直升机金属加筋板阻尼减振降噪仿真研究

2023-04-11王风娇

直升机技术 2023年1期

李翱,陈浩,王风娇

(中国直升机设计研究所,江西景德镇 333001)

0 引言

直升机舱内噪声环境恶劣,严重影响乘员安全性和舒适度,需采取措施进行控制[1-2]。直升机舱内噪声源众多,其中主减速器齿轮啮合频率及其谐波振动会通过主减速器支撑结构传递到舱壁,激励机体结构振动,并向舱内辐射噪声,形成舱内主减速器结构声[3]。该部分噪声频率一般位于500～2000 Hz,是人耳敏感频率范围,且噪声幅值高,逐渐成为制约直升机舱内舒适度的关键因素。

目前,汽车、轻轨、船舶等行业广泛采用阻尼减振降噪技术进行结构声振控制[4,5],但对于直升机机身壁板结构,很少有文献研究阻尼对其结构声的控制效果,更缺乏中高频结构声的相关研究。因此,为了给直升机舱内降噪提供有效途径,本文尝试以直升机常见壁板构型——金属加筋板为研究对象,选用减振效果更好的约束阻尼层[6]进行阻尼减振降噪性能研究。

首先基于声振耦合理论建立了加筋板及其阻尼构件的声振耦合有限元分析模型;随后采用直接声振响应法进行仿真计算;通过与试验结果进行对比,初步验证了本文仿真方法的可信度。在此基础上,分析了约束阻尼的减振降噪效果以验证阻振降噪方案的有效性,同时分别讨论了阻尼层和约束层厚度对结构声振响应的影响,为后续阻尼有效降噪及优化设计提供依据。

1 声振耦合基本理论

根据有限元法,加筋板结构可简化等效为多自由度系统,则结构的强迫振动方程为:

(1)

进一步将声腔离散化,得到声腔声场的动力学方程为:

(2)

式中,Mf为流体等效质量矩阵,Cf为流体等效阻尼矩阵,Kf为流体等效刚度矩阵,p为节点压力向量。

在声腔与结构的耦合面上,考虑声波对结构的声压载荷,此时结构的动力学方程为:

(3)

其中,Kc为耦合刚度矩阵。

此外,在声振耦合处结构振动通过耦合界面传递至声腔,致使声腔内流体运动产生噪声。此时考虑结构对声场的作用力,声腔声场的动力学方程为[7]:

(4)

结合式(3)和(4),可得声振耦合有限元方程:

(5)

求解上述方程可得到结构位移及声场声压。

2 结构声振响应仿真建模

常见的直升机加筋板三维模型如图1(a)所示,包括蒙皮和Z型加强筋(通过铆钉连接),可在蒙皮内表面(筋条除外)粘贴约束阻尼层(灰色部分)进行减振降噪。其中,蒙皮、筋条和约束阻尼层的材料参数见表1;蒙皮尺寸为500×500 mm2,厚度为1 mm;加强筋截面尺寸如图1(b)所示,厚度为1.2 mm,数量为5,安装间隔为85 mm;约束阻尼层中约束层为0.7 mm的铝,阻尼层为1 mm的丁腈橡胶,其损耗因子随频率的变化如图2所示。

表1 材料参数

图1 加筋板阻尼构件三维实体图

图2 阻尼的损耗因子随频率的变化曲线

为了分析上述加筋板结构的声振特性,将其固定在一个消声箱上,声腔体积为500×500×578 mm3,声腔外围具有20 mm厚的PET吸声棉。根据有限元法得到加筋板结构声振响应仿真分析模型如图3所示。

图3 加筋板辐射噪声模型

其中,结构网格采用shell单元进行建模,单元尺寸11.3 mm;结构网格映射得到三维声腔网格,声腔中的空气密度1.55 kg/m3,声速为340 m/s;声腔网格外围建立三维PET吸声棉网格,PET棉的静流阻率为14065 Pa·s/m2,孔隙率为0.9572,曲折度为1.005,粘特性因子长度为0.103 mm,热特性因子长度为0.093 mm。加筋板自由边的三个位移方向约束。值得注意的是,约束阻尼层的阻尼层采用实体单元进行建模,约束层则采用shell单元建模。

基于上述模型,分析结构振动激励位置(图4)至结构表面一点(图5)的中高频振动传递特性,以及至声腔内部一点(图6)的中高频噪声传递特性。

图4 激励位置

图5 加速度测点位置

图6 噪声测点位置

3 仿真方法初步验证

本文的仿真计算模型是基于文献[4]中的阻尼板辐射噪声测试台进行构建的。加筋板阻尼构件的仿真与试验结果对比如图7和图8所示。从图中可以发现结构加速度和辐射噪声响应的仿真结果与试验吻合良好,且相关系数分别为0.7和0.72,属于强相关,从而初步验证了本文仿真方法的可信度。因此,可以基于本文仿真模型探讨阻尼对结构中高频声振响应的影响,为后续阻尼有效降噪及优化设计提供依据。

图7 加速度仿真与测试结果对比

图8 辐射噪声仿真与测试结果对比

4 计算结果

本文分析频率为500～2000 Hz的中高频。为便于分析约束阻尼层对加筋板结构振动及辐射噪声的影响,采用振动传递函数VTF(Vibration Transfer Function)和噪声传递函数NTF(Noise Transfer Function)进行分析。VTF和NTF分别代表单位力激励下结构测点上的加速度水平和声腔内部测点处的声压水平。同时给出1/3倍频程,以直观地显示有无阻尼时加筋板振动和噪声能量在各频段的变化情况。

4.1 阻尼对加筋板声振响应的影响

附加约束阻尼层前后,加筋板激励位置至结构表面的VTF变化情况如图9(a)所示。可发现增加约束阻尼后,加筋板的加速度显著衰减,即加筋板的振动得到有效抑制。图9(b)给出了加速度在各频段的变化情况。增加阻尼后,结构的振动能量被约束阻尼有效吸收,各频段上的结构加速度平均衰减76%。

图9 加筋板有无阻尼时的VTF对比

有无阻尼时,计算所得加筋板激励位置至声腔的NTF变化情况如图10(a)所示。

图10 加筋板有无阻尼时的NTF对比

增加约束阻尼后,除在1300 Hz附近声压出现放大以外,其余频点声压整体上呈降低趋势,加筋板的辐射噪声同样得到有效抑制。图10(b)给出了声压在各频段的变化情况。增加阻尼后各频段上的结构辐射噪声能量同样被约束阻尼有效吸收,声压平均降低9.2 dB,总声压级降低10.4 dB。

以上对比分析,初步验证了约束阻尼对加筋板结构的中高频减振降噪的有效性。

4.2 约束阻尼结构参数影响

由于直升机重量敏感性,为方便后续降噪设计,分别分析约束阻尼中阻尼层和约束层的厚度对加筋板声振响应的影响

4.2.1 阻尼层厚度

保持约束层与基板不变,分析阻尼层厚度对加筋板声振响应的影响。

图11给出了不同阻尼层厚度下,加筋板中心位置的加速度变化情况。随着阻尼厚度的增加,加速度逐渐减小,且频率越高,衰减越大。这是因为阻尼越厚,克服剪切力做功消耗的结构振动能量越多。从图12中可发现,随着阻尼层厚度的增加,加筋板在声腔中的辐射噪声降低。但与结构加速度不同的是,结构辐射噪声在中心频点为1250 Hz和1600 Hz的频段上没有出现明显降低,即增加阻尼层厚度并不能保证在所有频段上产生良好的降噪效果,还可能会带来附加重量。

图11 阻尼层厚度对测点加速度的影响

图12 阻尼层厚度对测点辐射噪声的影响

4.2.2 约束层厚度

保持阻尼层与基板不变,分析约束层厚度对加筋板声振响应的影响。

从图13中可以发现,随着约束层厚度增加,结构加速度没有呈现明显变化的规律,结构振动衰减主要集中在中心频点为1250 Hz和1600 Hz的频段上,约束阻尼的减振性能随着约束层厚度的增加而提高。但图14中结构辐射噪声随约束层厚度变化的规律则与之相反:加速度增大,辐射噪声则降低;加速度减小,辐射噪声则增大。这是因为当阻尼层厚度恒定时,耗能基本维持不变,由于能量守恒,所以结构振动能量增大时,辐射噪声能量减小,反之亦然。在630～1000 Hz之间,约束阻尼的降噪性能随着约束层厚度的增加而显著提高。