直升机舱室声学超材料壁板的低频隔声性能分析

窦玲玲，米永振，黄斌根，郑 辉

（1.上海交通大学 振动、冲击、噪声研究所，上海200240；2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇333001）

直升机舱室噪声由机械噪声和气动噪声构成[1]，过高的舱室噪声使驾乘人员及直升机各组件始终处于周而复始的恶劣环境，不仅危害驾乘人员的身心健康，影响工作效率，其诱发的结构振动与声疲劳还可能严重影响直升机结构健康，造成仪器失灵、武器命中率降低等。特别是由于旋翼旋转及传动装置工作产生的低频噪声，频率集中于20 Hz～600 Hz，更加难以控制。

早在上世纪中叶，国内外在直升机舱内噪声产生机理、载荷传递路径、声强分布等方面投入大量研究，并提出了一系列行之有效的降噪方法。传统的舱内降噪手段包括被动降噪和主动降噪，其中被动降噪可通过改善噪声源降低舱内噪声，如采用阻尼性能优良的减振缓冲器作为发动机支座以衰减振动传递或通过设计桨尖形状以减少旋翼噪声[2-3]。如招启军[3]比较了矩形桨叶、常后掠桨尖的桨叶及CLOR桨尖气动外形的桨叶三种模型桨叶对直升机旋翼气动噪声的影响，结果表明CLOR 桨尖旋翼具有良好的噪声特性。此外，被动降噪也可通过优化噪声传递路径达到旋翼气动噪声向舱室透射的目的，如在机身壁板与内饰板间安放阻尼垫[4]或动态吸振器[5]。Navaneethan[6]比较了机身单板和双板结构附加阻尼前后的舱内噪声特性，并对声透射损失做了理论研究；虞汉文等[7]以某型直升机为研究对象，将飞行噪声数据作为输入，分析不同约束阻尼材料、吸音棉及装饰板组合下的舱内噪声，达到实验室条件下6 dB的降噪效果。随着舱内噪声研究的深入，传统的被动降噪逐渐向主动降噪过渡，成功应用到型号上并取得良好效果，但主动降噪技术仍处于发展阶段，尚存在稳定性问题。

传统降噪方法可有效降低舱室内中、高频噪声，而对低频噪声控制效果相对较差。声学超材料因其在带隙内对弹性波的强烈衰减而有望成为低频振动与噪声控制的理想材料。声学超材料的研究源于局域共振声子晶体，自Liu 等[8]首次突破Bragg 限制条件，制备出带隙频率对应的波长远大于晶格常数的三维三组元局域共振型声子晶体以来，越来越多的研究者对局域共振效应及其隔声性能展开研究。通常，局域共振型声学超材料是通过在基体结构上周期附加局域共振单元实现的。Xiao等[9]分析了均匀薄板附加周期振子后的声透射损失，并揭示了低频吻合效应；Claeys 等[10]研究了声学超材料板在带隙内的声辐射效率，并通过操控声学超材料频散曲线来改善低频吻合。此外，声学超材料良好的低频抑振隔声特性使其成功应用于封闭声腔内部降噪问题。Jung等[11]通过在汽车仪表盘上敷设声学超材料降低驾驶室内司机耳旁噪声，并通过试验验证了仿真结果的正确性；胡计雨[12]针对车内驾驶员右耳处噪声响应峰值频率设计了一种声学超材料板，研究其结构、材料参数对带隙频率的影响。声学超材料的禁带特性使直升机舱内低频噪声控制成为可能。

本文基于有限元法，建立了直升机舱室蒙皮及其声学超材料内饰板构成的双层简化模型，分析平面波入射激励下声学超材料对该结构1 kHz以下频段声透射损失的影响，并研究了局域振子质量、层间结构对舱室壁板双层结构隔声性能的调控规律，为以降低直升机舱室噪声水平为目标的声学超材料壁板设计提供依据。

1 舱室声学超材料壁板有限元模型的建立

直升机舱室机身多由外部蒙皮及内部内饰板构成，中间分布纵横交错的加强筋，其隔声能力直接影响舱内噪声水平。如图1所示。将直升机舱室壁板简化为双层平板结构。平板尺寸为200 mm×400 mm，层间距为6 mm，横向筋和纵向筋个数分别为4和7，高度分别为3 mm 和6 mm，结构厚度为1 mm。附加的周期振子以线性弹簧和集中质量模拟。

图1 直升机舱室声学超材料壁板结构

图2为前期实验测定的乘员舱中段右侧坐姿耳位噪声频谱，其中A频率21.23 Hz为旋翼1阶通过频率，B频率84.43 Hz 为尾桨1 阶通过频率，C、D为旋翼主减速器齿轮转动频率。这里将峰值频率512.4 Hz设计为局域共振单元的共振频率f。振子总质量约束为不超过基体结构质量的20%，弹簧刚度由公式k=m(2πf)2确定，振子数目为88，周期均匀地分布于内饰板上。直升机舱室声学超材料壁板材料为铝合金，蒙皮四边简支约束，并受到平面波激励。具体的结构材料参数、弹簧振子参数见表1。

图2 乘员舱中段右侧坐姿耳位噪声频谱

直升机舱室声学超材料壁板结构采用四节点四边形壳单元划分，网格大小为5 mm，针对内部加强筋等局部结构适当增加网格细分。最终建立的有限元模型单元数量为9 040，节点数目为9 079，如图3所示。

表1 结构材料及弹簧振子参数

图3 舱室壁板有限元模型

根据文献[13]阐述的构件声透射理论，透射侧半无限大流体介质中固定场点的声压为

式中：r为场点位置矢量，rn为平板上法向振速为vn的节点的位置矢量，ρ为流体密度，k为声波波数，p(rn)为rn处声压，vn(rn)为rn处的法向振速。

平板振动向半无限大流体介质辐射的声功率：

其中：vn*(rn)为rn处法向振速vn(rn)的共轭。

当平面波以入射角φ、单位幅值向蒙皮入射，入射声功率为

式中：S为蒙皮面积，c为声波速度。则双层平板结构的声透射损失为

如图1所示，在蒙皮外侧定义平面波激励条件，内饰板上设置瑞利积分面，计算声学超材料敷设后双层结构的声透射损失变化。

2 舱室声学超材料壁板的低频隔声性能

2.1 基本规律分析

为改善直升机舱室壁板的低频隔声性能，在内饰板上周期均匀布置局域共振单元。本节首先探究局域振子质量、层间结构对其低频隔声性能的调控规律。

图4为分别具有普通内饰板和声学超材料内饰板的直升机舱室壁板的声透射损失对比，其中平面波入射声压幅值为1 Pa，入射角φ为30°，方位角θ为0°。由图可知，相比具有普通内饰板的壁板结构，声学超材料壁板的声透射损失在380 Hz～620 Hz频率范围内形成较宽带隙，带隙内声透射损失显著提高。对于双层平板结构，声透射是一个从入射声波到上板（蒙皮）、经由中间加强筋结构至下板（内饰板）、再由下板辐射声波的过程。由于下板声学超材料的引入，其带隙内弹性波的传播受到抑制，通过中间加强筋结构牵连整体结构振动位移减小，因而向另一侧半无限大流体介质中辐射的声功率减小，使带隙内声透射损失显著提高。

图4 声学超材料对壁板声透射损失的影响

直升机舱室声学超材料壁板的低频隔声性能受边界条件、局域振子参数及结构参数多参数调控，以下从局域振子质量及层间结构两个方面着手，分析声学超材料壁板的低频隔声性能调控规律。

2.2 局域振子质量

声学超材料壁板的低频带隙特性受局域振子质量、弹簧刚度、局域振子数目等多个参数共同调控，其中局域振子质量对带隙的调控占主导，且直升机舱内降噪对附加质量具有较大约束。图5为声学超材料壁板的声透射损失随局域振子总质量增加的变化趋势，其中m代表局域振子总质量，M代表直升机舱室壁板质量。当局域振子总质量分别为结构质量的20%、50%及100%时，声学超材料壁板的声透射损失在带隙内均显著提高。当m=0.2M时，带隙频率范围为380 Hz～620 Hz；当m=0.5M时，带隙频率范围扩大至300 Hz～630 Hz；当m=M时，带隙频率范围进一步扩大至230 Hz～635 Hz。随着局域振子质量的增大，带隙宽度明显拓宽，且结构的整体质量增加，模态频率进一步降低，导致带隙中心频率稍向低频移动。

此外，带隙内声透射损失大小随局域振子质量的增加进一步提高。一方面，局域振子的周期排布使内饰板等效面密度增加，而结构的隔声性能与其等效面密度大小呈正相关[13]。局域振子质量增加提高了内饰板的等效面密度，并进一步提高了带隙内结构的隔声性能。另一方面，研究表明，局域共振效应与局域振子质量和结构质量间的比值密切相关[14]：在一定范围内，局域振子与基体结构间的质量比越大，局域共振效应越明显。当弹性波在基体内部传播时，附加质量越大的局域振子振动越剧烈，弹性波产生的能量被局域振子更多地吸收，产生的局域共振效应更加显著，由此产生带隙拓宽，带隙内声透射损失增加的现象。

图5 局域振子质量对结构声透射损失的影响

因此，在质量约束允许的范围内，可适当增加附加质量提高带隙内隔声特性，并保证局域振子在各个方向具有足够的数量，确保其周期性排布。

2.3 层间结构

声学超材料壁板的低频隔声性能还受结构本身的尺寸参数影响，因此本节进一步分析层间纵向加强筋个数N对结构声透射损失的影响。如图6所示，随着纵向加强筋数目N增加，声学超材料壁板的声透射损失呈现带隙内显著增大，其余频率无明显变化的一般规律。在0～380 Hz 频率范围内，直升机声学超材料壁板结构处于质量控制区，结构隔声性能主要取决于结构面密度。随着纵向加强筋数目增加，基体结构及声学超材料参数本身没有发生变化，结构面密度保持定值，结构声透射损失无明显变化。在380 Hz～620 Hz 的带隙范围内，声学超材料壁板结构的声透射损失主要受局域共振效应控制。当纵向加强筋个数增加时，蒙皮刚度增加，声学超材料壁板结构的整体刚度增加，受到平面波激励产生的受迫振动减弱，因而向半无限大流体介质辐射的声功率减小，声透射损失得到一定程度的提高。在局域振子共振频率附近，结构刚度的增加拓宽了带隙宽度，对带隙中心频率无明显影响。

图6 纵向加强筋数目对结构声透射损失的影响

此外，局域共振效应与基体结构和局域振子间的刚度比相关。当基体结构较“软”，与弹簧刚度相比很小时，此时的局域共振模型发生变化，基体结构由质量元逐步转化为弹簧元，严重影响局域共振效应。当弹簧刚度较小时，局域振子存在承载问题。在带隙后，声学超材料壁板结构的声透射损失出现不同程度的隔声低谷，结构转向刚度控制区，声透射损失差异较大。

3 结语

本文基于有限元法，建立了以声学超材料为内饰的直升机舱室双层壁板的声透射损失（STL）计算模型，研究了平面波入射激励下双层壁板结构的低于1 kHz 低频隔声性能，并对局域振子质量及层间结构进行变参数分析，阐明了声学超材料内饰对双层壁板的低频隔声性能调控规律。仿真计算结果表明：局域共振声学超材料内饰形成的380 Hz～620 Hz频率范围内的宽低频带隙，能有效提高舱室壁板的声透射损失，且结构的低频隔声性能受局域振子质量及层间结构参数共同调控。局域振子质量的增加能提高结构等效面密度，促进弹性波能量向局域振子传递，从而拓宽带隙宽度，提高局域共振效应；纵向加强筋有利于增强结构整体刚度，减小结构受迫振动响应，提高带隙内结构的声透射损失。