衛(wèi)凱，曹琦，潘凱，燕群，薛東文

（1.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065；2.航空聲學(xué)與振動航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065）

隨著渦扇發(fā)動機(jī)涵道比不斷提高，噴流噪聲在發(fā)動機(jī)噪聲中的比重不斷降低，風(fēng)扇噪聲成為發(fā)動機(jī)噪聲的主要來源。為了降低發(fā)動機(jī)風(fēng)扇噪聲，一方面從風(fēng)扇噪聲的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，從聲源角度降低噪聲；另一方面，則需要在噪聲的傳播路徑上降低噪聲向外輻射。聲襯是一種安裝在渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣前、短艙進(jìn)氣道壁面上的聲學(xué)結(jié)構(gòu)，主要作用是衰減沿著進(jìn)氣道傳播的發(fā)動機(jī)風(fēng)扇噪聲。作為傳播路徑上最主要的降噪結(jié)構(gòu)，聲襯的吸聲效果有必要進(jìn)一步研究。提高短艙聲襯降噪能力的措施之一為將聲襯沿發(fā)動機(jī)軸向在不同位置布局，通過噪聲模態(tài)在阻抗交界面的模態(tài)散射、反射以及聲襯內(nèi)部的吸收來增大降噪量[1-6]。

近些年，聲模態(tài)散射在短艙消聲中的作用引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注[7-8]。大多數(shù)研究致力于如何降低短艙周向拼縫對降噪效果的影響，NASA Waston 等人進(jìn)行了聲襯聲阻抗空間布局設(shè)計(jì)[9-10]。20 世紀(jì)90 年代，眾多學(xué)者應(yīng)用解析方法對比了均勻聲襯、軸向非均勻聲阻抗聲襯和固壁面，發(fā)現(xiàn)非均勻聲阻抗聲襯降噪量最大。由于當(dāng)時數(shù)值仿真能力不足，數(shù)值模擬過程中采用了過多的假設(shè)，導(dǎo)致結(jié)果可靠性不足。之后又有學(xué)者對聲襯出口模態(tài)分布作了研究，發(fā)現(xiàn)聲襯是通過改變管道中的聲源特征來實(shí)現(xiàn)降噪量的提升的，為聲模態(tài)的散射研究提供了思路[11]。目前，國內(nèi)對于聲襯的研究大多以數(shù)值模擬形式體現(xiàn)，試驗(yàn)方面的結(jié)論較少。文中通過對進(jìn)氣道噪聲遠(yuǎn)場指向性測量，對比分析了聲襯結(jié)構(gòu)和固壁結(jié)構(gòu)的降噪效果。給出了縮比試驗(yàn)臺的基本情況、試驗(yàn)工況和測量方法，對比分析了聲襯的降噪效果和阻抗交界面的散射現(xiàn)象。

1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件為環(huán)形金屬絲網(wǎng)復(fù)材無縫聲襯，經(jīng)典構(gòu)型，內(nèi)壁面穿孔。聲襯試驗(yàn)件的有效長度為500 mm，金屬絲網(wǎng)數(shù)目為400，面板厚度為1.5 mm，孔徑（圓孔）為2.5 mm，穿孔率（等邊三角形布置）為8.56%，蜂窩性高度40.9 mm。聲襯試驗(yàn)件形貌如圖1 所示。聲襯試驗(yàn)件在設(shè)計(jì)點(diǎn)工況為2973 r/min，聲模態(tài)階數(shù)為（1,0），入射聲壓級為112 dB，對應(yīng)流速為26.5 m/s，噪聲頻率為942.2 Hz 下的聲阻抗值為（0.8~0.6j）。

圖1 聲襯試驗(yàn)件Fig.1 Test specimen

2 試驗(yàn)平臺

進(jìn)氣道風(fēng)扇是一個單級軸流式壓縮機(jī)，圖2 給出了風(fēng)扇試驗(yàn)臺的概略圖[12]。風(fēng)扇設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為 3000 r/min，設(shè)計(jì)流量為6.3 kg/s。風(fēng)扇設(shè)計(jì)點(diǎn)總壓比為1.02，轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為19，靜子葉片數(shù)為18。風(fēng)扇機(jī)匣直徑為500 mm，風(fēng)扇位置輪轂直徑為285 mm，輪轂比為0.57。轉(zhuǎn)子葉頂間隙為0.6 mm，靜子不存在葉頂間隙。輪轂頭部呈半球形，直徑為285 mm。進(jìn)氣道風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和流量可調(diào)。轉(zhuǎn)速通過電動馬達(dá)實(shí)現(xiàn)調(diào)整，流量通過涵道尾部的節(jié)流閥調(diào)整。進(jìn)氣道風(fēng)扇安裝于半消聲室。其進(jìn)口通過窗戶安裝于半消聲室內(nèi)，出口和節(jié)流閥位于半消聲室外，如圖3 所示。進(jìn)氣道聲輻射在半消聲室內(nèi)測量，如圖4 所示，16 個傳聲器分布在以進(jìn)氣道為中心的1/4 圓弧上，圓弧半徑為5 m，傳聲器間距為6°。

圖2 風(fēng)扇試驗(yàn)臺概略圖Fig.2 Fan test bench

圖3 進(jìn)氣道在半消聲室內(nèi)的布置Fig.3 Arrangement of inlet in semi-anechoic room

圖4 傳聲器布局Fig.4 Microphone layout

進(jìn)氣道安裝了一個可旋轉(zhuǎn)的模態(tài)測量裝置，可安裝于聲襯段前面或者后面。模態(tài)測量裝置由兩列沿流向布置的傳聲器組成。每列傳聲器14 個，間距為24 mm。兩列傳聲器相隔180°，如圖5 所示。為了達(dá)到周向定角度聲學(xué)測量的目的，旋轉(zhuǎn)測量段設(shè)計(jì)成由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，單次脈沖帶動齒輪旋轉(zhuǎn)的角度是固定的。周向每旋轉(zhuǎn)6°進(jìn)行一次測量。試驗(yàn)時在旋轉(zhuǎn)測量段上游20 cm 處放置兩個位置固定的傳聲器。

圖5 聲模態(tài)測量段Fig.5 Acoustic modal measurement section

對于旋轉(zhuǎn)測量，由于各周向測點(diǎn)位置的聲場信息不是同時采集，所以旋轉(zhuǎn)陣列相較于固定陣列難以保證各測點(diǎn)處的聲壓信號相位差穩(wěn)定。本次試驗(yàn)中為了保證每次測量時對應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動位置相同，試驗(yàn)中在轉(zhuǎn)子前緣的機(jī)匣壁面裝了紅外傳感器，反射膠紙放置于輪轂處，轉(zhuǎn)子單次旋轉(zhuǎn)可測量到單次脈沖信號。試驗(yàn)中聲學(xué)信號和紅外信號同時由BBM MK II 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，采樣頻率為16 384 Hz，每個測點(diǎn)的采集時間為12 s。

3 測試工況及方法

試驗(yàn)主要研究復(fù)材聲襯典型件在若干頻率下的消聲性能。重點(diǎn)關(guān)注不同流動速度、頻率對消聲效果的影響。測試工況見表1。

表1 測試工況Tab.1 Test conditions

本次試驗(yàn)測試類型主要包括：聲襯上、下游聲模態(tài)測量，遠(yuǎn)場指向性測量。這里主要介紹管道內(nèi)聲模態(tài)方法。安裝試驗(yàn)臺架后，首先標(biāo)定試驗(yàn)臺主電機(jī)轉(zhuǎn)速與進(jìn)氣道內(nèi)氣流平均速度的對應(yīng)關(guān)系。調(diào)節(jié)變頻器，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在指定轉(zhuǎn)速下。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集風(fēng)扇上下游總壓、靜壓、溫度數(shù)據(jù)，在指定步長和指定采集時間內(nèi)測量時域噪聲信號。同時測量遠(yuǎn)場噪聲時域信號，采集時間為1 min。改變試驗(yàn)臺電機(jī)轉(zhuǎn)速，重復(fù)以上步驟，完成全部工況。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 管道內(nèi)聲模態(tài)

4.1.1 2973 r/min 下的模態(tài)分析

2973 r/min 為1 階通過頻率（BPF）下聲襯的設(shè)計(jì)頻率，（1,0）模態(tài)為聲襯的設(shè)計(jì)模態(tài)。聲襯在該頻率和模態(tài)下應(yīng)有明顯的消聲效果。該轉(zhuǎn)速下，管道內(nèi)不同葉片通過頻率測量得到的聲模態(tài)分布如圖6所示。其中每個模態(tài)對應(yīng)的三條柱狀圖，左邊的代表固壁下的測量，中間的代表聲襯上游（聲傳播方向）下的測量，右邊的代表聲襯下游（聲傳播方向）下的測量。

可以看出，在設(shè)計(jì)工況下，聲襯具有顯著的降噪效果，降低（1,0）聲模態(tài)的聲功率級達(dá)到24.3 dB。在平面波下具有最小的消聲效果，隨著模態(tài)階數(shù)的升高，聲襯的降噪能力有所提升，試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)相符。對于個別模態(tài)，如（±3,0），安裝聲襯以后，靠近聲源一側(cè)的模態(tài)測量裝置測到的聲功率反而升高，這主要是由于聲模態(tài)在阻抗交界面上反射引起的。

對于該轉(zhuǎn)速下的 2BPF，可以看出該頻率下的（1,0）階聲模態(tài)并沒有顯著的降噪效果，甚至聲功率還有所提升。原因是一方面該轉(zhuǎn)速對應(yīng)的噪聲頻率已經(jīng)偏離聲襯設(shè)計(jì)頻率；另一方面，高階聲模態(tài)在阻抗交界面向低階聲模態(tài)散射。在這個轉(zhuǎn)速下，對于剛接通的最高階周向聲模態(tài)（-7,0）、（7,0），聲襯具有顯著降噪效果，再次證明了聲襯對高階聲模態(tài)的降噪效果。從結(jié)果中還可以得出，對于徑向的高階聲模態(tài)，如（0,1）相比于（0,0），高階徑向聲模態(tài)具有更高的降噪量。對于該轉(zhuǎn)速下的3BPF，由于截通聲模態(tài)個數(shù)大大增加，聲模態(tài)在阻抗交界面上的散射非常復(fù)雜，精細(xì)地分析各個模態(tài)的降噪效果并不容易。

4.1.2 2679 r/min 下的模態(tài)分析

在2679 r/min 轉(zhuǎn)速下，1BPF 的（1,0）階聲模態(tài)的降噪效果非常明顯，降低聲功率級接近50 dB。2BPF、3BPF 下的模態(tài)分布特性與2973 r/min 時比較近似，如圖7 所示。2385 r/min 下的模態(tài)分析圖此處因篇幅原因未給出，結(jié)論與前兩種轉(zhuǎn)速工況一致。

圖7 2679 r/min 各葉片通過頻率下的聲模態(tài)分布Fig.7 Distributions of acoustic modal of different BPF at 2679 r/min

4.2 遠(yuǎn)場指向性

4.2.1 2973 r/min 下遠(yuǎn)場指向性分析

遠(yuǎn)場24°測點(diǎn)測量得到的聲壓級頻譜如圖8 所示?？梢钥闯?，在設(shè)計(jì)頻率（1BPF）附近500~1500 Hz都具有明顯的消聲效果。

1BPF、2BPF、3BPF 下遠(yuǎn)場指向性測量結(jié)果如圖9 所示?？梢钥闯觯?BPF 下，不同測點(diǎn)下都具有很好的消聲效果，尤其在低角度下（18°附近）具有最為明顯的降噪效果，而該角度正好對應(yīng)較低階聲模態(tài)的幅值，與設(shè)計(jì)工況是對應(yīng)的。隨著頻率的升高，不同頻率下的降噪量明顯降低，這也與頻譜觀測的結(jié)果是對應(yīng)的。在2BPF 下，降噪量主要體現(xiàn)在60°附近，即對高階聲模態(tài)具有降噪作用。在高頻下，高階聲模態(tài)的降噪量更為顯著，這和模態(tài)測量結(jié)果是相吻合的。

圖8 遠(yuǎn)場24°測點(diǎn)測量得到的聲壓級頻譜Fig.8 SPL spectrum at 24°

圖9 2973 r/min 遠(yuǎn)場指向性Fig.9 Far field directivity at 2973 r/min

4.2.2 2697 r/min 下遠(yuǎn)場指向性分析

2697 r/min 下各通過頻率的遠(yuǎn)場指向性測量結(jié)果如圖10 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在1BPF 下，降噪量高于2973 r/min，與模態(tài)測量結(jié)果的結(jié)論相符。隨著頻率的升高，不同頻率下的降噪量明顯降低。在2BPF 下，降噪量主要體現(xiàn)在48°附近，即對高階聲模態(tài)具有降噪作用。2385 r/min 的遠(yuǎn)場指向性圖此處為節(jié)省篇幅未給出。結(jié)論和前兩種轉(zhuǎn)速結(jié)論一致。

5 結(jié)論

文中對渦扇發(fā)動機(jī)短艙進(jìn)氣道聲襯開展了噪聲試驗(yàn)研究。研究了固壁和具有聲襯結(jié)構(gòu)兩種形式下的聲模態(tài)和遠(yuǎn)場指向性，得出以下結(jié)論：

1）設(shè)計(jì)工況下，聲模態(tài)聲功率級的降噪量達(dá)到24.3 dB。從遠(yuǎn)場指向性結(jié)果看，設(shè)計(jì)頻率的降噪量達(dá)到23 dB，設(shè)計(jì)工況下聲襯具有顯著的降噪效果。

2）偏離設(shè)計(jì)頻率越遠(yuǎn)，則降噪量顯著降低。

3）聲襯對不同的聲模態(tài)降噪量顯著不同，聲襯除了在設(shè)計(jì)模態(tài)上有顯著降噪效果外，在高階聲模態(tài)上也有明顯的降噪效果。

4）通過試驗(yàn)，觀測到了進(jìn)氣道內(nèi)阻抗交界面上發(fā)生的模態(tài)散射作用。這導(dǎo)致部分向下游傳播的聲模態(tài)的聲功率級有所提升。