风扇管道消声设计及水声材料的声管测量技术研究-毕设论文.doc
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1、北京航空航天大学学位论文论文题目:风扇管道消声设计及水声材料的声管测量技术研究摘 要论文所进行的研究工作包括航空声学的风扇管道消声设计及水声材料声管测量技术研究两个部分。在风扇管道壁面使用消声声衬来降低风扇噪声是目前商业飞机降低噪声的主要途径之一,因此声衬的优化设计至关重要。模态匹配法是上个世纪八十年代发展并得到广泛应用的一种便捷的管道声学消声计算方法,八五期间北京航空航天大学在“民机噪声和声疲劳研究”项目的支持下发展了模态匹配法计算程序10,但后来由于没有经费支持和实际工程项目的背景需求的支持未进一步进行验证校核,并实际应用。本部分研究是根据APTD研究计划关于GF90消声设计的研究工作要求
2、进行的,对模态匹配法原程序进行验证校核和更改完善,修正了原程序中的错误,解决了求解特征值问题的跳根和计算精度问题,通过与其它计算方法的对比校核了计算程序,发展了应用该程序进行声衬优化设计的设计方法,并应用于两种转子声衬的设计优化。水声材料声管测量实验研究是北航流体与声学工程实验室十五211工程水声声管建设工作的一部分。水声材料的许多声学特性可以通过对其复反射系数和透射系数的测量计算得到,使用声管方法尽管只能测量正入射条件下的声学参数,但是由于它测试条件易于控制,实施较方便,成本较低,与其它方法比较可以更精确、标准地进行测试,因此成为一种常用的复反射系数和透射系数测量设备。本研究工作是建设并调试
3、一套工作频率范围为500Hz15kHz的中频声管实验设备,内容包括装置中发射换能器、测量水听器、信号调理、信号采集及数据分析系统的设备的设计,测量功能分析和基本实验设备的调试;进行了连续声测量功能的调试,通过空气软背衬反射系数的测量初步验证了设备的功能和测量方法;进行了消声尖劈的吸声系数测量,得到了合理的测量结果。通过完成基本测量实验了解了声管测量的基本方法和原则,积累了经验。关键词:模态匹配,环绕积分,优化设计,声管,传递函数法,脉冲法Title of Thesis: The Noise Elimination design in Fan-tube and the Research of W
4、ater-tube ExperimentationSpeciality Major: engineering of underwater acousticsDate of Graduate: Mar,2005Author: WANG YiSupervisor: WANG TongqingABSTRACTThe thesis includes two parts: a study on noise suppression of ducted fan in aeroacoustics and the research of instrumentation technology in underwa
5、ter acoustic tube.It is one of the major method in commerce airplane at this day to eliminate the noise in ducted fan with the anechoic liner, so it is very important to optimize the design of anechoic liner. Mode-matching method is a convenient calculation method, which developed in eighty years la
6、st century and widely used. BUAA has developed a program of mode-matching method with the support of “research on civil aviation noise control and acoustic fatigue” project. But it has not validated in detail because of no outlay support. Based on the project of APTD, the present work has improved a
7、nd validated the program and has used it in optimize liner design in a two type of ducted fan.In hydro-acoustics experimentation, many acoustic characteristic of acoustic material in water can be calculated by complex reflectance and complex penetrate coefficient. Underwater acoustic tube is widely
8、used in the measurement of complex reflectance and complex penetrate coefficient, for the easement could be easily controlled and in low cost. The thesis involves the following works: The construction of underwater acoustic tubes, its operating frequency is from 500Hz to 15kHz. The equipment include
9、s a water tube and its accessories, the data acquisition and signal processing system. A basic underwater acoustic measurement and data acquisition system have been developed, and through the experiment the preliminary experience about underwater acoustic instrumentation was obtained.Keywords: mode-
10、matching method,winding number integral method,optimize design, water-filled tubes,transfer function method,pulse-tube method 2第一章引言11.1 风扇管道消声计算的工程背景11.2 风扇管道消声计算的发展历史21.3 水声声管实验研究的工程背景31.4 水声声管实验研究的发展历史41.5 本文工作简介5第二章管道消声的模态匹配法优化设计72.1 前言72.2 物理模型及计算方法72.3 程序的完善与改进172.4 程序的验证与校核192.3.1声源为J-69轴流跨音转
11、子的算例192.3.2声源为GF90轴流跨音转子的算例212.3.3对J-69声源结合声衬结构参数的变化使用边界元方法进行校核232.4 优化设计23241考虑阻抗变化的优化设计24242结合声衬结构参数的优化设计302.5 小结44第三章 水声声管的测量和实验技术453.1 工程背景453.2 水声声管测量的基础453.3 测量方法463.3.1双水听器传递函数法463.3.2脉冲法483.4 测量中需注意的问题50第四章 水声声管的的建设和研究534.1 水声声管的建设和研究534.2数据采集分析系统584.3发射换能器的频响曲线测量594.4声管建设总结63第五章 双水听器传递函数法实验
12、研究655.1 平面波垂直入射时的反射和透射655.2 空气软背衬测量665.3 吸声橡胶尖劈测量705.4 小结72结论74附录A:推广的特征函数正交理论75参考文献81硕士期间被录用的论文84致谢85第一章 引言1.1 风扇管道消声计算的工程背景随着民用飞机的日趋普及,航空噪声问题日益引起人们的普遍关注,航空噪声已成为噪声污染的重要来源,因此,为了防止航空噪声危害旅客和城市居民的身体健康,美国FAA 以及国际民航组织相继制定了FAR36部及国际民航公约第十六号公约,对飞机噪声作了严格的规定,指出所有进入美国及国际民航组织缔约国的飞机必须遵守该规定的噪声指标要求。随着我国航空工业的发展,特别
13、是进入90年代以来,干线飞机和新型支线客机的引进和研制工作开始实施,无论从独立研制还是从联合研制都必须开展对飞机进行声学设计的研究,如何使其符合噪声适航条例和满足座舱的噪声水平成为重要问题,降低噪声同时也是为了适应军机提高抗声疲劳及声隐身性能的需要。因此如何降低飞机的主要噪声源发动机噪声成为民机及军机研制中的一个关键技术问题。就涡轮风扇发动机而言,它的主要噪声包括风扇/压气机噪声、涡轮噪声、排气噪声和燃烧噪声。其中风扇/压气机噪声和排气噪声在发动机总噪声级中占有突出的比例。随着民用飞机广泛采用的高涵道比涡轮风扇发动机的涵道比越来越高,相应的发动机的排气速度不断降低,而风扇尺寸以及风扇的切向速度
14、逐渐增加,故与风扇/压气机噪声相比,排气噪声问题相对变小,发动机的主要声源已不再是喷流噪声,而集中在风扇压气机部分。而降低风扇/压气机噪声有两种方法:从声源入手和从传播途径入手。从声源入手就是从研究风扇/压气机噪声的产生机制入手,建立各种噪声预测模型,从而找出合适的方法来降低风扇/压气机噪声。这种方法针对噪声产生的机理进行研究,目的性强,效果也显著,但是要达到模拟风扇/压气机真实工作条件的预测模型是非常困难的,模型求解的计算量也很大,因此目前降低声源的噪声是有限的。通过控制噪声的传播途径降低风扇的辐射噪声是降低风扇噪声的另一个重要途径,因为发动机产生的噪声是通过进、排气道以及短舱向外传播的,如
15、果能在其传播途径上设置吸声材料,就能够大大降低向外传播的噪声。因此如何合理设计声衬从而达到最大吸声效果,以及如何准确预测声衬的吸声效果就成为风扇降噪研究的重要课题。上世纪八十年代末期在航空工业总公司“民机噪声控制与声疲劳研究(ANCF)”系统工程项目的支持下开始尝试建立自己的航空声学设计平台。 但这种有组织和一定规模的研究项目随着国家民用飞机发展计划不断改变而随之消失。 然而自从那时以来,北航流体与声学实验室一直坚持进行这方面工作。并在声衬设计与实验上有过多次尝试,积累了丰富的经验。曾设计、制造过三批声衬,进行过4次实验。第一次、第二次实验都是使用了有机玻璃机匣的声衬,这两次试验都是在中航总的
16、“民机噪声与声疲劳研究”系统工程项目支持下完成的;第三次实验是九五期间在国防科工委“胶接蜂窝夹层结构制造工艺研究”项目支持下进行的,使用了航空工程产品使用的铝胶接蜂窝夹层材料制造;第四次实验是在640所的民机预研项目支持下进行的。在以上设计与实验研究工作基础上2003年北航流体与声学实验室承担了APTD计划中GF90风扇管道声衬设计与优化的重任,模态匹配方法作为一种快捷的管道声学消声计算方法被得到成功应用。1.2 风扇管道消声计算的发展历史对消声短舱流动管道降噪机理研究的迫切需求是从五、六十年代起,航空界开始重视发动机敷设声衬的有流动的软壁管道声传播的理论和实验研究。但实际风扇流动管道的声学问
17、题涉及管道内复杂的流场、声场以及它们的相互作用,它们与管道的相互作用以及管壁材料的物理性质等诸多因素的影响;而管口的流场和声场更为复杂,因此至今为止风扇流动管道声传播与管口声辐射的数值模拟仍然是流体力学和声学中的一个困难问题。上个世纪60年代中期至70年代中期由于涡轮风扇发动机开始在民用飞机上的广泛应用,国外开始研究和发展航空发动机声衬声学设计技术。这个期间的工作做了大量简化:主要是以无限长管道为基本物理模型,假定声衬均匀分布在无限长管中,并重点考虑对于给定模态波如何确定最优管道声阻抗问题,和如何确定声衬管道的特征值用以计算消声量的问题。特征值计算问题是当时讨论的重点问题之一,而Newton-
18、Raphson方法成为当时普遍认为可以接受的方法1-3。但使用Newton-Raphson方法该如何选择初始值,如何避免特征值跳跃等问题没有得到解决。由于当时的计算机运算能力以及对问题本身理解的限制,设计消声短舱的声学模型是相当粗糙的。70年代中期后,模态匹配方法(Mode-Matching)的提出成为当时最有影响的工作4。其主要思想是将各段声衬中的声场用无限长管道声模态的迭加形式来描述,除了截止模态,其它模态波都可以传播,周向模态满足周期性条件,而径向模态满足法向边界条件,不同阻抗边界条件的声衬段之间的模态向量用声压连续和质点速度连续的条件来匹配;端口的反射及声源的入射模态向量用计算的方法或
19、试验的方法得到。按照这个模型,不仅可以考虑多段声衬的设计,同时只要知道模态(Mode)反射系数,还可以计算有限长管的影响。然而,模态匹配方法有它自身难以克服的缺点。比如,如何从实验或者理论上获得模态反射系数是一个极其困难的问题。但由于其理论的指导作用,多段声衬的设计概念已经开始在当时得到了应用。由此,其声学设计水平与早期的工作相比迈上了一个新的台阶。随着计算机技术和数值技术的发展九十年代基于边界元和有限元方法的管道声学数值方法得到发展,这些方法都是在线性声学范围内基于求解带有管道流动的对流波动方程的定解问题,适用于更广泛的管道边界形状和边界条件;使用有限元和边界元方不再需要求解管口反射系数,因
20、为它们将管道内的声场与辐射场同时进行求解。在这个期间,为解决传统的气动声学所面临的一些困难问题,计算气动声学方法CAA应运而生。随着一些公认的CAA高精度计算格式的问世,实际上已为下一步解决短舱声传播的精确数值模拟奠定了基础。1.3 水声声管实验研究的工程背景水声学是声学的一个分支。它主要研究声波在水下的产生、辐射、传播和接收的理论。用以解决与水下目标探测、识别以及信息传输过程有关的声学问题。因为声波是人类迄今为止已知唯一能在水中远距离传播的能量形式,而海洋的利用和开发已为各发达国家确定为优先发展项目。1994年11月联合国海洋法公约正式生效;1995年,我国人大通过了中国海洋21世纪议程,1
21、996年海洋高科技作为一个领域列入国家863高科技发展计划。因此可以预见,水声学的发展将面临更强大的需求牵引,从而获得更深、更广的进展。水声学最初主要是为军事服务的。而在所有军用舰艇中,号称“海洋幽灵”的潜艇可以说是最具隐蔽性和突然性的。占地球面积70以上的海洋为潜艇作战、生存提供了极为有利的自然环境。因此世界各主要海军国家都把潜艇力量放在十分重要的位置,对其发展做了相当大的投入。有矛必有盾。潜艇技术的发展必然促使反潜技术的发展。而在反潜侦察中,利用声纳探测是最主要的方式。对付声纳,潜艇可用敷设吸声材料等手段达到隐身效果。而敷设吸声材料的技术在潜艇声隐身方面所起的重要作用已为世界各国所认同,因
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