航空发动机风扇气动声学消声室设计论述

2020-05-12王云龙李雪罡裴一哲

中国设备工程 2020年6期

王云龙，李雪罡，裴一哲

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

随着全球范围内民用航空工业的快速发展，噪声问题受到了越来越多的重视。民航飞机的噪声标准也日趋严格。民航飞机的噪声主要来自发动机噪声。民航客机发动机噪声主要由喷流噪声、风扇噪声和发动机本体机械噪声组成，其中，风扇噪声在民航客机噪声中贡献最大。

1 消声室简介

消声室是通过对噪声控制技术的应用，通过控制噪声传播的方式以获得接近理想声学环境的设施。消声室分全消声室、半消声室和卦限消声室。

房间的六个面全铺设吸声层的，称为全消声室，一般就称为消声室。凡要求测量误差比较小，如要求在±1dB以内的，或者有测量声源指向性特征要求的，一般都设计全消声室。房间的六个面中只在五个或四个面铺设吸声层的，称为半消声室。房间相邻三个互相垂直的面是全反射的，则根据镜面反射原理，这好像是一个完整消声室的八分之一的空间，因此，称为卦限消声室。卦限消声室受声源或接收器尺寸的限制，一般只在特定用途下才使用。

2 风扇气动声学消声室特点

风扇气动声学消声室，由于其试验对象比较特殊，传统消声室多为密闭空间，风扇气动声学消声室且与外界大气联通，有进气塔和排气塔，所以进气塔和排气塔内为隔绝外部噪声对消声室本底噪声的影响，需要设置多层消音器。同时，由于风扇气动声学试验特殊的指向性和试验装置动力的输入特点，假设消声室为正方形如图1（细框），声源S在室中心，考虑离声源较近的点A，从S到A点的距离为rA，因为点A到S很近，故6个一次反射声到达点A的距离都近似为L。壁面吸声层的吸声系数为α，反射系数模量为|R|2=1-α。在六个反射声与直达声的相位相同的假定下，得到A点附近与自由声场的最大误差，如式（2）所示。

工程上，一般将试验件放置于距离吸声面半个波长以上的位置，即可忽略一次反射的声波影响。根据消声室截止频率f，计算出响应范围内的最大波长值λ。为节约造价成本，将试验件放置于消声室的一角，距两墙距离大于λ/2的位置，消声室尺寸应为（L+λ）/2。其尺寸示意图如图1（粗框）所示。

同时，由于风扇噪声具有明确的指向性，在发动机工作过程中，各部分产生噪声均有指向性。对于风扇噪声辐射的指向性,在发动机进口角大于150°，噪声级较小；噪声级大的区间是发动机进口角30°～130°。

根据此噪声指向性测试范围的要求，为保证大于90°时的噪声依旧能够被准确地测量到，消声室形状为异形，如图2所示。

图1 消声室示意

图2 风扇气动声学消声室的形状示意图

3 风扇气动声学消声室设计

（1）消声室尖劈选型。消声室内吸声方式有多孔性吸声材料、薄层多孔性材料的共振吸声、尖劈状吸声结构等。通常采用尖劈状吸声结构，其结构如图3所示。尖劈尖部长度为L1，基部长度为L2，尖劈体总长度为L=L1+L2，尖劈底与刚性面的空腔深度为D2。尖劈的吸声特性与L和L1/L2相关，L越长，尖劈的低频吸声性能越好。当尖劈的尺寸固定时，改变材料的密度可以得到一个最佳的吸声系数频率曲线。选定一个密度值后，改变L1与L2的比例，可以得到一个最佳值。空腔与尖劈基部形成了一个共振吸声区，调节空腔深度D2，使共振频率位置恰当，可以有效提高尖劈结构的低频吸声特性。

截止频率略低于相应吸声结构全长（L1+L2+D2），为四分之一波长的频率。

（2）消声室隔声设计。消声室是为噪声测试提供自由声场环境，同时，保证本被测声源信号不受环境噪声的干扰，因此，除了要消除室内界面反射声的影响外，还要消除外界噪声的影响。消声室必须进行隔声设计，以保证消声室的墙、屋顶有足够的隔声量，以消除外界空气噪声的干扰。

首先，根据使用要求，确定消声室内允许的本地噪声。背景噪声的确定主要依据被试声源的声压级水平确定，在测试频率范围内，背景噪声的声压级至少要比被测声源的声压级低6dB，最好低12dB。一般认为，背景噪声比被测声源噪声低20dB以上，测试结果就可不进行修正。在设计时，要充分估计被测噪声的大小，特别是可能遇到的最低声压级的大小来确定允许本底噪声。隔声设计包含墙厚、屋顶厚设计，隔声门的设计和选取，穿墙洞的隔声处理等设计工作。消声室需采用隔声设计，以保证本底噪声的要求。对于单层混凝土墙，其临界频率很低，透射损失低于质量定律的估计值。这时，对于较厚重的墙面，密度为mskg/平方米，其透射损失可以使用经验公式（2）来估计。