機(jī)艙室結(jié)構(gòu)的分支屬性模型，由儀表板中頻實(shí)體、中通實(shí)體、行李架實(shí)體、艙門實(shí)體等多個(gè)物理結(jié)構(gòu)共同組成，如表1所示。其中，一個(gè)行李架實(shí)體分別對(duì)應(yīng)左右行李傳輸、左右構(gòu)架傳輸、左右控制傳輸三類中頻噪聲類型，在FE-SEA混合法作用下，可形成6個(gè)符合預(yù)測(cè)需求的噪聲腔子系統(tǒng)。艙門實(shí)體分別對(duì)應(yīng)左右前艙門傳輸、左右后倉門傳輸兩類中頻噪聲類

表1 機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲腔子系統(tǒng)匯總表

型，在FE-SEA混合法作用下，可形成4個(gè)符合預(yù)測(cè)需求的噪聲腔子系統(tǒng)。艙內(nèi)前部實(shí)體分別對(duì)應(yīng)頭部傳輸、腰部傳輸、腳部傳輸三類中頻噪聲類型，在FE-SEA混合法作用下，可形成6個(gè)符合預(yù)測(cè)需求的噪聲腔子系統(tǒng)。艙內(nèi)后部實(shí)體分別對(duì)應(yīng)頭部傳輸與尾部傳輸兩類中頻噪聲類型，在FE-SEA混合法作用下，可形成4個(gè)符合預(yù)測(cè)需求的噪聲腔子系統(tǒng)。

2.4 預(yù)應(yīng)連接的生成

預(yù)應(yīng)連接是判斷FE-SEA混合法在機(jī)艙噪聲腔子系統(tǒng)內(nèi)實(shí)施有效性的重要指標(biāo)，完整的生成過程需要SEA接線等物理成分的共同配合。為保證頻段波的穩(wěn)定傳輸，滿足中頻噪聲預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)艙子系統(tǒng)應(yīng)保持良好的規(guī)范性連接狀態(tài)，即每一個(gè)處于起點(diǎn)位置的頻段共節(jié)點(diǎn)都應(yīng)連接多條SEA接線，在傳輸噪聲參量的過程中，這些接線組織間可以存在覆蓋或交叉行為，但所有接線最終只能回歸處于終點(diǎn)位置的頻段共節(jié)點(diǎn)，且不能在節(jié)點(diǎn)處繼續(xù)保持覆蓋或交叉屬性[6]。

圖6中的所有連接線都屬于SEA接線組織，被標(biāo)注的空心圓結(jié)構(gòu)都是頻段共節(jié)點(diǎn)。分析圖中接線的連接趨勢(shì)可知，在預(yù)應(yīng)連接過程中，中頻噪聲的SEA接線并不一定始終保持直線傳播狀態(tài)，也會(huì)隨機(jī)艙結(jié)構(gòu)的變化，而出現(xiàn)一定弧度的圓周傳播行為。

圖6 直升機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲的預(yù)應(yīng)連接路徑

3 FE-SEA混合法對(duì)噪聲預(yù)測(cè)的控制

在機(jī)艙中頻噪聲預(yù)處理流程的支持下，確定頻段精度條件與子系統(tǒng)穩(wěn)定性，在確保噪聲損耗因子不超過理想限度條件的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一信號(hào)參量的傳輸路徑，確定FE-SEA混合法對(duì)機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲預(yù)測(cè)控制結(jié)果的影響強(qiáng)度。

3.1 頻段精度

頻段精度是指機(jī)艙頻段波在FE-SEA混合法作用下，對(duì)中頻噪聲信號(hào)所表現(xiàn)出來的承載限度條件。按照中頻噪聲在機(jī)艙內(nèi)的傳輸特性來看，完成篩查的共節(jié)點(diǎn)和未完成篩查的共節(jié)點(diǎn)可存在于同一條頻段結(jié)構(gòu)內(nèi)部，且隨著FE-SEA混合法應(yīng)用時(shí)間的不斷延長，這些共節(jié)點(diǎn)組織會(huì)出現(xiàn)明顯的兩極化趨近行為，即所有完成篩查的共節(jié)點(diǎn)組織趨近頻段結(jié)構(gòu)的一端，未完成篩查的共節(jié)點(diǎn)組織趨近頻段結(jié)構(gòu)的另一端[7]。在此操作執(zhí)行的過程中，頻段結(jié)構(gòu)的承載勁度k始終保持不變，利用該條權(quán)限性屬性，可將機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲頻段的預(yù)測(cè)精度條件表示為：

(2)

3.2 子系統(tǒng)穩(wěn)定性

子系統(tǒng)穩(wěn)定性是指在處理中頻噪聲信號(hào)時(shí)，機(jī)艙所具有的最高預(yù)測(cè)水平承載等級(jí)，可隨共節(jié)點(diǎn)所處頻段精度數(shù)值的改變而出現(xiàn)一定程度的增大或減小。隨著FE-SEA混合法應(yīng)用時(shí)間的增加，機(jī)艙建模結(jié)構(gòu)中的下級(jí)噪聲腔物理范圍不斷擴(kuò)大，直至字體空隙腔能夠完全容納一條獨(dú)立的共節(jié)點(diǎn)頻段組織[8]。而在此過程中，中頻噪聲的原始振蕩幅值h0與預(yù)期振蕩時(shí)間t′均保持不變，聯(lián)立公式(2)可將機(jī)艙子系統(tǒng)的穩(wěn)定性數(shù)值參量表示為：

(3)

其中:H代表與中頻噪聲共節(jié)點(diǎn)原始振蕩行為相關(guān)的指向性參數(shù)，T代表預(yù)期振蕩過程中的時(shí)間行為標(biāo)量。

3.3 噪聲損耗因子

噪聲損耗因子是影響機(jī)艙內(nèi)中頻參量預(yù)測(cè)精確性的唯一指標(biāo)，在短時(shí)間內(nèi)可出現(xiàn)偏離原始數(shù)據(jù)結(jié)果的物理行為，但這種變化必須以FE-SEA混合法的施加程度作為參考標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，F(xiàn)E-SEA混合法的高水平施加，會(huì)導(dǎo)致噪聲損耗因子量的持續(xù)上升；FE-SEA混合法的低水平施加，會(huì)導(dǎo)致噪聲損耗因子量的持續(xù)下降[9]。故確定噪聲損耗因子的原始數(shù)值結(jié)果，是提升機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的有效手段。

3.4 傳輸路徑

傳輸路徑確定是機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲預(yù)測(cè)處理的末尾應(yīng)用環(huán)節(jié)，在FE-SEA混合法的促進(jìn)下，機(jī)艙發(fā)動(dòng)機(jī)、前懸架及后懸架都會(huì)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)激勵(lì)行為。而前縱梁、前指梁、前柱體、后縱梁、后橫梁、后柱體中原始存在的中頻噪聲共節(jié)點(diǎn)會(huì)快速集合在一條頻段組織內(nèi)，進(jìn)而加速噪聲參量在其它機(jī)艙設(shè)備中的傳輸速率[10]。最終將這些已具備預(yù)測(cè)能力的頻段共節(jié)點(diǎn)整合到獨(dú)立的子系統(tǒng)聲腔結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)一次完整的機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲預(yù)測(cè)處理操作。

圖7 機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲的預(yù)測(cè)傳輸路徑

4 檢測(cè)應(yīng)用分析

聯(lián)合SEA方法與FE-SEA混合法，在相同實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，模擬飛機(jī)的航行狀態(tài)，分別對(duì)兩組機(jī)艙施加相同影響效果的噪聲波，其中前者作為對(duì)照組、后者作為實(shí)驗(yàn)組。截取其中符合中頻要求的噪聲波頻段，將各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)輸入相同分析軟件中，根據(jù)軟件結(jié)構(gòu)的物理分析結(jié)果，確定實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲振蕩頻率的變化情況。

4.1 頻段波分析環(huán)境

利用虛擬控制軟件模擬飛機(jī)的航行狀態(tài)，再利用噪聲制造儀器對(duì)模擬飛機(jī)施加一定程度的噪聲波，借助傳輸導(dǎo)線連接兩臺(tái)操作主機(jī)。觀察聲波主機(jī)中噪聲頻段的變化情況，截取完整的中頻影響區(qū)間，再利用監(jiān)測(cè)軟件記錄模擬主機(jī)中機(jī)艙噪聲振蕩頻率在該段時(shí)間內(nèi)的變化數(shù)值。改變監(jiān)測(cè)記錄方法，分別獲取實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組的真實(shí)操作數(shù)值。

圖8 頻段波監(jiān)測(cè)環(huán)境

4.2 機(jī)艙中頻噪聲振蕩頻率比對(duì)

振蕩頻率是反應(yīng)機(jī)艙中頻噪聲頻段波分析精度的重要因素，在不發(fā)生外力干擾的情況下，機(jī)艙中頻噪聲振蕩頻率越低，頻段波分析精度越趨于穩(wěn)定；機(jī)艙中頻噪聲振蕩頻率越高，頻段波分析精度的動(dòng)蕩行為越明顯。改變接入監(jiān)測(cè)軟件中的影響方法，確定實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組機(jī)艙中頻噪聲振蕩頻率的具體變化情況，如圖9所示。

圖9 機(jī)艙中頻噪聲振蕩頻率對(duì)比圖

按照由上至下的順序，圖9中曲線依次代表對(duì)照組機(jī)艙中頻噪聲振蕩頻率、理想機(jī)艙中頻噪聲振蕩頻率、實(shí)驗(yàn)組機(jī)艙中頻噪聲振蕩頻率。前30 min的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，三條曲線基本呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢(shì)，30～60 min內(nèi)，機(jī)艙中頻噪聲振蕩頻率開始逐漸下降，60 min后，曲線變化狀態(tài)基本保持穩(wěn)定。分析圖9可知，理想機(jī)艙中頻噪聲振蕩頻率最大值可達(dá)132 Hz，但實(shí)驗(yàn)組機(jī)艙中頻噪聲振蕩頻率僅達(dá)到100 Hz，與理想極值相比下降了32 Hz，對(duì)照組機(jī)艙中頻噪聲振蕩頻率達(dá)到145 Hz，與理想極值相比上升了13 Hz，更遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)組數(shù)值水平。綜上可認(rèn)為，基于FE-SEA混合法的機(jī)艙內(nèi)中頻噪聲預(yù)測(cè)技術(shù)可穩(wěn)定降低噪聲信號(hào)的振蕩頻率，使頻段波分析精度在一段監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)束語

隨著FE-SEA混合法的應(yīng)用，機(jī)艙子系統(tǒng)得到有效的規(guī)劃建模處理，而頻段共節(jié)點(diǎn)在此條件下，密封了所有中頻孔洞，并根據(jù)噪聲腔的的建立標(biāo)準(zhǔn)，完善了預(yù)應(yīng)連接的生成要求。從預(yù)測(cè)控制的角度來看，頻段精度得到精確細(xì)化，并且可以在提升子系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，減少噪聲損耗因子的實(shí)施用量，最終完善中頻噪聲信號(hào)在機(jī)艙環(huán)境內(nèi)的傳輸路徑。從實(shí)際監(jiān)測(cè)效果的角度來看，中頻噪聲振蕩頻率出現(xiàn)明顯降低，從根本上解決了機(jī)艙噪聲頻段波分析精度過于動(dòng)蕩的問題。