基于传声器阵列的低速空腔噪声控制试验研究

2022-03-18马瑞轩李征初宋玉宝王勋年

振动与冲击 2022年5期

马瑞轩，李征初，宋玉宝，王勋年

(1. 中国空气动力研究与发展中心气动噪声控制重点实验室，四川绵阳 621000；2. 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室，四川绵阳 621000)

空腔结构广泛存在于航空航天工程中，如飞行器的内埋式弹舱、起落架舱和部件之间的缝隙。当气流流经空腔时，会产生剧烈的压力脉动和噪声并伴随着强烈的振荡现象，使结构承受额外的非定常载荷，造成飞行器结构的振动和疲劳，损坏舱内电子元件，影响飞行器的安全。再者由于飞行器飞行过程中有时候需要向外投射有效内埋载荷，而腔口的剪切层不稳定，处于周期性脉动的状态，所以内埋有效载荷向外投射穿越剪切层时，会受到方向时刻变化的法向力矩对其运动轨迹造成“颠覆性”的变化，使内埋有效载荷在机身分离后有可能又飞向机身，造成灾难性的后果。因此从20世纪50年代以来，在航空航天领域，空腔流动一直就是一个重要的研究课题[1-3]。

近年来，典型空腔流动的非定常特性问题得到人们越来越多的关注[4-7]，国内外学者开展了大量的空腔振荡的流动机理与控制研究。空腔外形看似简单，但其中包含的流动现象却极其丰富同时又非常复杂。剪切层之间的相互作用以及剪切层与空腔壁面的相互作用会引起一系列复杂的流动现象，包括剪切层不稳定性、边界层分离、旋涡运动、声辐射、激波/膨胀波和激波边界层相互干扰等[8-9]。随着人们对空腔流动特性和流场结构认识不断深入，空腔噪声特性与降噪方法逐渐成为了一个争相研究的热点。Schemit等[10]采用改变空腔流动形态的方法系统的开展了抑制空腔流动噪声的研究。Zhuang等[11]采用零质量微射流方法降低空腔噪声，并且通过试验验证噪声得到了有效抑制。杨党国等[12-15]通过数值模拟和风洞试验对空腔流动噪声做了系统的研究，建立了空腔风洞试验标模，发展了一系列可用于实际型号的抑制空腔噪声的方法。余培汛等[16]通过改变来流剪切层形态有效的抑制了空腔中的气动噪声。其中最具工程意义的方法就是通过在空腔前后缘加装锯齿版和阻挡板等扰流装置的方式，改变剪切层的形态，从而降低空腔噪声。Schmit等[17-19]发现在前缘安装锯齿版和阻挡板可以抬高剪切层的位置，减弱剪切层与空腔后壁面的撞击，从而达到降噪的目的。Thangamani等[20]通过在空腔前后缘安装阻挡板、锯齿版和方齿板等措施开展了亚声速空腔降噪研究，试验结果表明：锯齿板降噪效果最好。Thangamani等[21-23]发现在空腔前缘安装锯齿板可以有效地改变空腔上方剪切层的高度并破坏空腔自持振荡的循环机制。Panickar等[24-25]通过在空腔前缘安装圆柱，有效的降低了空腔噪声。Dudley等[26-28]指出前缘圆柱可以有效抬高剪切层的位置并增加其厚度和稳定性，有效减弱与后壁相撞的作用力。

目前绝大多数空腔降噪都是通过测量空腔壁面脉动压力或者远场噪声验证降噪措施的有效性，而缺乏对空腔气动噪声源的直接测量。置于空腔内壁面的压力传感器测量的只是空腔壁面的压力脉动，并不等同于空腔流动近场的噪声。事实上，空腔近场流动极其复杂，其脉动成分除了声波还有涡波(超声速时还有熵波)等非声成分。只有到了远场，其脉动成分就只有声波。因此放置于远场的阵列接受到的就只有声信号。我们可根据远场测量结果，反推近场声源的空间分布和强度大小。而且相比于压力传感器，阵列测量不会对近场流动造成任何影响。在降噪研究中，我们可以通过阵列进行噪声源定位，使得降噪工作更加有针对性。其次通过阵列又可以对降噪效果进行直接评估，进一步优化降噪措施。

本文以大型飞机的起落架轮毂腔、高速列车的车轮舱以及汽车天窗等低速空腔噪声控制为应用背景，基于相位传声器阵列，在声学风洞中直接测量空腔噪声源分布特性，进一步给出了一种评估气动声源强度的方法。并且通过在空腔前后缘加装锯齿板和阻挡板的方法改变空腔前后缘的流动方式，探索空腔噪声的抑制策略。

1 试验装置及数据处理

1.1 试验设备

试验在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)的FL-17y航空声学风洞(如图1所示)开口试验段(如图2所示)中进行，试验段喷口尺寸为0.55 m×0.4 m。FL-17y声学风洞是一座连续式单回流低速风洞，具有开口、闭口两个试验段，其中开口试验段长1.5 m。如图2所示开口试验段外配置一个长3.7 m，宽5.5 m，高4 m的全消声室，消声室截止频率为100 Hz，主要用于声学测量。进行声学试验时，最大风速可达到100 m/s；模型区轴向静压梯度低于0.005；背景噪声小于 75.6 dB(A) (开口试验段来流风速80 m/s，气流轴线中心外2 m处测量)。

图1 风洞整体结构

图2 开口试验段及消声室

1.2 试验模型

如图3所示，试验模型采用嵌入式安装方法。将162.2 mm(长)×72.6 mm(宽)×25.3 mm(深)的三维空腔模型嵌入到平板之中，保证空腔开口表面与平板上表面齐平。空腔位于平板中央，空腔前内壁距离平板前缘104.4 mm，空腔后内壁距离平板尾缘233.4 mm，空腔左右内壁距离平板边缘163.7 mm。为了真实模拟空腔来流条件，在平板前缘距离空腔前缘40 mm的位置加装10 mm宽的转戾带。平板通过上下两块端板固连于风洞喷口。

图3 试验模型在风洞中的安装

1.3 测量设备与数据处理

试验中采用40通道的多臂螺旋型的相位传声器阵列进行噪声源分布的测量，阵列直径为720 mm，阵列上所有传声器都被风罩遮挡以减少消声室内空气压力脉动的影响。沿风洞流向安装阵列，阵列所在的平面与平板平行，距离为750 mm，具体见图3。阵列的扫描平面为平板所在的平面。采用G.R.A.S公司生产的46AE型传声器作为声压感应元件，其主要技术指标如表1所示。采用NI公司的数据采集卡，采样频率为48 kHz，有效采样点个数为409 600。数据处理时采样点分成100个数据块，每个数据块的采样点个数为4 096，这样得到的频谱曲线的频率间隔约为12 Hz。声源成像采用基于CLEAN-SC的波束成形技术[29-31]。从所得到的声源分布结果可以识别某一频率下主要声源的位置。根据声源的发声位置，就可采用相应的控制措施降低空腔噪声。为了更好的评价不同措施降噪效果，我们对声源扫描面上的噪声定位结果在空腔面内进行能量积分，即可得到某一特定频率f下声源强度的度量，即

(1)

表1 G.R.A.S 46AE型传声器的主要技术指标

式中：Es表征空腔噪声源强度，单位为dB；Ω表示扫描平面上空腔水平面区域：162.2 mm(长)×72.6 mm(宽)，|Ω|表示声源区域的面积；PSD是波束成形算法得到的扫描平面固定点上的能量谱密度，pref是参考声压，一般取2×10-5Pa。然后在整个频段上做三分之一倍频程分析，并且进行A计权修正。

2 试验结果及分析

本文主要通过改变空腔前后缘流动方式的方法降低空腔噪声，具体采用在空腔前后缘安装锯齿板和阻挡板的方式。锯齿板几何参数如图4所示，研究中共选取三种不同外形的锯齿板，其中锯齿板长度L=72 mm和高度H=6 mm保持不变，锯齿之间夹角分别取α=30°，53°，90°。锯齿板在空腔前后缘有两种安装方式，分为沿来流方向安装和垂直流向安装。阻挡板外形如图5所示，长度L=72 mm，高度H有五种不同的规格分别为3 mm, 5 mm, 7 mm, 9 mm, 11 mm，垂直来流方向安装于空腔前后缘。在后缘安装时，距离后缘的距离D分别为：0 mm，1 mm，3 mm，5 mm，7 mm；在前缘安装时与前缘齐平。试验时，锯齿板和阻挡板在空腔前后缘的具体安装方式如图6所示。

图4 锯齿板示意图

图5 阻挡板示意图

(a) 沿流向安装在前缘(实物图)

2.1 相位传声器阵列声源分布测量结果验证

通过以下方法考察试验中所用相位传声器阵列及数据处理方法对噪声源分布测量的有效性。将一单频“点声源”(发声单元的直径约为6 mm)分别放在空腔的前后缘，在没有风洞来流的情况下进行了声源分布测量。图7为声源发声频率为5 kHz时的相位传声器阵列测量结果，显示的动态范围为10 dB。结果显示：试验中所用的相位传声器阵列及数据处理方法准确的给出了噪声源在空腔中的具体分布，且没有出现其他次级虚假声源，证明了CLEAN-SC算法对主瓣优秀的分辨水平和出色的抑制旁瓣的能力。下面我们给出试验中具有典型意义的结果。为了方便比较各种降噪措施的优劣，以不加装任何降噪措施时的声源强度结果作为基准，然后给出采取降噪措施与基准状态时声源强度的差值。

(a) 空腔前缘

2.2 空腔前后缘安装锯齿板降噪效果

试验时来流速度为40 m/s。首先将锯齿板安装在空腔前缘。图8给出了锯齿板分别与风洞来流垂直和平行安装时的噪声控制结果。可以看到锯齿板沿流向安装时比垂直流向安装时的噪声控制效果更明显，而且锯齿角度α越小，即锯齿越密，噪声抑制效果越明显。α=30°时，在2.5 kHz频率处噪声可降低3.7 dB，在1～4 kHz中频宽带上噪声平均降低2.1 dB。沿流向安装时，α=30°时锯齿板没有达到降噪的效果，其他两种夹角的锯齿板对噪声的抑制也不明显。

(a) 锯齿板沿流向安装在前缘

图9为锯齿板安装在空腔后缘时的噪声控制结果。可以看到，锯齿板安装后缘，无论是沿流向安装还是垂直流向安装，相对于无任何抑制措施的空腔流动，噪声都有不同程度的增加，因此这种锯齿板的安装方式不适用空腔噪声的抑制。

(a) 锯齿板沿流向安装在后缘

图10为在空腔前缘沿流向安装α=30°的锯齿板时，频率2.5 kHz时的空腔噪声源分布。该频率下噪声主要来自于剪切层中的不稳定涡撞击空腔后缘所产生的固壁干扰噪声，可看到锯齿板对噪声的抑制效果极其明显。

(a) 未安装锯齿板

综上可见，在空腔前缘沿来流方向安装锯齿版时，可以有效抑空腔剪切层形成大涡结构，减弱剪切层与空腔后壁面的相互作用，进而降低噪声，而且锯齿越密，对涡结构的破碎作用越明显。安装在后缘时，会增加剪切层与后壁面的碰撞面积，从而增加噪声。

2.3 阻挡板减噪效果

考虑到试验中安装在前缘的阻挡板会产生明显的自噪声，强度高于空腔本身噪声，下面我们主要给出安装在后缘时的结果。阻挡板安装在后缘，其目的是为了降低来流撞击到空腔后缘上的速度，从而达到抑制后缘的涡固干扰噪声。

首先考虑阻挡板紧贴后缘安装，即与后缘的流向距离D=0，改变阻挡板的高度H；然后选取固定高度为9 mm的挡板，沿流向分别布置在距离空腔后缘5个不同的位置。图11为测得的噪声控制结果。可以看出，在紧贴后缘安装时，几乎所有高度的阻挡板都不会降低空腔噪声，反而有明显增加。随着阻挡板的位置离后缘距离的增加，噪声抑制效果越明显，在1.25～4 kHz范围内降噪效果较好。其他频率区域噪声有所增加。在低频段增加的噪声主要是由阻挡板自身绕流产生[32]。空气流过阻挡板时发生流动分离，在其后方形成卡门涡街，因此所增加的噪声主要集中在1 kHz以下的低频段。在高频段，增加的噪声与空腔内部形成从尾缘所抛出的大涡结构撞击阻挡板有关，主要表现为湍流宽频噪声。