航空声衬声阻抗实验提取技术研究进展

本文综述了航空声学环境下声衬声阻抗实验提取技术,介绍了多种方法的基本原理、实验布置、研究进展和优劣势。在低频平面波场下,介绍了阻抗管法、单模态法,以及目前主流的目标函数法和直接提取法,其中直接提取法因具有高效、准确的解析优势而受到认可,以上方法均受模态成分限制而存在频率上限。在高频多模态场下,介绍了原位测量法、三维目标函数法、多模态直接提取法、准三维直接提取法、镜像多模态直接提取法,这些方法解决了模态限制,可在不同程度上拓展频率上限。原位测量法的侵入性测量导致其误差和局限性大,三维目标函数法因需三维数值模拟和迭代而效率极低,多模态直接提取法因测点横向间距小而精度不足,准三维直接提取法因受最高阶模态限制而测点需求量大。镜像多模态直接提取法能较好地解决上述问题,它采用锯齿形阵列,基于声场周期性和镜像原理,先将物理阵列展开为多倍宽度等效声场中的对角映射阵列,再调用多模态直接提取法以多模态Prony算法进行声场分解,进而提取声阻抗。镜像多模态直接提取法打破了以往3 kHz的频率上限,能覆盖航空发动机风扇噪声0.2~10 kHz的主要频带,全频提取仅需1 min,比三维目标函数法的效率至少高3个量级,准确性和可靠性较高,且测点大幅减少,兼具宽频、高效、准确、测点少且无损的优势。

非定常机匣处理扩稳实验研究

针对一种非定常处理机匣,在轴流风扇实验台上开展偏流吹气扩稳实验研究。主要包括:改善风扇稳定裕度的稳态特性;影响失速先兆波产生及发展的动态分析。结果表明:非定常机匣处理能够在不同工作转速下对风扇稳定裕度有显著效果,效率没有明显改变。偏流吹气可以进一步改善风扇稳定裕度,但同时也会带来一定的效率损失。动态分析证实处理机匣没有阻止失速先兆波的出现,而是有效地抑制了其非线性发展。

穿孔板在切向流条件下非线性效应的理论与实验研究

流过声衬表面的切向流和高声压级的声场对于穿孔板共振结构的声学特性有这非常显著的影响。本文从波涡相互作用机制出发,发展了一种旨在研究矩形穿孔板在切向流条件下非线性效应的离散涡模型。同时用双传声器法测量了不同几何参数的穿孔板的声阻抗随偏流速度及声压级的变化情况。将本文的实验与理论结果进行了对比分析,对比的结果表明本文的实验与理论结果符合良好。

流管实验装置中声传播计算的模态方法

流管实验装置是测量有流动情况下航空发动机消声短舱内声衬声阻抗的主要装置。本文发展了一种解析的模态匹配方法进行在平均流有声衬条件下矩形流管中声传播的计算。用同伦方法求解特征值问题,并与用环绕积分求解的结果进行比较。声场通过轴向阻抗间断面的声压和声质点速度积分相等计算。第一个算例是无流动、硬壁、有限长、考虑端口反射的情况,并与北航流管实验台测量数据进行了对比;第二个算例为有流动情况下有限长声衬管道不考虑端口反射的声场计算,它与文献中NASA流管实验结果和CAA计算结果符合得很好。

粘弹性材料阻抗非局域特性实验验证

基于材料透射阻抗的定义阐述了粘弹性材料的局域和非局域性质,并阐述了阻抗矩阵和频响函数矩阵之间的关系.通过将声压表面力的分布离散为等效点力的方法导出了频响函数表达式.基于频响函数矩阵元素的表达式,对粘弹性材料平板进行了点力激振下振动透射的频响测量实验,同时用粘弹性有限元方法数值计算了该板的振动频率响应,实验和数值结果的一致不但验证了粘弹性材料频率响应和声阻抗的非局域特性,也说明了实验及数值方法的正确,为进一步研究打下基础.

高声强下微圆孔声学非线性效应vena收缩系数的研究

在研究高声强下微圆孔声学非线性效应时,准定常模型的一个明显不足是采用固定不变的 vena收缩系数,因而影响了预测精度。本文联合一种准定常方法和离散涡方法,给出了 vena收缩系数随入射声强的变化曲线,并与实验结果符合得较好。将本文准定常方法与 vena收缩系数曲线相结合来预测非线性声阻,不仅预测精度高,而且十分简便,适用于高声强条件下穿孔板共振吸声结构的工程设计。

新型航空金属丝网声衬掠流特性实验研究

提出了一种新型航空线性声衬结构——烧结金属丝网声衬,并在流管实验台上采用直接提取法对传统穿孔板声衬、金属丝网穿孔板声衬及该声衬分别开展掠流实验。实验采用了一个合适的入射声压级以排除高声强效应干扰。实验结果表明:传统穿孔板声衬的低频掠流声阻随掠流速度增加而升高,高频掠流声抗随着掠流速度增加而下降;金属丝网穿孔板声衬也存在这一趋势,但变化幅度有所减弱;而烧结金属丝网声衬因其去掉了传统穿孔板结构,采用烧结金属丝网作为声衬面板,提高了黏性声阻,从而使其掠流声阻抗在测试范围内基本不随掠流速度变化,相较于其他两种声衬对掠流具有更好的线性,更加符合航发外涵后传降噪最优声阻抗的变化趋势。

排水性沥青混合料降噪性能测试研究

研制并开发沥青混合料吸声降噪性能室内测试的仪器,采用单传声器法对不同空隙率以及相同空隙率下不同最大公称粒径的沥青混合料进行吸声系数的测试,并对试验路段的降噪效果进行现场测试。分析空隙率、最大公称粒径对沥青混合料吸声性能的影响。发现空隙率尤其是有效空隙率是影响沥青混合料吸声系数的关键因素;最大公称粒径4 75mm级配的排水性沥青混合料吸声效果明显。结果表明,提高空隙率,采用较小最大公称粒径级配的方案都能有效提高沥青混合料的吸声降噪能力。

关于热声不稳定性现象的一种控制方法

本文通过一个电加热镍铬丝作为热源的Rijke管实验装置,观察了电热丝在管中相对位置变化引起的不稳定发声声压级变化情况,并且研究了穿孔板加环形背腔这种结构对Rijke管不稳定发声的控制效果.通过实验可以发现,穿孔板的存在可以降低不稳定发声的强度,或者其不再发声而稳定.同时,证实了背腔中偏流的存在可以加强对热声不稳定的控制效果。

三维FW-H方程与CAA数值模拟匹配技术研究

本文研究了三维FW-H方程与CAA数值模拟匹配技术。首先验证了适于亚音任意运动声源的Farassat时域公式和适于亚音匀速直线运动声源的Lockard频域公式,采用均匀流中单极子源声辐射问题对两类公式进行了校核。进一步,采用FW-H／CAA匹配技术对风扇／压气机前传声进行了预测。近声场基于轴对称三维CAA方法获得,远声场则基于近声场数据采用三维可穿透FW-H方程时域公式进行预测,并校核算例着重分析了不同积分面对远场声指向性的影响。本文研究证实了FW-H／CAA数值模拟匹配技术的可行性和解决工程实际问题的潜力。

基于爆轰波原理声源定位方法初探

基于弹丸发射时所发出的爆轰波,利用传感器接收时差信息,从而确定声源位置。本文建立了该声源定位反问题的物理和数学模型,并依据该模型寻求适当的数值解法,最后针对延拓-广义逆法声源定位问题进行了演算和简要分析。

风扇／压气机数值稳定性模型

本文给出了一种用于预测轴流压气机旋转失速发生的数值稳定性模型,并描述了模型的理论基础以及求解模型方程的方法。模型的建立基于线性稳定性理论的基础之上,通过特征值的虚部来判断系统的稳定性。一种全局性方法被用于求解离散系统的所有特征值。离散的方法包括二阶精度的有限差分方法以及切比雪夫谱配置的方法。计算结果表明,用这两种方法均可以得到准确的特征值,但是收敛的速度有所不同。另外,将文中的分析与实验进行了比较,结果表明实验中的失速点可以用这种模型进行合理的预测。

含旋流圆环形管道声传播的有限元计算

本文发展了计算包含旋流的圆环形管道声传播问题的有限元数值模型,并且对等熵和均熵流动做了讨论。经典的声学有限元方法大多求解只包含一个变量的对流波动方程,但是对于包含旋流等非均匀流的圆环形管道声传播问题,不能简化成只含有一个变量的对流波动方程。本文尝试用直接求解耦合方程组的有限元方法方法研究管道声传播问题。文章分别研究了刚性壁面、不同阻抗的声衬壁面对管道声传播的影响,同时还对不同阶的声模态包括传播模态和截止模态在管道中的传播规律做了分析。计算的结果和正模态解析方法符合得很好,从而验证了有限元模型的正确性和可行性。

用HQ管抑制管道风扇噪声的数值模拟

针对HQ管抑制风扇噪声这一主动控制噪声的方法开展研究,包括理论分析和数值模拟,在圆管情况下使用HQ管的消声效果预测和HQ管各几何参数对消声效果影响的讨论。结果表明:HQ管在抑制风扇低频噪声方面有十分显著的效果。

粘弹性材料声阻抗非局域特性的数值研究

针对刚性背衬下的粘弹性材料层,提出了一种能够描述表面声散射的局域/非局域特性的声阻抗矩阵模型,进行了声阻抗矩阵及代数模型的推导.以粘弹性有限元为基础完成了数值计算工具的开发,并对自编代码进行了校核,表明数值工具具有较高的计算精度.计算了刚性背衬下粘弹性板的声阻抗矩阵,并拟合得到声阻抗模型参数,分析了声阻抗局域、非局域特性及代数模型中各参数的变化规律.实际计算结果表明:声阻抗矩阵和非局域声阻抗代数模型能够定性和定量描述粘弹性材料表面声散射阻抗的非局域特性,为声阻抗非局域特性的研究提供了一个有效的数值分析方法.

环形腔处理机匣对低速风扇性能和失速裕度的影响

本文从实验角度探讨一种新型带有环形腔的槽式处理机匣对风扇性能和失速裕度的影响。结果表明:处理机匣的槽向和槽与转子轴向重合度是影响风扇性能的两个主要参数,应用于本实验的低速风扇中,圆弧槽槽向与转子叶型方向相错,槽与转子轴向重合度为1/3的环形腔处理机匣对风扇失速裕度有明显提高,但效率略有下降。同时随环形腔腔体体积增大风扇裕度有明显振荡变化,进一步的规律值得深入探讨。

阵风/叶栅干涉噪声的一种前馈控制策略研究

基于反问题的研究思路 ,探讨了阵风 /叶栅干涉噪声的一种前馈式主动控制策略。具体研究思路是试图通过在静子叶栅表面引入附加的“二次级声源” ,精确地消去所感兴趣区域的声音 ,二次级声源强度基于阵风 /叶栅干涉气动声学反问题模型获得 ,并通过数值实验的方法探寻了二次级声源合理布放策略。研究结果不仅证实了在叶栅表面布放偶极子声源的可行性 。

旋翼的非定常流动及表面载荷的数值模拟

旋翼的流场呈现很强的非定常现象.目前,对旋翼定常流场的计算已经基本成熟,非定常流场的计算仍在探索之中。本文基于有限体积法的思想,利用较成熟的商用软件NUMECA/IGG生成计算所需的网格。对N-S方程进行离散,选用Baldwin-Lomax湍流模型,Dual-Time时间推进格式模拟了旋翼的非定常流场。计算的结果与文献给出的实验结果符合得较好。

计算流管声场的三维有限元数值模型

发展了一种三维有限元数值模型和计算方法来对矩形流管声场进行整体的计算。与以往的二维方法相比,此种数值方法不仅全面反映了矩形流管内声波的传播情况,而且提高了网格精度,从而大大扩展了对铺没有声衬的流管的计算领域。结果表明,该数值模型是有效和准确的,与其它方法和文献的计算结果吻合得非常好。同时,在大大增加计算量的同时,也对程序代码进行了优化工作,提高了计算效率。

基于积分方法的二维平行剪切层声远场预测

本文采用二维Ffowcs Williams＆Hawkings(FW-H)方程对平行剪切层远声场辐射特性进行了研究。近流场时间精确数据通过计算气动声学(Computational Aeroacoustics,CAA)技术数值模拟获得,声远场信息则通过FW-H方程对近流场内的可穿透积分面进行积分获得。该方法首先采用具有解析解的涡/尾缘干涉问题进行了校核,进一步采用CAA/FW-H匹配技术对二维平行剪切层声辐射问题进行了预测,计算结果表明,积分解与计算域内的CAA数值解吻合较好。