声衬技术：叶轮机噪声控制的主要手段

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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。

　　图1 声衬在航空发动机内的可能安装位置(橙色部分)

　　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)

　　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。

　　图4 声衬结构剖面示意图

　　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

　　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：

　　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

　　变为：

　　此处我们应用了以下两个关系：

　　把p'(iω)表达成旋转模态，上式可进一步写作：

　　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》