亚波长厚度消声器的设计与实验研究

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随着航空运输业的迅速发展以及人民生活水平的日益提高,民用航空器噪声适航标准要求越来越高,意味着对噪声控制技术提出了新的要求。航空发动机噪声是飞行器的主要噪声源之一,控制航空发动机噪声可以有效降低飞行器噪声。另一方面,为了提高民用航空器客舱乘客的舒适性,客舱壁板需要采用隔声与吸声材料,可以有效降低客舱内的噪声水平。为了进一步降低航空发动机噪声和客舱噪声,适应新的航空噪声适航标准,本文从可通风降噪结构、亚波长吸声材料和可调吸声器三方面,提出了新的噪声控制技术,采用理论、仿真和实验的方法,探究了消声器吸声及隔声性能。首先,基于Herschel-Quincke(HQ)管理论设计可通风螺旋波导管作为消声器,利用干涉理论模型对所设计消声器模型的降噪频带进行预测,结合实验结果对理论模型进行修正,最后通过三维建模和3D打印技术制造实体模型。实验结果表明可实现目标频带的有效降噪。其次,提出一种相较于HQ管更简单,低频声学性能更好的半波长管理论。采用数值计算方法分析了半波长管参数(如管径、管长、数量以及分支管距离)对消声性能的影响,基于理论分析结果设计了宽频半波长管系统,实现在350~1350 Hz频带内不低于20 d B的宽频消声效果。又进一步考虑黏热损失,对半波长管理论优化,使得优化后的理论更符合实际。为了验证半波长管理论,根据国际标准(ISO 10534-2:1998)设计了标准阻抗管实验平台,结果表明理论与实验吻合良好。本文进一步以半波管为基本单元,设计了亚波长吸声结构,并基于这种吸声结构提出一种全通风降噪解决方案,并通过数值计算和实验方法探究了其消声性能。结果表明:所设计的吸声结构和全通风消声器在330-460Hz均具有良好的降噪效果。最后,为了应对复杂的噪声环境,本文进一步设计了两种频率可调消声器:可变开口面积HQ管和可调声质量吸声器。所设计的可变开口面积HQ管是通过调节HQ管的开口面积实现消声器固有频率调节。并推导了开口面积与声阻抗的关系,利用声学仿真软件计算了不同横截面的传声损失,并进行实验验证。结果表明可实现187-296Hz可调频降噪。另一种频率可调消声器为可调声质量吸声器,以折叠半波长管为背腔和不同孔径转子为基础,设计出声质量可调的吸声器。实验结果表明:所设计可调声质量消声器的调频带宽可达137Hz以上,而且可调频带内吸声系数大于0.75。所提出的亚波长吸声材料、可通风消声器以及可调频消声器,为飞行器噪声控制及消声器设计提供了新的参考。
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