（人机与环境工程专业论文）微穿孔板吸声结构及在飞机降噪工程的应用研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h em o r ea n dm o r ea i r t r a n s p o r ti nm o d e ms o c i e t y ，n o i s ep o l l u t i o np r o b l e m c a u s e db yl a r g ea i r p l a n e sh a sb r o u g h tu pm u c hm o r ea t t e n t i o n i nt h ed e v e l o p m e n to f c o m m e r c i a la i r p l a n ei nc h i n a a i r c r a f tn o i s ei sa ni m p o r t a n tp r o b l e mf o rt h el a r g e rn o i s e l e v e l t h em a 6 0i so n eo ft h en e wc o m m e r c i a la i r c r a f ti nc h i n a i nt h ed e s i g na n d p r o d u c e ro f t h i sa i r p l a n e ，t h en o i s ef r o mt h ea p uo ft h i sp l a n ei sv e r yl a r g ea n dn e e dt o b er e d u c e d i ti st h ep r o p o s eo ft h i sp a p e rt od e v e l o pam e t h o dt or e d u c et h en o i s el e v e lo f m a 6 0a p uw i t h o u tm o r ew e i g h t i n ga n do t h e ri n f e c t i o no na i r p l a n e t oa c c o m p l i s ht h i s o b j e c t ，an e wt y p eo fm i c r op e r f o r a t e da b s o r b e ri su s e d f i r s t ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a b o u tt h em i c r op e r f o r a t e da b s o r b e ri sp r e s e n ti nt h i sp a p e r t h e n ，t h es o u r c en o i s eo f t h ea p uo fm a 6 0i so b t a i n e db yt h eo u t s i d et e s ti na i r p o r t b a s e do nt h et e s tr e s u l t ，a m i c r o p e r f o r m e d a b s o r b e ri sd e s i g n e da n d p r o d u c e d a tl a s t t h et e s tf o rt h em a 6 0 a p u n o i s ew i t ht h em i c r op e r f o r m e da b s o r b e ri s p r e s e n ti nt h i sp a p e r e x p e r i m e n tr e s u l t s s h o wt h a ta no b v i o u sr e d u c t i o nh a sb eo b t a i n e du s i n gt h i sm i c r op e r f o r a t e da b s o r b e r k e y w o r d s m i c r o p e r f o r a t e da b s o r b e r n o i s e a i r p l a n en o i s e f f t 两北t 业人学坝l 学位论史 第一章绪论 1 1 噪声( 飞机噪声) 控制的意义 飞机噪声在四十年代初就引起了e 机没计师的注意。那时由于飞机发动机的 功率迅速提高，使飞机噪声成为一个比较重要的社会和科学技术问题。民航运输 初期，噪声主要影响机组人员和乘客的舒适，飞机内机务人员需要进行语言通话， 感觉到飞机噪声干扰通话清晰度。二次大战后，飞机噪声不仅作为机内少数人的 舒适和效率问题，而且增高了的噪声会影响飞机内部仪器设备的正常工作，对飞 机本身结构产生声疲劳和损伤，影响飞机的飞行寿命和安全，因此疲劳成为弋机 设计的一个重要问题。七十年代以来，由于飞机载重量增加和航空运输事业的迅 速发展，飞机噪声对机场地面工作人员和生活在机场附近的人们产生烦扰，妨害 居民睡眠和休息引起听力损失，降低工作效率，严重影响身心健康。 六十年代，由于飞机噪声在美固引起大量的投诉案件，在欧洲出现了城市公 众的强烈抗议活动，政府不得不丌始采取积极的行动。于是，在伦敦的国际会议 上签署了通过“审定”对制造厂的产品加以控制的方案。美国联邦航空局( f f a ) 立刻开始考虑建立一个噪声审定制度，并确定用有效感觉噪声级e p n l 作为审定 的噪声评价参数。1 9 6 9 年在国际民航组织( i c a o ) 的主持下，召开了有美、英、 法等主要国家参加的国际会议，并成立了i c a o 的飞机噪声委员会( c a n ) ，负责 处理世界范围内的逐步升级的机场噪声问题。1 9 7 1 年美国国会通过联邦航空规章 的一个新章节一f a r p a r t3 6 ，要求新 殳计的飞机都要符合p a r t3 6 的规定。我国的空 运业起步较晚，但发展很快。1 9 8 6 年1 2 月在中国航空学会主持下，召开了民用 航空发展研讨会，全面讨论了民航运输的前景、规划政策。有关单位参照美国f a r p a r t3 6 提出了中国民航规章的新章节- - c c a r3 6 章，作为我国客机制造的噪声审 定标准。 今天，所有新的民用运输机，不管其类型、大小、重量或动力装置设计，必 须满足国内以及国际上大部分国家的噪声要求。此外，对噪声级高的飞机实行宵 禁，白天按时间规定噪声标准，征收i 艇声超标附加费，使用机场场地的控制以及 按控制值监测噪声等。所有这一切限制的目的是为了求得一个安静的环境，但对 航空运输业来说，就要增加成本。因此航空公司要选购低噪声的飞机，这增加了 西北t ! 世人学坝| j 学位论文 工业界竞争的难度。 虽然飞机噪声问题首先出现在发达困家。但是我国是一个发展中的大国，空 运潜力极大，这儿年的客运量迅速扩火。亟须对飞机噪声闷题增加了解，开展飞 机源噪声的预研，发展与改进噪声控制技术，以便适应空运业不断扩大的形势， 推进飞机噪声问题的解决是具有十分重要的意义的。 1 2 微穿孔板吸声结构发展的历史与现状 声是一种波动现象，它在传播过程中，遇到障碍物会产生反射和锂j 慰现象， 在不均匀的媒质中或由一种媒质进入另- - 4 十媒质时，也会发生折射和透射现象。 声波在媒质中传播，出于媒质的吸收作用等，会随传播距离增加而衰减。对于声 的这些认识，是改善和控制声环境的理论基础。在噪声控制中，首先是降低噪声 源的辐射。工业、交通运输业可选用低噪声的生产设备和生产工艺，或是改变噪 声源的运动方式( 如用阻尼、隔振等措施降低固体发声体的振动，用减少涡流、 降低流速等措施降低液体和气体声源辐射) 。其次是控制噪声的传播，改变声源已经 发出的噪声的传播途径，如采用吸声降噪、隔声等措施。再次是采取防护措施，如 处在噪声环境中的工人可戴耳塞、耳罩或头盔等护耳器。 微穿孔板消声结构的发展已经有二十多年历史，它是一种低声质量、高声阻 的新型吸声结构。微穿孔板的吸声结构是在普通穿吁l 板吸声结构的基础上发展起 来的，它通过把穿孔直径减少到一毫米以下，使它流阻增大，从而不需要另外加 多孔型吸声材料。这种吸声结构具有声阻和声抗效果，因此它是阻抗复合式吸声 结构。相对比较，微穿孔板吸声结构，构造简单，重量较轻，适于不同的气流温 度和和气流速度情况的声传播管道。而且，微穿孔板的穿孔率较低、表面光洁、 不受材料限制、清洁、无污染、对气流阻力小、气流再生噪声低，适应于较高气 流的情况。 我国是微穿孔板理论的发源地。自1 9 7 5 年马大猷教授发表了微穿孔板理论和 设计以来，国内科技工作者开展了大量的实验研究和应用开发工作，微穿孔板丌 始在一些工业噪声控制中得到应用。 1 9 8 7 年，我国科技工作者研制出了微穿孔( 透明) 消声通风百叶窗。其原理是 采用具有一定厚度的透明空腔和孔径为08 m m 的微穿孔板作为叶片，平行排列， 百叶倾角及行j 训距可调。叶片i b j 形成允许气流通过的通道，整个百叶窗可以认为 是一个隔声构件。这种透明的百叶窗在现场测量时，隔声量可达1 0 1 5d b ( a ) 。 最近在没计双层隔声通风窗帘时，在床内一侧附上透明微穿孔板材料，使隔 声效果有所提高，采用透明微穿孔板吸声结4 , j 在窗户| ：的做法，都是利用了微穿 孔板清洁、无污染的优势，并考虑透明采光的要求。 进入9 0 年代，微穿孔板在国内噪声控制工程、改善厅堂音质方面得到广泛的 应用。其中，大型体育场馆的吸声吊顶、些需要清洁环境的重要产品生产车间、 医院通风系统等，相继采用了微穿孔板吸，* 处理。最近噪声控制专家在设计高架 路声屏障时，也采用了透明微穿孔板吸声结构，大大丌拓了微穿7 l 板应用的新领 域。 国外在微穿孔板吸声结构应用方面有着很大发展。1 9 9 3 年德困在波恩建成了 新的议会大厅。建筑师们设计建成了一个完全透明的圆形玻璃大厅，但却忽视了 它的音质问题。建成后大厅前面声反射造成声聚集以及声场不均，致使在大厅中 央发言一开口如入闹市。德国政府决定对新议会大厅进行改建，要求及要解决大 厅内的音质问题，还要保持议会大厅水晶宫般的外貌。德国物理研究所的科研人 员运用微穿孔板吸声体技术解决了这一难题。犬厅墙壁上所用的微穿孔板是厚5 m 1 5 3 的有机玻璃板，用激光钻孔，穿孔直径o5 5 m m ，孔距3 5 m m ，板后空腔厚度为 2 5 1 0 0 m m 。这种结构的共振频率为2 5 0 - - 8 0 0 hz ，吸声带宽约1 个倍频程( f 入射) 。用倾斜的微穿孔板，或把微穿孔板做成圆柱形，可以使带宽增加至1 6 个 倍频程。若采用双层微穿孔板吸声结构，后面的空腔厚度分别为1 8 m m 和5 0 r a m 。 则吸声宽带可达到4 个倍频程。 马大猷教授在1 9 7 5 年发表的理论中，考虑到当时的机械加工能力，做了许多 近似。1 9 9 7 年马大猷教授又将这一理论进步的发展，获得了精确解，为单层微 穿孔板做成具有足够宽的通用吸声体的可能性奠定了理论基础。根据这一精确理 论，吸声系数为最大值一半时的频率 和。之比，与共振时声阻r 有关。在r = 5 时，这个比值可达1 8 0 2 相当于4 个多吸声倍频程。现在已完成了基于微穿孔板精 确理论的计算机辅助设计，并取得吸声频带大于3 个倍频程的实验结果。 两北丁业人学坝1 1 学位论文 1 3 新舟6 0 ( m a ) 飞机a p u 的噪声问题 由于新舟6 0 飞机在机场停靠州a p u 发出巨大的噪声影响了旅客乘机的舒适 度，所以飞机生产厂方中航一集团西飞公司要求加以改进减少a p u 噪声。本文所 关注的飞机噪声问题主要是新舟6 0 飞机a p u 的噪声问题。a p u 向外辐劓的主要 声源有三个：( i ) 排气声源：( 2 ) 迸气声源；( 3 ) 机匣透射声源。由于整个a p u 在发动机短舱包容之内，其中的机覃辐射噪声被有效屏蔽，可以不考虑其降噪问 题。因此新舟6 0 飞机a p u 降噪问题，主要钊对排气管道噪声和进气管道噪声的 降噪技术问题。由于a p u 内部环境的限制以及微穿孔板吸声体构造简单、重量较 轻、清洁、无污染、适于不同的气流温度和和气流速度情况的声传播管道这样的 特点，所以微穿孔板吸声结构可以作为降低管道进排气噪声吸声结构的首选方案， 如果考虑在管道吸声结构采取分段设计，可使其具有理想的降噪效果。 1 4 本文的内容及结构 本论文研究的内容是利用微穿孔板i 吸声结构的理论及公式，找到吸声率和微 穿孔板吸声结构几何参数之间的关系，并能依此对各项参数进行综合优化。在实 验室内进行微穿孔板吸声结构室内声学特征的实验分析；根据微穿孔板吸声结构 室内声学特征的实验分析结果，进行进一步的吸声结构的优化设计，并将此结构 运用到给新洲6 0 飞机a p u 降噪的工程中。 论文主要结构如下： ( 1 ) 第一章为文章的绪论部分，介绍了本论文的工作背景。 ( 2 ) 第二章主要介绍了微穿孑l 板吸声结构和微穿孔板消声器的有关基本理论。 ( 3 ) 第三章分析了新舟6 0 飞机a p u 的源噪声状况，通过对新舟6 0 飞机a p u 的源噪声实验测量和数据处理得出了a p u 噪声的频谱图。 ( 4 ) 第四章利用微穿孔板吸声结构的理论和a p u 噪声特征，针对新舟6 01 毛机 的a p u 噪声问题进行降噪设计。 ( 5 ) 第五章介绍在飞机场给新舟6 0 飞机a p u 的排气管道装l 二消声器后其噪声 场试验过程和结论。 ( 6 ) 第六章得出本文的主要研究结论 第二章微穿孔板吸声结构的基本原理及理论分析 2 1 微穿孔板的声阻抗率 微穿孔板吸声结构体系由大鞋丝米级小孔的薄板，再加上板后的空腔组成 可以看作具有声阻和声抗的声学元件，其结构及其等效电路如图2 - 1 所示。 图2 1 微穿孔板吸声体结构及等效电路图 微穿孔板可以看作大量的微管的并联，如果孔间距离比孔径大多时，可以假 设各孔( 及各微管) 的特性互不影响，微穿孔板的声阻抗简单地即等于单孔的声 阻除以孔数。在另一方面，当孔问距比波长小得多时，孔间面板对声波的反射也 可忽略不计。根据c r a n d a l l 的基本理论可获得微穿孑l 声阻抗的计算公式。1 ，把圆管 中的空气看成由大量厚度极薄的同轴圆柱层形成，每层沿轴向的运动要受其惯性 和与轴向速度在径向的梯度成正比的粘滞阻力的限制。如微管两端问的声压差为 p ，运动方程式即为： 户“一詈毒d r ( ”岳w ) = 竿 m l嘶 f 式中p 为空气密度，7 为空气粘滞系数，u 为空气沿轴向的质点的速度( 为径 向 的函数，在管壁上为零，管心l 一最大) ，t 为管长。考虑正弦运动，( 2 - 1 ) 式时 问微分可以代以。乘积，而写做 c 萋+ 0 鲁“肛一等， z ， 两北川t 人学形 j 。学位论文 k2 ：一竺 ( 2 - 2 ) 式的解为： 吣卜舞 ，一糕 ， 因为在管壁上，- = ，所以质点速度必须为零。式中j 。代表零阶b e s s e l 函数。 管中的平均速度为： ：= ；r o - n 虻嚣旧2 揣 ， 。， 式中j ，为一阶b e s s e l 函数，根据声阻抗定义( 声阻抗为媒质中某点的有效声压 与陔点的质点速度的比值) ，微管的声阻抗为： 平等刊，一丽2 lj 糯0 ， s ， “v”j 。v j j 柳为压= 孵，厚黼层戚压半径 层厚度的比，为运动粘滞系数且t = q l p ，d 为孔的直径。 ( 2 - 5 ) 式在细管和粗管的近似值分别为： z 一詈，咧+ 学 s ， jd 一 一k l o ，咧+ 竽j 曩c ， ， 管的粗细是按k 值的大小区分的。z ，的实部是声阻率r 。，虚部是声抗率 t o m ( m 是声质量率) 。由以上结果可以看出 嘉一吾 协s a ， 枷f l t 2 “ 击t o m 一志1 k ， 扣m 4 + 2 ( 2 - 7 a ) 在k = 1 ，r ，t o m = 6 时吸收频带宽度l j 以达到很大的值。而在k = 1 0 时 月t o m ，= 0 1 4 ，吸收频带就：_ | 卜常窄了。普通穿孔板结构须另加吸声材料，原因就在 与此。微穿孔板使k 约在l 与1 0 之问，吲而不用其它的吸声材料就使吸收频带较 宽。构造一个z 。等式，在kd , m j 趋近( 2 6 ) 式，而在k 大时趋近( 2 - 7 ) 式，可得 孕等藤+ ，删+ 责v2 ) ( 2 _ 8 ) j ， 将此值与准确值( 2 5 ) 式比较，j 者符合甚好，最大误差为6 。( 2 - 8 ) 式适合于 任何k 值，可代替( 2 6 ) 、( 2 - 7 ) = 式为更好的近似值。k 当然不能太大，在管中出现 横波时，上面的式子就无用了。管长l ( 即穿孔板厚度) 如不是比管径d 大的多， 就须加上末端改正值。声质量的末端改i t ：值是由末端的声辐射而来，使有效管长 增加0 8 5 d ( 计算两端辐射) 。声阻的末端改正是由于空气出入微管时有一部分沿 障板流动，因而产生磨擦损失所致，因此可求得。“，两端都是无穷面障板时，声阻 率增加2 2 矽，7 。这两部分都应加于( 2 _ 8 ) 式。 微穿孔板的声阻率，如果假设各孔阳j 互不影响，就等于单管的声阻抗率( 包 括末端改正值) 除以穿孔率p ( 每单位板面积上f l l y j 总面积) 。以空气的特性声阻 俨( c 为声速) 为单位，微穿孔板的相对，郇目抗就等于： z ：玉：h ，洲，( 2 9 ) po ( _ _ 其中相对声阻和相对声质量分别为： ，= 警砉f 藤+ 宰期 陋 两北t 业人学坝卜学位论文 一一 c ( 2 一1 1 ) 将已知值代入以上两式，并耳义c - - 3 4 0 米秒，u = 1 5 1 0 5 米秒，d ，t 的单位 用毫米， p = 7 8 5 d 2 i b2 ( p 为百分数) ，b 为孔间距离( 毫米) 。于是得 r ：半一t 女， ( 2 1 2 ) dp m = 0 2 4 9 1 0 - k 。， ( 2 1 3 ) 其中声阻常数和声质量常数分别为： p f 笔+ 丁2 k 号 k 。1 + 袁+ 0 8 5 孚 ( 2 - 1 5 ) t = 居瓜 1 6 ) 以上各式只限于非金属板，传导系数非常小的情况。微穿孔板如果用金属或 和热传导大的薄板制造，还应计入热传导的影响。对于金属管的声学特性， c r a n d a l l 曾有比较详细的讨论。在正常声场中，空气的压缩是绝热过程。但是在 金属管中，接近管壁的空气即保持恒温，任何热量变化，立即被管壁传开。如果 管非常细，整个管内的空气就处于恒温状态。热量的传导代表能量的损失，因此 管内的阻尼要加大。这项加大等于把以上各式的值改为+ v ，v 为空气的温度 传导系数( 温度梯度为1 0 c 米时，每秒钟单位厚度的温度增加) 为2 1 0 。米2 秒。 二者相加，+ v = 3 5 6 1 0 5 米2 秒。把这个值代入( 2 - 1 0 ) ，( 2 一1 1 ) 二式，就得到金 哗 虑 p q 北t 业人学坝1 学位论文 03 3 5 t ， ”1 fi 2 r ( 2 1 7 ) ：0 2 4 9 1 0 一上k 。， ( 2 ，1 8 ) p k ，和k 。仍为( 2 一t 4 ) 和( 2 - 1 5 ) k = 0 2 l d 厂 ( 2 - 1 9 ) 2 2 微穿孔板吸声结构的基本方程” 微穿孔板吸声结构是共振吸声体，由图2 1 的等效电路可以求得其吸声特性。 图z 。为板后空腔的声阻抗率，其值按”一般计算为： z ) = - j p c c t g c o d c ( 2 - 2 0 ) 在正入射的条件下，吸声系数( 被吸收的声功率与入射功率的比值，亦被吸 收的声功率与其极大值得比) 为： ( 2 2 1 ) f 1 + ，) 2 + ( 2 m y c t 9 2 z z y ) 2 式中 y = t 7 d c = d 旯( 五= 波长) g = m c d 吸声系数a 在共振频率时为最大 口。= i r 玎4 r ( 2 - 2 2 )2 i r 玎 共振频率厶满足 c o o m c t g ( c o n d c ) = 0 9 ( 2 2 3 ) 两北t 业人学坝l j 学位论文 m d c 图2 - 2 共振点半共振点图解 图2 2 是由d = t 2 0 4 m m ，b = 5 m m ，d = o 2 4 m 这一实际设计所得出的频率关系。 在图2 - 2 上，( o m 线与c 喀( o c ) 线的相交点为共振频率点且吸声系数最大。 由( 2 - 2 1 ) 式可知吸声系数为最大值半的频率满足 甜i m c t g ( c o i d c ) = 干( 1 + r )( 2 2 4 ) 2 2 2 3 微穿孔板结构的基本方程的近似解法 用近似方法解方程( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 。在自变数a 小时 c t g a ：一1 a j 将式( 2 2 5 ) 引入方程( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ，解之得 础。d c ：( g + = 1 ) 2 j 余切函数可以近似 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 西北工业大学硕士学位论文 d c ：千掣+ 2 2 ( g + 三) 式中国。为国i 和0 9 2 的几何中值 鲁+ 七 4 f g + ；) 2 g + ； ( 2 2 7 ) 脚0 2 = 珊i 国2 ( 2 2 8 ) 式中 g = 国。m l ( c o o d c ) = m c d ( 2 2 9 ) 吸声带宽也叫相对吸声半带宽，即在最大吸声频率( 有时叫共振频率) 附近， 吸声系数等于最大吸声系数一半的两个频率之差与最大吸声频率之比。可以从 ( 2 - 2 7 ) 、( 2 - 2 8 ) 、( 2 2 9 ) 式求得 矽，兀= 0 2 一国。) ，哝= 。d i c x l + r ) ( 2 。3 0 ) 半吸收点间的频程为 厶，z = 三如k 。，c x l + r ) + l ( c o o d c ) 2 ( 1 + ，) 2 + ) “2 2 c z ， 式( 2 - 2 2 ) 这种近似方法只能在自变量a 小时应用，a = i 时误差近4 ，a l 时误差很快加大。因此，近似理论的应用范围以a 1 时增加r 值，l 驶声系数要降低，但频带显著加宽。 2 4 微穿孔板结构的基本方程的精确解法 求微穿孑l 板吸声体的共振特性需解( 2 2 4 ) 式，在这之前由表2 - 1 可以看出变 化关系，这就是带宽随。d c 和r 的增加而增加。由图2 - 1 可知，m 减少时0 3 0 d c 增加的极限时三2 万，而半吸收点是对称地在1 2 ；r t - t a n - ( 1 + ，) ，由此就得到吸声频带 半宽度 v = ( 4 _ 7 r ) t a n “( 1 + ，) ( 2 3 7 ) 而频程为 务2 c t g 而1 一 ，s ， z。( + r ) 1 此值列于表2 - 2 中，由此可见微穿孔板吸声体在宽带吸声方面的潜力极为可观。 表2 - 2 微穿孔板可达到的吸声带宽 r1245 a f 厶 1 4 1 01 5 9 0l6 8 81 7 9 4 91 7 9 0 厶f , 5 7 88 7 61 1 8 21 4 9 11 8 0 2 8i、“ 7ll 睾暮r=2一to ii ，心 2 l= = = ：= = = = = = = = 警、= = t - 1 r = 1 两北i _ 业人学坝l ：学位论文 即其中的空气振动只能沿法线方向( 沿微穿孔的轴向) ，因而法向相对声阻抗 r + i r o m 是不随声入射方向而改变的。窄腔的作用则不同，除非微穿孔板后面加一一 层蜂窝板把各孔分开，否则各孔透过的声波会共同形成和原来入射波方向相同的 波在空腔内部传播。在这个波遇到后墙后，反射回到穿孔板面，与那早的入射波 相加形成半驻波。经计算，在宅腔内的反射波与入射波的行程差为2 d c o s 0 。因 此空腔在斜入射时的法向声阻抗率为： = 羔c 僖华 ( 2 - a ) 因而吸声系数( 2 - 2 1 ) 式变为： ：竺! ! ! 皇 (242)fz0 2 ( 1 + rc o s o ) 2 + ( 2 f o g y c o s 0 - c t 9 2 n y c o s o ) 2 。2 一 把( 2 4 2 ) 式和( 2 - 2 1 ) 式相比，知斜入射时，r 减小为r c o s 0 ，y 减小为y c o s 0 而 g 不变。如r 原大于1 ，最大吸声系数即加大，反之则减小。y 0y 。，y ，都加大，吸 收频率范围提高，而相对吸收带宽 i s , = y ：y ，则不受斜入射的影响。在斜入射 的情况下，仍可求微穿孔板吸声结构的吸收特性，只是要把r 改成，c o s 0 ， 而y 改成y c o s o 。 2 6 微穿孔板吸声体的多吸收频带特性 微穿孔板吸声体的一个特别重要的特性是它的多带吸收性质这是共振体常 见的现象，对吸收带较宽的吸收体特别有意义，k 或m 小的微穿孔板吸声体正是 如此。图2 4 中的余切曲线是由多支的，相隔为万的倍数，蝴线与各支都要相交， 交点前后就是吸收带，如图2 4 所示。 图2 - 4 微芽孔板吸芦体的多吸芦帝 图2 一是一一个设计的例子：f o - 4 4 4 h z ，d = 0 1 5 m m ，r - 2 可以算出k = l 和 0 3 0 m = 0 4 5 7 3 ，相应的余切上的交点是在。d c = l1 4 2 或d = 0 1 3 9 m 。从原点通过 共振点的直线与其它各枝余切线相交在c o d c = 37 3 1 , 6 6 4 3 ，9 6 7 7 等等。在相应于这 些点的频率上吸声系数是0 8 9 。半吸收点( 6 = o 4 4 ) 在鲫，7 线与c o t 线相差l + r - 3 处。吸声曲线绘于图2 - 6 。由于r 与频率有关，实际值稍有出入。 八 012 3 45 ，k h e h2 - 5 微穿孔扳吸声体的总体吸卢曲线 这是n i 入劓的情况。已i 例j _ 【_ 在祭i 入州时，吸声频带将向高频扩展。在无规则 0 b 6 2 0 o q 咱 毒 加 8 m o “ 1 机 眦 u o 0 两北t 业人学坝i + 学位论_ j ；【： 的声场中，无疑吸声曲线各段问的空档多少要被填平，吸声曲线要连续到高频。 2 7 微穿孔板消声器公式及其推导”1 微穿孔板消声器，是利用微穿孔板吸声结构制成的消声器。通过选择微穿孔 板上的不同穿孔率与板后的1 i 同腔深，能够在较宽的频率范围内获得良好的消声 效果。本文将通过推导得出它的理论计算公式。 ： zk 1 二兰 ii i 图2 - 6 微穿孔板消声器管道示意图 图2 - 6 是一个圆截面的微穿孔板消声管道，当管中无气流时，可由得到质量守 恒方程、轴i q 动量守恒方程： 风掣+ i 2 归一昙酗) ( 2 4 3 ) 风昙嘶卜毫酏) ( 2 _ 4 4 ) 式中v ( z ，t ) 是管壁上( 即r = r 处) 的径向速度，其值由边界的条件确定。 再考虑物态方程，便得到穿孔管中的波动方程： 等殆，旷了1 矿6 3 心- - ，f ) = 丢 妄叱，f ) ( 2 - 4 5 ) 在穿孔板壁面处，应满足 - f i ( z ，f ) = u ( z ，f ) p 。c 善 ( 2 4 6 ) 式中掌为壁面法向方向相对声阻抗率。必须指出，之所以采用穿孔板壁面的声阻 抗率是基于这样的假定：当孔间距远远小于波长时，可认为壁面具有均匀的阻抗。 将( 2 - 4 4 ) 代入( 2 - 4 5 ) 式中，即得到关于f 的二阶线形偏微分方程： 导弛，旷古象弛+ 去言弛，归。( 2 - 4 7 ) 导f ( 5 ) + x 2 p ( z ) - j “2 k ；阶o l。， 善；f ( z ) + k 。2 f ( z ) = ol 热k 2 詈心2 搿一恙 即 + = a + b ( 2 - 5 0 ) 晶只。 p o c op i c o k ak b p p p 。一= g ( a b ) 7 ( 2 5 1 ) ( 2 5 2 ) i _ i 北 、人学坝l j 学位论文 式中g = 睾 由消声器末端声压连续体积速度连续得： a e 虬7 一b e 胁7 = p ( 2 5 3 ) a g e b g e 。7 = g p , ( 2 - 5 4 ) 由( 2 - 5 0 ) ( 2 - 5 2 ) ( 2 - 5 3 ) ( 2 - 5 4 ) 得 鱼：娅，一业p 删( 2 - 5 2 ) # o4 94 9 在有效消声频带范围内，雎：，的实部大于1 ，相应的一j g z ，的实部小于l ，这样 e j k ：7 的模大的多，且前者系数比后者系数大的多，( 2 - 5 4 ) 式中的两项相比，后项 是小量可以忽略不计。 生：! s ! 芝。m ， ( 2 5 6 ) 只。4 9 而鱼享竖对于延享竖，从精确计算值或g 的二项式近似都可以看出，它的模接 4 94 9 近于1 女口取巡4 9- l ，由此造成的t l ( 消声量) 的误差( t l _ 2 0 1 9 i 譬 + 。 4 9 z o l g “2 0 l g 州，不超龇删每止e 7 厩2 2 k 7 c = e x 一忸。c ，k ；嵋= e x 一 。隔 t l = z 。t s l 只p , 。o l = 8 6 8 i 。j 乏j ：焉 c z - s ， 这就是圆形微穿孔板消声器的消声量公式。但是，由于公式的根号内 ( k 2 一，面2 k ) 是复数，使用不方便，需进一步化为实变量函数形式。经推导可得： 肛一斋 2 + 考斋 i 2 ( 2 - 5 8 ) ，- - - - - - - - - - r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一、， “ 尚 两北t 业人学颂学位论义 第三章新舟6 0 飞机a p u 源噪声分析 b 机场使_ = | j 反映，新舟6 0 飞机a p u 噪声辐射较为严重，为了进一步提高新 舟6 0 飞机在停机状态的声学质量，西飞公司提出降低新舟6 0 飞机a p u 安装噪声 的任务。考虑新舟6 0 飞机的a p u 是进1 3 产品，a p u 本体不宜变动，只能在a p u 进排气管道中考虑降噪措施。 3 1a p u 进排气噪声特性分析 降噪方案与声源的特征有关。a p u 是一种高速旋转的流体机械，它主要有压 气机、燃烧室和燃气涡轮等三大部件组成。由于气流在通过这些部件时气体的参 数f 包括压力、温度和密度) 均会发生强烈的脉动，气流脉动的一部分能量以声波的 形式向外传播就产生了a p u 的辐射噪声。a p u 向外辐射的主要声源有三个：( 1 ) 排气声源：( 2 ) 进气声源；( 3 ) 机匣透射声源。由于整个a p u 在发动机短舱包容 之内，其中的机匣辐射噪声被有效屏蔽，可以不考虑其降噪问题。因此新舟6 0 飞 机a p u 降噪问题，主要针对排气管道噪声和进气管道噪声的降噪技术问题。 3 1 1 a p u 进排气噪声总体特征 a p u 排气噪声包括燃烧噪声、涡轮噪声和喷流噪声。其中新舟6 0 飞机安装 的a p u 的环形燃烧室主要产生5 0 0 h z 左右的低频燃烧噪声，噪声级的大小与负 载有关，空载时，由于加热量小，声缴较低，满载时声级较高；涡轮噪声的特征 是带有强单音，涡轮转子与静子干涉单音频率为涡轮叶片通过频率及其倍频，满 载时，出于燃气温度较高，声传播的介质阻抗增高，涡轮噪声的传播受阻，单音 声级反而较低，而空载时由于声传播介质阻抗较低，因此空载时涡轮单音噪声反 而较强；因为a p u 排气速度较低，根据著名的l i g h t h i l l 关于喷流噪声声功率与喷 流速度8 次方成比例的关系，可以判断i 费流噪声对于a p u 的排气管传播噪声贡献 不大。 a p u 进气管道传播噪声的主要特征是整个频谱显示宽频噪声和若干单音的 混合噪声，其中单音噪声是由于压气机旋转以及叶片干涉产生的叶片通过频率及 其倍频上噪声，在1 0 0 0 1 0 0 0 0 h z 之问。进气噪声的指向性是对准进气管道轴线 的位胃的声级最大。 两北t 业人学坝l 。学位论文 3 1 2 压气机气动噪声的机理及其特点 新舟6 0 飞机的a p u 压气机为离心式压气机，这种压气机产生的气动噪声在 性质上是离散噪声与宽带噪声，这种噪声通过进排气管道传播出去。 ( 1 ) 宽带噪声 宽带噪声也称为涡流噪声，它是由气流流动过程中的随机流动产生的。在压 气机内产生随机流动的脉动的过程包括：边界层中的紊流、来自叶片表面的涡流 脱落、紊流来流在叶片表面撞击等。气动声学的理论分析指出，在包含有固体边 界的流动噪声中，主流是亚音速情况下的宽带噪声主要是偶极子型。 ( 2 ) 离散噪声 离散噪声也称为旋转噪声，它以某个频率的基频和谐波的形式出现。这种噪 声是叶轮叶片的旋转压力场、叶片旋转压力场与固体壁面的干涉等产生。另外， 压气转子与进气流的湍流畸变干涉也会产生离散单音。 理论和实验研究表明，对于高速旋转的压气机，离散噪声与宽带噪声均是对 外辐射的重要贡献。 3 1 3 涡轮气动噪声的机理及其特点 与压气机的噪声相似，涡轮噪声由单音噪声和宽带噪声组成。流过涡轮叶片 的随机非定常流动或湍流，包括边界层、叶片尾迹、进e l 气流等中的湍流，产生 涡轮宽带噪声，而涡轮叶片上的周期型压力脉动产生涡轮单音噪声。研究表明， 涡轮噪声同压气机噪声相比其主要特点是： ( 1 ) 因为涡轮噪声辐射要通过喷流混合区的剪切层，使得涡轮离散单音噪声 谱的形状发生了变化，往往单一的尖峰单音被加宽。 ( 2 ) 燃烧系统对涡轮单音也有影响，因为燃烧室出口气流的温度和速度会随 工况发生变化，而且会存在温度和速度的畸变。 3 1 4 燃烧噪声的机理及其特点 气体在燃烧室中的燃烧过程分为主燃烧区和混合区，在主燃烧区燃油喷入并 点火燃烧，燃气温度可高达2 0 0 0 k 左右，混合区内冷空气与热燃气混和降低燃气 温度，为了促进主燃区内燃油与空气混合以及混合燃气与空气的参混，整个燃烧 两北丁业人学硕卜学位论文 过程必须保持强烈的湍流流动。 燃烧噪声主要就是由于燃烧过程中强烈的湍流流动过程产生的，虽然经过燃 气涡轮时流场的湍流度被消弱，但燃烧过程产生的噪声仍然会从发动机的尾喷口 辐射出来，成为从a p u 排气管道辐射的重要噪声源。 由于燃烧噪声的产生主要是由于湍流流动过程产生的，因此燃烧噪声的频谱 表现典型宽频带噪声谱。如上所述，新舟6 0 飞机a p u 燃烧室主要产生5 0 0 h z 左右的低频宽带噪声。 3 2 实验条件、测量系统概述 为了获取a p u 排气噪声可靠声场的信息，并用于与带消声器的噪声作对 比，本文首先对新舟6 0 飞机a p u 源噪声场进行了实地测量。 3 2 1 测量与数据采集系统 a p u 噪声测量的数据采集系统如图3 1 所示： j 机内采l _ 1 复茎h 警嘉h 罄l 集片i i 软件系统 图3 1噪声测量的数据采集系统原理图 其中传感器是h s 5 6 3 3 a 型数字声级计，可将所测的噪声信号转换成电信号 并有交流和直流两种输出，其中直流和声压信号有一定的比例关系，交流信号包 含了声音频率的信息。 数据采集板是e v o c 公司的p c l 一8 1 2 p ga d v a n c e dm u l t i f u n c t i o nd a t a a c q u i s i t i o nc a r d 它的主要功能如下： 编程采样率可达1 0 0 k h z 可编程增益模式：通过软件编程可获得l 倍2 倍4 倍8 倍1 6 倍增益 1 6 个模拟输入通道 p q 北_ 厂业人学坝l 学位论文 1 6 路可编程数字i o 两个1 2 位单片电路模拟输出通道 提供3 种a d 触发模式：软件触发，可编程同步器触发，外部触发 软件系统： 我所采用的软件系统分为两个部分：仪器面部分是用v b 编写的，数字处理系 统是用f o r t r a n 编写快速傅立叶变换程序。 3 2 2 信号处理原理 在信号分析与处理中，傅氏变换是常用的一种分析工具。离散傅立叶变换 ( d f t ) 是许多数字信号处理方法的基础，然而计算d f t 所需的运算量是相当大 的，即使使用运算速度很高的计算机，也需占用大量的计算时间，严重影响它的 实际使用。而快速傅氏变换( f f t ) 极大地改变了这一局面，对科学与工程实践产 生了巨大的推动作用。 将较长序列的d f t 逐次分解成较短的序列d f t ，利用三角函数的周期性和对 称性减少运算量，这是f f t 的基本原理。 离散傅立叶变换为 d f t ( x ( ”) ) ：x ( k ) ：芝x ( h ) e 一，鲁m ，：o ，1 ，一1 ； ( 3 1 ) n in i x ( ) = x ( 刚= x ( n ) w “，k = o ，1 - ，n 一1 ； ( 3 2 ) n = 0n = 0 此处把简写成w ”。 由于”。具有周期性和对称性，即 wn k ：“+ ) ：钟m ，和( m 等) ：一“：( 3 - 3 ) 经周期性和对称性简化之后，w 矩阵中有许多元素相同，从而使d f t 运算过 程大大简化。这就是f f t 的基本思想。 快速傅立叶变换( f f t ) 是振动、冲击和噪声数字信号分析的重要方法之一 也是实时频谱分析仪和f f t 分析仪的最基本的运算功能。可以利用f f t 来分析信 西北工业大学硕士学位论文 号的频谱，提取特征频率和谱特性；计算滤波器频率响应；以及实现信号通过线 性系统的卷积运算并且由于这种傅立叶变换法速度快，节省机时，所以在数字信 号分析中得到广泛应用。 f f t 的分解方法基本上可分为两类：一类是将时间序列x ( n ) ( n 为时间标号) 进行逐次分解，称为按时间抽取算法；另一类是将傅立叶变换序列x ( k ) ( k 为频率 标号) 进行分解，叫做按频率抽取算法。对每一算法，按基本的蝶形构成又可分为 基2 ，基4 ，基8 以及任意因子等的f f t 算法，本论文中主要使用基2 f f t 算法。 一、按时间抽取f f t 算法d i t ( d e c i m a t i o n i n - t i m e ) 假定序列的样本数n 是2 的正数幂，即n = 2 ”，m 是任意正整数，由d f t 公 式可得： n i ( ) = x ( 疗) k = 0 ，l ，n 一1 ( 3 4 ) n = o 式中= e 1 2 “”。显然，昨是一周期函数，其周期n 。 将原始样本序列x ( n ) 分解成偶数项和奇数项两个序列 为( ，) = x ( 2 r ) x ( r ) 和x ：( r ) 的d 仃盼别为 r = o 1 ，n 2 1( 3 - 5 ) n 2 - l x ，( ) = d 刀k ( r ) 】_ x ，( ，) 吲： r = o 2 - 1 x ：( ) = d f t x ：( r ) 】= e i ：( ，) 阡僻： ，= 0 这时，x ( n ) 的n 点d f t 可写成 x ( k ) 因为蝶= ( p 1 2 “) 2 = ，2 故( 3 - 7 ) 式可改为 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 略 +r 。啦 一 + = 耄。 w n 两北丁业人学埘! i j 学位论文 ( 3 8 ) 由( 3 - 6 ) 式可知，x i ( k ) 和x2 ( ) 是以n 2 为周期的函数，而( k ) 则是以n 为周期函数，根据j 的性质司得。i 二i ：】将( 3 - 8 ) 式改成 x ( ) = x l ( a ) + 蜕x2 ( 女) x ( k + n 2 ) = x l ( 女) ；x 2 ( 女) ( 3 - 9 ) 由于n 2 = 2 “仍然是偶数，可类似地将n 2 点序列再分解为两个点n 4 序 列，继续这样的分解过程，直到最后2 点序列的d f t 。由于每一次分解均将序列 从时域上按偶数奇数提取。所以称为时间抽取，且每次都是一分为二，所以称基 数为2 ( 基2 ) 的算法。 二、按频率抽取f f t 算法d i f ( d e c i m a t i o n - i n f r e q u e n c y ) f f t 算法的另一种形式称为按频率抽取算法，和按时间抽取算法相对应，按 频率抽取算法是在频率域把n 点傅立口十变换序列按偶数项和奇数项分解为两个 n 2 点序列。 设一n 点输入序列x ( n ) ，n = 2 ”，首先将其按序列号顺序前后分为两半，成为两 个新序列 x l ( i 1 ) = x ( 月) x 2 ( n ) = x ( n + 2 ) = o ，l ，n 2 一l ( 3 一1 0 ) 则x ( n ) 的n 点d f t 可写成 n 2 一l， x ( ”= b ( ) w - “x 一) ( n ) k ( 3 1 1 ) = 0 n ，2 一i 下面来考察x ( 2 k ) 2 h l