航空发动机风扇机匣声衬与进气道声衬联合设计方法

对于现代的大涵道比涡扇发动机,风扇噪声是主要的噪声源。风扇机匣声衬(风扇前)与进气道声衬能显著降低风扇前传噪声。该两段声衬距离接近,所处的声场互相影响,有必要研究风扇机匣声衬(风扇前)与进气道声衬的联合设计方法。本研究首先结合国内外进展,对声衬优化设计方法、声传播计算模型、声源模型、声阻抗模型、代价函数等声衬设计的关键环节进行讨论,并选择合适的方法形成一套完备的声衬设计体系与设计工具。同时,对航空发动机风扇机匣声衬(风扇前)与进气道声衬进行联合设计,得到单自由度与双自由度声衬两套方案,证明该工具的工程可行性与有效性。最后,对两种声衬方案进行了不同方面的评估,包括BPF噪声降噪效果、宽频降噪效果等。评估表明,在该设计思路下,两方案在飞越、边线、进场前两阶BPF噪声都能得到很好的降噪效果,并且双自由度声衬能够在更宽的频率范围内显示出降噪优势。但是,如果代价函数能够进一步囊括声衬的宽频吸声效果,双自由度声衬能够更优的宽频降噪效果。     

涡扇发动机声衬的分段式设计与声模态散射分析

文章针对涡扇发动机声衬开展分段式设计,并对声衬对声模态的散射作用进行了分析。应用有限元求解对流亥姆霍兹方程的方法求解了发动机短舱内的声传播,通过与试验以及Tester等人的数值解对比验证了所应用的数值方法及声模态解耦方法;应用梯度搜索法和遗传算法优化设计了4种声衬的声阻抗,结果表明可以通过长度较短的声衬实现多个目标声模态的降噪并达到降噪指标,轴向分段式相比均布式声衬和周向分布式声衬具有更大的降噪量;文章对还对分段式声衬的声模态散射现象进行了分析,分析了声衬对声波的模态散射。研究结果表明最优声衬产生的反射声功率要大于通过声衬传递的声功率,周向分段的声衬散射形成了更低阶声模态。建议应用轴向分段式声衬降低风扇前传噪声。     

民用大涵道比涡扇发动机风扇机匣声衬设计

为了研究民用大涵道比涡扇发动机风扇机匣声衬的降噪效果,基于Wiener-Hopf管道声传播预测方法和声阻抗模型,形成了风扇机匣声衬设计流程和方法,对某民用大涵道比涡扇发动机风扇机匣开展声衬设计研究,包括风扇前和风扇/OGV之间两段声衬的设计。首先选择边线和飞越两个适航工况的管道可传播声模态作为降噪目标声源,以工程要求为设计边界,获得最优声阻抗和声衬结构参数,然后在真实流道形状下,对所设计声衬在目标声源和其他频带声源的消声量进行评估。结果表明,所设计的两段风扇机匣声衬在目标声源和低阶BPF其他声源处的消声量可观,达到声衬降噪的目的。     

民用航空发动机外涵支板声衬的降噪技术研究

为了研究民用大涵道比涡扇发动机风扇外涵支板对风扇转静干涉噪声后传声散射效应的影响,以及外涵支板布置声衬的降噪效果,本文基于有限元方法,首先研究了等截面圆形管道和环形的声传播和远场声辐射特性,并与解析结果进行对比,吻合地较好,表明了该声传播计算方法的可靠性和精度;然后开展对于包含外涵支板的某真实大涵道比涡扇发动机外涵管道的风扇转静干涉噪声后传声分析,最后开展外涵支板声衬的声阻抗优化设计,在约束条件内获得最优声阻抗,研究外涵支板布置声衬对风扇转静干涉噪声后传声的降噪效果。结果表明：有外涵支板的情况下,声波在管道内出现声散射现象,声压幅值较无支板情况明显增大,且在支板附近出现峰值;外涵支板布置声衬后,在最优声阻抗的情况下,单频单模态的降噪量可达22.57dB。     

基于时域LEE方法的发动机进气道声衬降噪优化

基于2.5D时域线化欧拉方程(LEE)和Fung的时域阻抗边界条件(TDIBC)模拟了涡扇发动机进气道风扇噪声传播并对声衬的参数进行了优化。TDIBC代码的正确性通过实验数据进行了验证。管道声模态的传播计算使用复数形式的线性化欧拉方程(LEE)在时域中实现。发动机进气道的背景流场使用Fluent软件计算,基于该背景流场并加入Fung的TDIBC模型模拟了发动机风扇噪声在进气道中的传播。提出一个有效的基于响应面替代模型的轴对称声衬的优化方法。优化的结果表明该方法可以用于降低远场声压级(SPL)的声衬优化设计。该方法对于高涵道比涡扇航空发动机声衬的降噪设计有着重要意义。     

声子晶体材料与有源控制相结合的宽频噪声抑制方法

电力变压器噪声除了本体噪声产生的低频分量,还包含冷却风扇产生的中高频噪声。有源降噪方法对低频噪声控制性能好,且灵活可控,但降噪效果受制于通道数量。在不增加通道数量的前提下,为了拓宽降噪频率范围,提出声子晶体材料与有源控制相结合的降噪方法。以DSP为核心控制器搭建了基于LMS算法的双通道有源降噪系统,在此基础上开展了嵌入声子晶体材料的有源降噪系统降噪性能验证实验研究。实验结果表明,针对变压器100～400 Hz的低频噪声,双通道有源降噪系统单频最大降噪量约20 dB,多频总降噪量可达9 dB。设计了对500～1 000 Hz中高频噪声抑制作用明显的声子晶体材料,对600 Hz单频降噪量约14 dB。嵌入声子晶体材料的双通道有源降噪系统,最大总降噪量可达16 dB,优于单纯的有源降噪。可见,声子晶体材料与有源控制相结合,拓宽降噪频率范围、提高降噪性能的方法是可行性的。     

大涵道比涡扇发动机风扇部件边线噪声预测

随着现代民用航空发动机涵道比的不断增大,风扇噪声在发动机整机噪声中所占比重也越来越突出,因此对适航条件下的风扇噪声进行预测对发动机的降噪设计和飞机噪声适航验证工作具有重要意义。通过对涡扇发动机风扇部件噪声产生机理和影响其传播的环境因素的研究,并结合飞机起飞程序,建立了涡扇发动机风扇部件边线噪声预测模型。通过编程计算后与实测噪声进行数据对比,基于涡扇发动机风扇部件静态噪声预测值进行动态修正后的涡扇发动机风扇部件边线噪声预测模型可以较好地预测实际情况。     

压电声衬的自动控制系统设计及实验研究

为了进一步实现压电声衬在体积调节模式下的阻抗控制,提出了一种新的噪声控制方法。该方法利用光敏电阻特性,通过Lab VIEW程序设计,驱动压电声衬使其根据不同噪声频率的变化自动发出控制信号;通过电压的变化来改变声衬的腔体体积,从而调节声衬的消声频率。在分析压电声衬消声及工作原理基础上,设计加工压电声衬结构。通过相关性能测试验证该方法的可实施性。最后利用Lab VIEW虚拟仪器技术,实现自动控制程序设计;并通过消噪性能实验验证了控制系统的可行性,实现了对声衬激励电压的自主控制及降噪频带偏移6 Hz。     

铁路声屏障与轨边矮墙优化设计研究

声屏障的高昂成本往往是由不合理的设计参数造成的.基于铁路噪声预测模型和有限长声屏障设计方法,提出了声屏障优化设计方法.该方法以声屏障建造成本为目标函数,以降噪要求为声学约束,综合考虑设置位置、高度和长度等设计变量的影响.由列车噪声1/3倍频程频谱计算插入损失,通过修正车屏间反射作用,提高了优化过程中插入损失的计算精度.经过与目前设计方法比较,验证了优化方法在铁路声屏障和轻轨桥架声屏障设计中改善经济性能和降噪性能的优越性,并且对轨边矮墙的降噪特性进行了分析,讨论了设计参数对成本和降噪性能的影响.结论对声屏障和轨边矮墙设计参数与形状的选择具有指导意义.     

复合材料环状声衬降噪特性试验研究

根据民用飞机结构轻质化、高性能化的发展需求,利用发动机声模态模拟试验平台开展复合材料环状声衬的降噪特性试验研究,探索复合材料声衬在发动机短舱的可行性。针对发动机短舱声衬的某特定工况,以高分子树脂基复合材料,利用无缝拼接和环装整体成型等先进工艺研制出无拼缝的、两种不同长度的环状声衬试验件;通过基于旋转轴向传声器阵列方法的管内声模态测试和指向性测试开展声衬降噪效果试验。试验结果表明,声衬的降噪效果具有强烈的模态选择性,切向来流速度对声衬的降噪效果具有显著影响。     

基于伴随方法、梯度增强Kriging方法的涡扇发动机进气道减噪高效优化方法研究

发动机进气道减噪优化设计问题中涉及大量设计变量,使用常规的Kriging模型来求解时计算量巨大且计算效率低下。为了高效设计低噪声进气道,本文首次发展了用于管道声学问题的声传播方法、伴随方法、梯度增强Kriging方法的混合方法,提出了一套基于声学伴随方法和梯度增强代理模型的高效优化设计框架。本文利用伴随方法高效求解设计变量的梯度信息,并加入Kriging代理模型中,显著提高了代理模型的精度,阐述了梯度增强Kriging方法和伴随混合方法在低噪声涡扇发动机进气道设计中的应用潜力。首先通过两个标准函数,测试了梯度增强的Kriging方法的寻优性能。最后,应用发展的混合方法进行了高达24个设计变量的典型进气道低噪声设计。结果表明,在额外的梯度信息下,混合方法可设计出满足气动性能约束的低噪声进气道,验证了设计框架的有效性和高效率。     

基于波音算法的航空发动机风扇噪声预测

作为涡扇发动机的一个关键噪声源,随着涵道比的不断加大,风扇噪声在飞机起飞时对整机噪声的贡献量也日益增加;因此预测风扇噪声对飞机噪声适航评估工作有极大意义。采用Boeing风扇噪声预测算法,结合飞机起飞航迹,利用MATLAB软件编程,经过多普勒效应修正、几何发散衰减修正和大气吸声衰减修正,得到起飞时风扇噪声预测模型。以某型发动机为算例,计算出实际飞机起飞时噪声适航审定中所需测量的每隔0. 5 s动态声压级的预测值。把最终得到的有效感觉噪声级预测值与欧洲航空安全局提供的有效感觉噪声级真实值进行对比,验证了该模型的准确性;此模型能有效降低新飞机的研发成本和风险,缩短噪声适航审定周期。     

离心通风机气动声源识别方法研究与应用

为了满足离心通风机降噪的迫切需要,提出了一种以固体壁面静压变化率为识别参数的主要偶极子声源的简便识别方法。将静压变化率的时均值定义为偶极子声源强度,声源强度大的地方就是主要声源区。该方法只需对非定常流动进行数值模拟,从而省去了繁琐的声场计算,虽不能定量给出通风机气动噪声的大小或具体的降噪效果,但可以为通风机的降噪提供有用的指导。通过将该方法应用于指导T9-19No.4A离心通风机的降噪实践,证实了该方法在工程应用中的有效性。     

离心风机基频气动偶极子噪声的数值研究

运用计算流体动力学技术及声比拟理论研究了离心风机3个不同流量下蜗壳及叶片表面偶极子声源产生的基频噪声.风机内部三维瞬态流场由计算流体动力学模拟得到.根据气动声学的FW-H方程对蜗壳内表面提取偶极子声源,对于叶片噪声利用Lowson公式进行建模.为了使计算模型更符合实际,建立了以蜗壳为界的内外声学直接边界元模型,使用多区域声学边界元模型,考虑蜗壳对声传播的散射作用,内部噪声通过蜗壳的进出口传播到风机外部.结果表明:在非定常流场中,蜗壳表面的压力波动以基频为主,而叶片上的压力波动并没有明显的基频分量;蜗舌是基频噪声的最主要声源;随着流量变大,蜗壳辐射的噪声急剧增加;由叶片产生的偶极子基频噪声比蜗壳小,特别是在大流量工况下.     

基于非定常流场的离心风机气动噪声分析

提出了一种不直接求解声场却能为离心风机降噪提供有用信息的分析方法.首先,利用有限容积法对风机内部的非定常流场进行计算.然后,采用时域和频域分析方法对流场内静压脉动的强度和频率进行分析.最后,根据声学基本理论,判定风机内部主要气动噪声源的位置及噪声类型.应用该方法对某离心风机进行了计算,并将分析计算结果与该风机的噪声测量结果进行了对比,证明该方法能够有效地判断气动噪声源的位置和噪声类型.