航空結構減振降噪技術
2022-12-02 14:59:45來源: 作者:xdnet
噪聲與振動問題是飛行器設計中必須考慮的重要問題:
首先,飛機在運行中產(chǎn)生的強噪聲與振動會影響機載設備/系統(tǒng)的性能和工作可靠性,也會誘發(fā)機體結構出現(xiàn)疲勞裂紋,危及飛機結構的壽命和安全;
其次,吵鬧的座艙環(huán)境會干擾乘機人員之間的語言交流,使乘客感到煩躁,尤其是長時間處于噪聲環(huán)境下,人員會倍感身心疲憊,且身體健康會受到損害;
最后,飛機起降階段向外界排放的噪聲強度大、影響范圍廣,嚴重妨礙機場周邊居民的日常工作、學習和休息,甚至影響到身心健康。
因此,飛行器的振動噪聲問題一直是國內(nèi)外科研機構的重點研究方向之一,如何開展減振降噪設計來提高飛行器的安全性、舒適性和環(huán)保性也是我國飛行器設計的重點關注方向。
自20世紀70年代起,航空工業(yè)強度所就開始關注飛行器的振動噪聲問題,先后承擔了“ANCF系統(tǒng)工程”“民機艙內(nèi)噪聲預計、控制與試驗技術研究”“大型客機外部噪聲預計、分析與試驗技術研究”等預研項目,建立了航空器振動噪聲產(chǎn)生及傳播機理、艙室噪聲預計及控制技術、航空器適航噪聲預計及測試評估技術、金屬結構聲疲勞性能評估及驗證等專項技術。2006年,建設了低聲強混響室、半消聲室、全消聲室、高聲強混響室、高聲強行波管以及氣動管道等關鍵試驗設施,形成了開展結構聲/空氣聲傳播控制方法、艙室減振降噪設計方法、結構氣動噪聲仿真測試及控制方法、結構耐聲疲勞性能驗證、機載設備振動/噪聲環(huán)境適應性驗證等研究能力。在多渠道的預研項目、基礎研究項目的支撐下,強度所在飛行器減振降噪技術方面,已形成了涵蓋各類飛行器振動噪聲的仿真預計、測試分析以及減振降噪設計的完整技術體系,具備了在飛行器立項評估階段、詳細設計階段、驗證定型階段和運行維護階段提供全方位技術解決方案的技術能力。強度所也先后承擔了MA700、MA60/600、運9、ARJ21-700、C919等多型號的聲學設計和噪聲控制工作,并承擔了AC500、TB20、“小鷹”500等飛機的噪聲適航審定工作,有效解決了國產(chǎn)飛行器的振動噪聲問題。
近年來,強度所在“大強度、新強度、數(shù)字強度”的戰(zhàn)略指引下,先后突破飛機噪聲源識別分離、飛機發(fā)動機風扇噪聲產(chǎn)生與控制、艙室噪聲與振動綜合控制、發(fā)動機減振安裝設計、軍/民機結構抗聲振疲勞設計、多物理場耦合環(huán)境結構適應性分析與驗證、金屬結構振動疲勞損傷機理和演化規(guī)律等一系列關鍵技術,有力支撐了國產(chǎn)飛行器設計工作。
大型飛機外部噪聲預計技術
通過消化吸收國外主要噪聲源的噪聲預計模型以及噪聲傳播模型,結合工程應用中的潛在需求,設計開發(fā)出大型飛機外部噪聲預計系統(tǒng),形成了根據(jù)發(fā)動機參數(shù)、機體幾何參數(shù)、飛機航跡參數(shù)完成飛機外部噪聲預計的能力,可提供飛機適航噪聲預計、巡航狀態(tài)機體表面聲載荷預計、地面開車狀態(tài)發(fā)動機噪聲預計等功能;為飛機設計部門在飛機初始設計階段,開展適航噪聲預計、機體結構抗聲疲勞設計、艙內(nèi)聲學設計等工作的提供技術手段和設計工具。
渦扇發(fā)動機風扇噪聲控制技術
在渦扇發(fā)動機風扇噪聲控制方面,針對微穿孔板消聲結構開展了結構優(yōu)化設計和效果測試工作,先后完成了平板型聲襯元件的聲阻抗特性預計及測試、圓筒型聲襯模型件的插入損失及傳遞損失等聲學性能測試、全尺寸聲襯結構靜態(tài)環(huán)境及準動態(tài)聲學性能測試等工作;在此基礎上,利用大量測試數(shù)據(jù),歸納形成了微穿孔板消聲結構聲阻抗計算軟件,為開展發(fā)動機消聲短艙結構參數(shù)設計提供必要、可靠的設計工具。
飛機艙室振動噪聲主/被動控制技術
在渦槳飛機被動噪聲控制方面,強度所先后完成MA60/600、運9等機型的座艙降噪工作,有效改善了相關機型的客艙噪聲水平。
強度所針對渦槳支線飛機的噪聲特性及結構設計特點,建立了適用于渦槳飛機艙內(nèi)聲學設計的技術體系,包括艙內(nèi)聲場特性測試方法、艙內(nèi)噪聲預計方法、航空材料選型方法、螺旋槳氣流噪聲實驗室模擬方法、艙內(nèi)綜合噪聲控制方法等,結合相關機型的飛行測試和實驗室內(nèi)大量的實驗室測試,設計出滿足機型特點的降噪方案;根據(jù)飛行測試結果,經(jīng)降噪改裝后MA60飛機整機減重15千克,最大噪聲區(qū)域降噪量5.9dB(A);經(jīng)降噪改裝后的運9飛機整機減重123千克,最大噪聲點降噪量近10dB(A)。
在噪聲主動控制技術方面,重點開展自適應算法設計、次級聲源選型及布局優(yōu)化、主動降噪系統(tǒng)工程化開發(fā)等工作;2012年度在國內(nèi)首次完成了渦槳飛機地面開車狀態(tài)噪聲主動控制效果驗證試驗,測試結果表明控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、目標頻率噪聲控制效果達8dB的效果;自主開發(fā)的主動降噪座椅于2016年度參加石家莊航展,獲得現(xiàn)場體驗者好評。
振動/噪聲對金屬結構損傷破壞問題研究
在振動/噪聲對金屬結構損傷破壞的研究方面,強度所開展大量的理論分析和試驗驗證工作,形成了一系列的技術突破。在金屬結構振動疲勞破壞關鍵基礎研究方面,實現(xiàn)了金屬結構振動疲勞損傷機理、計及阻尼效應的雙尺度振動疲勞損傷累積模型、飛機典型結構動力學特性快速優(yōu)化算法和抗振動疲勞設計方法等一系列關鍵技術的突破;此外,在試驗技術方面也取得較大突破,完成了彈艙結構空腔共鳴噪聲試驗、金屬結構聲疲勞加速試驗、聲溫振聯(lián)合載荷環(huán)境及聲-熱-振-靜多場耦合環(huán)境下結構聲疲勞試驗,有效支撐了軍機型號的研制。
新材料研究及新技術的發(fā)展
面向減振降噪的新需求和新要求,強度所積極開展新技術的研究,專門成立創(chuàng)新團隊研究新型阻尼減振材料、新型發(fā)泡金屬吸聲材料等,并借助人工智能和振動噪聲仿真等方向的成果,開展根據(jù)工程減振需求自動匹配阻尼材料配方的探索。此外,在人體舒適性感知方面,強度所也開展了人體對振動/噪聲主觀評價方法研究,探索“悅耳、好聽、難聽”、“晃、顛”等主觀詞匯與“頻率”“量級”等物理詞匯的對應關系,進而為深入開展舒適性研究奠定基礎。