声衬拼缝对进气道降噪效果影响研究

徐俊伟等

【摘 要】随着商用航空发动机涵道比的增大，风扇噪声已是目前飞机最主要的噪声源之一。通过在进气道内壁安装声学声衬，可以有效降低风扇前传声。针对某型飞机发动机进气道，利用管道模态方法对该进气道不同声衬拼缝宽度和不同声衬拼缝数量进行降噪量计算和分析。计算结果表明，在拼缝数量不变的情况下，随着拼缝宽度的增大，进气道对一阶风扇通过频率噪声的降噪效果逐步下降。在拼缝总宽度不变的情况下，拼缝数目越多，单个拼缝宽度越小，则进气道降噪效果越好。

【关键词】进气道；声衬；风扇噪声；降噪

Research for Noise Reduction Effect of Different Inlet Acoustic Liner Splices

XU Jun-wei MA Xiang-dong ZHOU Yu-sui

（Shanghai Aircraft Design And Research Institute， Powerplant and Fuel Systems Department， Shanghai 201210， China）

【Abstract】With the increase of commercial aircraft engine bypass ratio， fan noise becomes one of the main noise sources in aircraft. Acoustic liner installed at the inner wall can reduce forward fan noise effectively. Directed at one aircraft engine inlet， duct mode method is utilized to calculate noise reduction with different acoustic liner widths and different acoustic liner splices. The results show that inlet noise reduction capability to first order blade pass frequency decreases with splice quantity unchanged and width increase. Under the condition of total splice width unchanged， noise reduction capability increases with more splices and single splice width decreases.

【Key words】Inlet； Acoustic liner； Fan noise； Noise reduction

0 引言

随着涡扇发动机的发展，发动机涵道比将越来越大，风扇噪声是目前和下一代飞机最主要的噪声源之一。从声源上降低风扇噪声意味着改变风扇叶片数或者叶片造型，难度很大，因此从传播途径上降低风扇噪声是目前比较简便的方法。现有的商用飞机发动机通过安装进气道为风扇系统提供可靠和均匀的气流，进气道内壁进行声学处理，从而降低风扇前传声。这种声学处理手段通常是2至3片弧形声衬组合构成的消声短舱。由于早期加工和结构方面的限制，2至3片声衬之间的连接带（拼缝）通常是坚硬且没有消声效果的。从声学角度讲，这些拼缝或者温度压力探头固壁块导致了声阻抗的间断，从而导致了风扇声源产生的模态在这些位置处发生了变化。从管道声模态理论讲，这种现象叫做模态散射，它与拼缝或固壁块的大小、位置及数量有关。模态散射对声衬吸收风扇噪声是有害的，这是因为模态散射将风扇模态能量散射到其它模态，尤其是低阶模态噪声，它不能够被声衬吸收且不易衰减，降低了声衬的吸声效果[1]。

本文以某型发动机进气道为研究对象，利用LMS Virtual.Lab管道声学分析方法，分析计算拼缝宽度以及拼缝数目对进气道降噪效果的影响，进而用于指导今后发动机进气道降噪设计[2]。

1 管道声模态理论

1.1 柱面坐标系下波动方程

在三维直角坐标系中，声波波动方程为[3]：

1.3 风扇一阶通过频率及激励模态计算

在风扇入口处类似椭圆，在两个垂直方向的长度分别为1299mm和1260mm，发动机风扇叶片个数为24，假定发动机转速为3572rpm，风扇入口处气流平均速度M=0.3，可以计算出该转速下，风扇叶片一阶通过频率（Blade Pass Frequency， BPF）为：

从而可以估算出此频率激起的发动机进气道管道声模态如表2所示：

2 拼缝宽度对进气道消声效果影响

本节计算研究在拼缝数量不变的情况下，拼缝宽度对进气道消声效果的影响。本文中某型发动机进气道声衬由上下两个半圆部分组成，有两个拼缝，拼缝宽度约。为了对比拼缝宽度对进气道声衬消声效果的影响，选择拼缝个数依然为两个，但拼缝宽度分别为、和三种情况，计算出的声压云图如图2所示：

从图2中可以看出，当拼缝数量不变时，随着拼缝宽度增大，声波在拼缝处的泄漏也变得越来越严重，其结果反映了吸声面积对吸声效果的影响。为了定量比较不同拼缝宽度对风扇一阶通过频率噪声的吸声能力，可以计算不同拼缝宽度下整个进气道对风扇一阶通过频率噪声的声学传递损失，计算结果如表3所示。

从表3中可以看出，在拼缝数量不变的情况下，随着拼缝宽度的增大，进气道声衬对风扇通过频率基频噪声的传递损失从1.969dB逐渐降低为1.868dB。从图2和表3中可以得出，随着拼缝宽度的增大，进气道对风扇噪声的吸声能力逐渐降低，这也说明了研制发动机最低宽度拼缝或无缝声衬的必要性。

3 拼缝数目对进气道消声效果影响

本节计算研究在拼缝总宽度不变的情况下，拼缝数目对进气道降噪效果的影响。为了便于结果比较，选择拼缝总宽度为336mm，拼缝数目分别为1个、2个和3个。同时，为了进行结果对比，引入无拼缝情况下的计算结果，得到的声压云图如图3所示：

对整个进气道风扇通过基频噪声进行传递损失计算，计算结果如表4所示。

可能进气道并非完全对称，其消声效果随拼缝数目的变化并不十分明显。但从图3和表4中可以得出无拼缝声衬的降噪效果最好，其次3个拼缝声衬的降噪效果要好于1个和2个拼缝的声衬。因此，在进气道声衬加工过程中，若不能实现无缝声衬，则应最先保证单个拼缝宽度最小。

4 总结

本文应用管道模态波混合的方法，对不同拼缝宽度、不同拼缝数目的进气道声衬降噪效果进行了研究。文中以某型发动机进气道为研究对象，计算了其在不同拼缝宽度、不同拼缝数目时对风扇一阶通过频率噪声的降噪量。

研究结果表明，在拼缝数量不变的情况下，随着拼缝宽度的增大，进气道声衬对风扇一阶通过基频噪声的降噪效果逐步下降。在拼缝总宽度不变的情况下，拼缝数目越多，单个拼缝宽度越小，则进气道降噪效果越好。此外，从本文中还可以得出，无缝声衬吸声面积大，而且没有声阻抗的间断，模态散射效应低，降噪效果最优。因此，为了增大声衬面积，无缝声衬以及唇口声衬是未来进气道降噪的发展方向[4]。

【参考文献】

[1]Mcalpine A， Wright MCM. Acoustic scattering by a spliced turbofan inlet duct liners[J]. Journal of Sound and Vibration，2006，292：911-934.

[2]詹福良，徐俊伟.Virtual.Lab Acoustics声学仿真计算从入门到精通[M].西安：西北工业大学出版社，2013.

[3]朱哲民，龚秀芬，杜功焕.声学基础[M].南京：南京大学出版社，2001.

[4]Fabrice Gantie， Martin Clewley. Evaluation of lip liner benefits[J]. AIAA，2008，AIAA Paper 2008-2979.

[责任编辑：邓丽丽]