CN112487562B - 一种基于二次剩余序列的宽频吸声结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二次剩余序列的宽频吸声结构设计方法，该方法利用二次剩余序列选取工作频率，对吸声单胞进行结构参数调节，建立耦合结构，从而达到宽频吸声的目的。仿真结果表明，本发明能使得200‑1200Hz频域范围内平均吸声率为0.56，亦即全频域范围内噪音减少超过一半。与现有的线性序列相比，本发明不仅吸声峰值高，且吸声频带更宽。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机降噪吸声技术领域，具体涉及一种基于二次剩余序列的宽频吸声结构设计方法。
背景技术
作战飞机起飞和降落时发出的噪声会对基地内作战人员的身心健康产生慢性伤害，引发情绪低落、失眠、耳聋等症状，甚至会缩短寿命，严重影响战斗力。随着国产远程打击飞机、预警机、反潜巡逻机和战略运输机的陆续服役，大空域长时间巡航的任务逐渐增多，长时飞行过程中发动机噪音对驾驶员和其他机载人员精神和生理健康的威胁日益严重。因此降低飞机工作噪音污染对于长时间维持机载人员的工作效率具有重要意义，同时降低噪声也是为了适应军机提高抗声疲劳及声隐身性能的需要，对我国空军的发展有着重大的战略意义。
航空发动机噪声主要包括风扇噪声、核心机噪声以及喷流噪声。随着发动机涵道比的增加，喷流速度逐渐降低，喷流噪声所占的比重也越来越小，风扇噪声已经成为现代大涵道比涡扇发动机最主要的噪声源。对于打击飞机采用的中小涵道比涡扇发动机，风扇涡轮和燃烧室分别产生的风扇旋转噪声和燃烧噪声仍是发动机噪音的主要来源。发动机舱内铺设声衬是目前最有效的噪声控制方法。声衬技术采用诸如穿孔板加上空腔的特殊结构或者多孔性纤维材料作为航空发动机等流体机械的衬体，增加航空发动机内部的声阻抗[1]，将声能转化为流体的动能，再转化为热能而扩散至周围环境实现声音的减弱或消除。
超材料/超表面技术是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，是近年来提出的一种新型材料/结构设计和分析技术。声学超材料/超表面可呈现出很多超常的声学性质，诸如声负折射、声隐身、声聚焦等，易于实现较低频带的消声。超表面可视为具有特异性能的二维结构，其厚度具有小于声波长的亚波长结构特征尺寸，为新一代声衬结构的消声设计提供了新的思路。
诸如穿孔板等传统声衬结构，其不可调均匀结构和直通空气背腔的固有特性决定了其较窄的吸声频带和羸弱的低频插入损失，同时穿孔板结构厚度与工作频率的波长相当，进一步阻碍了其在低频降噪领域的应用前景。另外，传统的微穿孔板蜂窝声衬结构对于不同方向的入射声波吸声效率和吸声频率等差别巨大，导致在声衬结构及覆盖面积的设计中必须综合考虑流体机械的设计，进一步增加了声衬结构的设计难度。另外，虽然近年来，基于声学超材料的吸声体的研究层出不穷，例如，薄膜共振器以及亥姆霍兹共振器等，都可以获得良好的亚波长低频吸声效果，但吸声频带较窄。所以发展结构厚度小的宽频吸声结构十分重要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于二次剩余序列的宽频吸声结构设计方法，该方法首次将二次剩余序列运用于宽频吸声设计，采用二次剩余序列选取工作频率，通过调节吸声单胞的几何参数，按照序列排列吸声单胞达到宽频吸声的目的。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于二次剩余序列的宽频吸声结构设计方法，该方法通过选取声波的工作频率，针对所选取的声波工作频率调节吸声单胞的结构几何参数，获得在不同单一工作频率下吸声性能良好的吸声单胞，最后通过二次剩余序列排列这些单胞得到耦合结构达到宽频吸声的目的。
本发明进一步的改进在于，该方法具体包括以下步骤：
1)设定声波工作频率的上、下限分别为fmax和fmin，利用二次剩余序列Sn＝n2moduloN选取声波的工作频率，采用N个吸声单胞排列组成宽频吸声结构，则第n个单胞的工作频率为：
通过此方法得到该频域范围内的工作频率序列；
2)通过研究所选取工作频率下吸声单胞的特性，选取吸声系数峰值所对应的几何结构参数为该工作频率下的吸声单胞结构参数，吸声单胞的材料为绝对声学刚性；
3)按照二次剩余序列排列上述设计的吸声单胞，得到宽频吸声结构。
本发明进一步的改进在于，吸声单胞的材料选用金属材料6061铝。
本发明进一步的改进在于，声波工作频率的上限fmax、下限fmin分别为1200Hz、200Hz。
本发明进一步的改进在于，N＝5时，Sn＝{0,1,4,4,1}。
本发明进一步的改进在于，对于要求吸声频带200-1200Hz的声衬结构，采用N＝11。
本发明进一步的改进在于，在步骤2)中，吸声单胞几何参数调节包括如下步骤：
201)确定需要调节的吸声单胞几何参数，包括空腔厚度、空腔宽度、穿孔厚度、穿孔直径；
202)研究所选取工作频率下吸声单胞的吸声系数与需要调节几何参数的变化关系；
203)选取吸声系数峰值所对应的几何参数为该工作频率下的调节后的吸声单胞几何参数。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种基于二次剩余序列的宽频吸声结构设计方法，该方法首次利用二次剩余序列选取平面波震动工作频率实现吸声目的。每次只需通过调节吸声单胞的结构参数，建立宽频吸声结构，实现了宽频吸声，同时，减少了宽频吸声结构设计的工作量。
仿真证明在空气密度ρ0＝1.21kg/m3，动力学粘性厚度η＝1.56×10-5Pa·s，声速c0＝343m/s的情况下，该方法能够在200-1200Hz频域范围内，使得平均吸声率达到0.56，表明该频域范围内结构的宽频吸声特性良好。
附图说明
图1为二次剩余序列选取频率下吸声系数随空腔厚度的变化曲线图；
图2为基于二次剩余序列建立微穿孔宽频吸声结构模型图；
图3为基于线性序列建立微穿孔宽频吸声结构模型图；
图4为基于二次剩余序列和线性序列建立微穿孔宽频吸声结构吸声系数曲线对比图。
图5为基于本方法设计654.5Hz工作频率下蜂窝式微穿孔吸声单胞结构模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提供一种基于二次剩余序列的宽频吸声方法，该方法首次采用二次剩余序列用于宽频吸声设计。以基于蜂窝式微穿孔板声衬结构的改进设计为例，利用二次剩余序列选取声波的工作频率并通过调节微穿孔吸声单胞的空腔厚度，获得在不同单一工作频率下吸声性能良好的吸声单胞。通过二次剩余序列排列这些单胞达到宽频吸声的目的。具体包含如下步骤：
步骤1：设工作频率的上、下限分别为fmax和fmin，采用N个微穿孔吸声单胞排列组成宽频吸声结构，则第n个单胞的工作频率为
式中sn为施罗德二次剩余序列。按照式(1)选择工作频率，图1工作频率上、下限分别为200Hz，1200Hz，微穿孔吸声单胞数N＝11；
步骤2：研究所选取工作频率下微穿孔吸声单胞的吸声系数与单胞空腔厚度的变化关系，如图1所示；
步骤3：选取吸声系数峰值所对应的空腔厚度为该工作频率下的吸声单胞空腔厚度，654.5Hz下单胞结构模型如图5所示，结构长度L＝17mm，空腔长度a＝15mm，穿孔直径d＝0.5mm，穿孔厚度t＝2.5mm，空腔厚度h＝48.5mm，结构厚度H＝50mm，吸声单胞的材料为6061铝。；
步骤4：按照二次剩余序列排列上述设计的吸声单胞，得到宽频吸声结构，结构模型如图2所示。
为了验证本发明提出的宽频吸声方法的性能，对蜂窝式微穿孔声衬结构改进设计进行了如下仿真：
设声波的工作频率上、下限分别为200Hz和1200Hz。基于本发明建立11个吸声单胞组成的宽频吸声结构，结构如图2所示。同时基于线性序列选取工作频率，建立吸声结构作为对照，结构如图3所示。两个耦合模型的总宽TL、总高TH、穿孔直径d、穿孔厚度t均相同，分别为TL＝179mm，TH＝235mm，d＝0.5mm，t＝2.5mm。耦合结构的各个空腔分别从左到右依次以阿拉伯数字编号，空腔宽度a均为15mm。各个空腔的厚度h详见表1。
声波从结构上方水平入射，图4给出了基于二次剩余序列和线性序列建立微穿孔宽频吸声结构的吸声系数在200-1200Hz频域范围内的变化曲线。通过图4可以看到，二次剩余序列模型分别在280Hz，520Hz，690Hz，1020Hz附近出现了4个峰值，并且在全频域范围内，吸声系数大多在0.44以上，平均吸声率为0.56，而线性序列模型只在690Hz，1080Hz附近出现了2个峰值，且在全频域范围内，吸声系数基本维持在0.2附近，平均吸声率仅为0.22。
表1
由以上补充参数材料可证明可知，本发明提出的宽频吸声方法可以有效得到吸声性能良好，且吸声频带较宽的宽频吸声结构。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，如对其余吸声模型、结构参数的吸声优化设计，但依旧不脱离采用二次剩余数列数学模型进行吸声结构设计等都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (1)
1.一种基于二次剩余序列的宽频吸声结构设计方法，其特征在于，该方法通过选取声波的工作频率，针对所选取的声波工作频率调节吸声单胞的结构几何参数，获得在不同单一工作频率下吸声性能良好的吸声单胞，最后通过二次剩余序列排列这些单胞得到耦合结构达到宽频吸声的目的；该方法具体包括以下步骤：
1)设定声波工作频率的上、下限分别为fmax和fmin，利用二次剩余序列Sn＝n2modeuloN选取声波的工作频率，采用N个吸声单胞排列组成宽频吸声结构，则第n个单胞的工作频率为：
通过此方法得到该频率范围内的工作频率序列；
2)通过研究所选取工作频率下吸声单胞的特性，选取吸声系数峰值所对应的几何结构参数为该工作频率下的吸声单胞结构参数，吸声单胞的材料为绝对声学刚性；吸声单胞几何参数调节包括如下步骤：
201)确定需要调节的吸声单胞几何参数，包括空腔厚度、空腔宽度、穿孔厚度、穿孔直径；
202)研究所选取工作频率下吸声单胞的吸声系数与需要调节几何参数的变化关系；
203)选取吸声系数峰值所对应的几何参数为该工作频率下的调节后的吸声单胞几何参数；
3)按照二次剩余序列排列上述设计的吸声单胞，得到宽频吸声结构；
其中，吸声单胞的材料选用金属材料6061铝；声波工作频率的上限fmax、下限fmin分别为1200Hz、200Hz；N＝5时，Sn＝{0,1,4,4,1}；对于要求吸声频带200-1200Hz的声衬结构，采用N＝11。
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