風(fēng)扇管道消聲設(shè)計(jì)及水聲材料的聲管測(cè)量技術(shù)研究畢業(yè)論文

1、論文題目：風(fēng)扇管道消聲設(shè)計(jì)及水聲材料的聲管測(cè)量技術(shù)研究摘 要論文所進(jìn)行的研究工作包括航空聲學(xué)的風(fēng)扇管道消聲設(shè)計(jì)及水聲材料聲管測(cè)量技術(shù)研究?jī)蓚€(gè)部分。在風(fēng)扇管道壁面使用消聲聲襯來(lái)降低風(fēng)扇噪聲是目前商業(yè)飛機(jī)降低噪聲的主要途徑之一，因此聲襯的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。模態(tài)匹配法是上個(gè)世紀(jì)八十年代發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的一種便捷的管道聲學(xué)消聲計(jì)算方法，八五期間北京航空航天大學(xué)在“民機(jī)噪聲和聲疲勞研究”項(xiàng)目的支持下發(fā)展了模態(tài)匹配法計(jì)算程序10，但后來(lái)由于沒(méi)有經(jīng)費(fèi)支持和實(shí)際工程項(xiàng)目的背景需求的支持未進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證校核，并實(shí)際應(yīng)用。本部分研究是根據(jù)aptd研究計(jì)劃關(guān)于gf90消聲設(shè)計(jì)的研究工作要求進(jìn)行的，對(duì)模態(tài)匹配法原程

2、序進(jìn)行驗(yàn)證校核和更改完善，修正了原程序中的錯(cuò)誤，解決了求解特征值問(wèn)題的跳根和計(jì)算精度問(wèn)題，通過(guò)與其它計(jì)算方法的對(duì)比校核了計(jì)算程序，發(fā)展了應(yīng)用該程序進(jìn)行聲襯優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用于兩種轉(zhuǎn)子聲襯的設(shè)計(jì)優(yōu)化。水聲材料聲管測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究是北航流體與聲學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室十五211工程水聲聲管建設(shè)工作的一部分。水聲材料的許多聲學(xué)特性可以通過(guò)對(duì)其復(fù)反射系數(shù)和透射系數(shù)的測(cè)量計(jì)算得到，使用聲管方法盡管只能測(cè)量正入射條件下的聲學(xué)參數(shù)，但是由于它測(cè)試條件易于控制，實(shí)施較方便，成本較低，與其它方法比較可以更精確、標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行測(cè)試，因此成為一種常用的復(fù)反射系數(shù)和透射系數(shù)測(cè)量設(shè)備。本研究工作是建設(shè)并調(diào)試一套工作頻率范圍為500

3、hz15khz的中頻聲管實(shí)驗(yàn)設(shè)備，內(nèi)容包括裝置中發(fā)射換能器、測(cè)量水聽(tīng)器、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)備的設(shè)計(jì)，測(cè)量功能分析和基本實(shí)驗(yàn)設(shè)備的調(diào)試；進(jìn)行了連續(xù)聲測(cè)量功能的調(diào)試，通過(guò)空氣軟背襯反射系數(shù)的測(cè)量初步驗(yàn)證了設(shè)備的功能和測(cè)量方法；進(jìn)行了消聲尖劈的吸聲系數(shù)測(cè)量，得到了合理的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)完成基本測(cè)量實(shí)驗(yàn)了解了聲管測(cè)量的基本方法和原則，積累了經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：模態(tài)匹配，環(huán)繞積分，優(yōu)化設(shè)計(jì)，聲管，傳遞函數(shù)法，脈沖法title of thesis: the noise elimination design in fan-tube and the research of water-tube ex

4、perimentationspeciality 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 underwater acoustic

5、 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 last century a

6、nd 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 and validated

7、 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 used in the

8、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 includes a water tu

9、be 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-matching met

10、hod，winding number integral method，optimize design， water-filled tubes，transfer function method，pulse-tube method 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝

11、意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解安陽(yáng)工學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 第一章引言11.1 風(fēng)扇管道消聲計(jì)算的工程背景11.2 風(fēng)扇管道消聲計(jì)算的發(fā)展歷史21.3 水聲聲管實(shí)驗(yàn)研究的工程背景31.4 水聲聲管實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展歷史41.5 本文工作簡(jiǎn)介5第二章管道消聲的模態(tài)匹配法

12、優(yōu)化設(shè)計(jì)72.1 前言72.2 物理模型及計(jì)算方法72.3 程序的完善與改進(jìn)172.4 程序的驗(yàn)證與校核192.3.1聲源為j-69軸流跨音轉(zhuǎn)子的算例192.3.2聲源為gf90軸流跨音轉(zhuǎn)子的算例212.3.3對(duì)j-69聲源結(jié)合聲襯結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化使用邊界元方法進(jìn)行校核232.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)23241考慮阻抗變化的優(yōu)化設(shè)計(jì)24242結(jié)合聲襯結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)302.5 小結(jié)44第三章 水聲聲管的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)技術(shù)453.1 工程背景453.2 水聲聲管測(cè)量的基礎(chǔ)453.3 測(cè)量方法463.3.1雙水聽(tīng)器傳遞函數(shù)法463.3.2脈沖法483.4 測(cè)量中需注意的問(wèn)題50第四章 水聲聲管的的建設(shè)和研究534

13、.1 水聲聲管的建設(shè)和研究534.2數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)584.3發(fā)射換能器的頻響曲線測(cè)量594.4聲管建設(shè)總結(jié)63第五章 雙水聽(tīng)器傳遞函數(shù)法實(shí)驗(yàn)研究655.1 平面波垂直入射時(shí)的反射和透射655.2 空氣軟背襯測(cè)量665.3 吸聲橡膠尖劈測(cè)量705.4 小結(jié)72結(jié)論74附錄a：推廣的特征函數(shù)正交理論75參考文獻(xiàn)81碩士期間被錄用的論文84致謝85第一章 引言1.1 風(fēng)扇管道消聲計(jì)算的工程背景隨著民用飛機(jī)的日趨普及，航空噪聲問(wèn)題日益引起人們的普遍關(guān)注，航空噪聲已成為噪聲污染的重要來(lái)源，因此，為了防止航空噪聲危害旅客和城市居民的身體健康，美國(guó)faa 以及國(guó)際民航組織相繼制定了far36部及國(guó)際民航公

14、約第十六號(hào)公約，對(duì)飛機(jī)噪聲作了嚴(yán)格的規(guī)定，指出所有進(jìn)入美國(guó)及國(guó)際民航組織締約國(guó)的飛機(jī)必須遵守該規(guī)定的噪聲指標(biāo)要求。隨著我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展，特別是進(jìn)入90年代以來(lái)，干線飛機(jī)和新型支線客機(jī)的引進(jìn)和研制工作開(kāi)始實(shí)施，無(wú)論從獨(dú)立研制還是從聯(lián)合研制都必須開(kāi)展對(duì)飛機(jī)進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)的研究，如何使其符合噪聲適航條例和滿足座艙的噪聲水平成為重要問(wèn)題，降低噪聲同時(shí)也是為了適應(yīng)軍機(jī)提高抗聲疲勞及聲隱身性能的需要。因此如何降低飛機(jī)的主要噪聲源發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲成為民機(jī)及軍機(jī)研制中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。就渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言，它的主要噪聲包括風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲、渦輪噪聲、排氣噪聲和燃燒噪聲。其中風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲和排氣噪聲在發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲

15、級(jí)中占有突出的比例。隨著民用飛機(jī)廣泛采用的高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比越來(lái)越高，相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣速度不斷降低，而風(fēng)扇尺寸以及風(fēng)扇的切向速度逐漸增加，故與風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲相比，排氣噪聲問(wèn)題相對(duì)變小，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要聲源已不再是噴流噪聲，而集中在風(fēng)扇壓氣機(jī)部分。而降低風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲有兩種方法:從聲源入手和從傳播途徑入手。從聲源入手就是從研究風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)制入手，建立各種噪聲預(yù)測(cè)模型，從而找出合適的方法來(lái)降低風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲。這種方法針對(duì)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行研究，目的性強(qiáng)，效果也顯著，但是要達(dá)到模擬風(fēng)扇/壓氣機(jī)真實(shí)工作條件的預(yù)測(cè)模型是非常困難的，模型求解的計(jì)算量也很大，因此目前降低聲源的噪

16、聲是有限的。通過(guò)控制噪聲的傳播途徑降低風(fēng)扇的輻射噪聲是降低風(fēng)扇噪聲的另一個(gè)重要途徑，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲是通過(guò)進(jìn)、排氣道以及短艙向外傳播的，如果能在其傳播途徑上設(shè)置吸聲材料，就能夠大大降低向外傳播的噪聲。因此如何合理設(shè)計(jì)聲襯從而達(dá)到最大吸聲效果，以及如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)聲襯的吸聲效果就成為風(fēng)扇降噪研究的重要課題。上世紀(jì)八十年代末期在航空工業(yè)總公司“民機(jī)噪聲控制與聲疲勞研究（ancf）”系統(tǒng)工程項(xiàng)目的支持下開(kāi)始嘗試建立自己的航空聲學(xué)設(shè)計(jì)平臺(tái)。 但這種有組織和一定規(guī)模的研究項(xiàng)目隨著國(guó)家民用飛機(jī)發(fā)展計(jì)劃不斷改變而隨之消失。 然而自從那時(shí)以來(lái)，北航流體與聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室一直堅(jiān)持進(jìn)行這方面工作。并在聲襯設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)上有

17、過(guò)多次嘗試，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。曾設(shè)計(jì)、制造過(guò)三批聲襯，進(jìn)行過(guò)4次實(shí)驗(yàn)。第一次、第二次實(shí)驗(yàn)都是使用了有機(jī)玻璃機(jī)匣的聲襯，這兩次試驗(yàn)都是在中航總的“民機(jī)噪聲與聲疲勞研究”系統(tǒng)工程項(xiàng)目支持下完成的；第三次實(shí)驗(yàn)是九五期間在國(guó)防科工委“膠接蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造工藝研究”項(xiàng)目支持下進(jìn)行的，使用了航空工程產(chǎn)品使用的鋁膠接蜂窩夾層材料制造；第四次實(shí)驗(yàn)是在640所的民機(jī)預(yù)研項(xiàng)目支持下進(jìn)行的。在以上設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究工作基礎(chǔ)上2003年北航流體與聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了aptd計(jì)劃中g(shù)f90風(fēng)扇管道聲襯設(shè)計(jì)與優(yōu)化的重任，模態(tài)匹配方法作為一種快捷的管道聲學(xué)消聲計(jì)算方法被得到成功應(yīng)用。1.2 風(fēng)扇管道消聲計(jì)算的發(fā)展歷史對(duì)消聲短艙流動(dòng)

18、管道降噪機(jī)理研究的迫切需求是從五、六十年代起，航空界開(kāi)始重視發(fā)動(dòng)機(jī)敷設(shè)聲襯的有流動(dòng)的軟壁管道聲傳播的理論和實(shí)驗(yàn)研究。但實(shí)際風(fēng)扇流動(dòng)管道的聲學(xué)問(wèn)題涉及管道內(nèi)復(fù)雜的流場(chǎng)、聲場(chǎng)以及它們的相互作用，它們與管道的相互作用以及管壁材料的物理性質(zhì)等諸多因素的影響；而管口的流場(chǎng)和聲場(chǎng)更為復(fù)雜，因此至今為止風(fēng)扇流動(dòng)管道聲傳播與管口聲輻射的數(shù)值模擬仍然是流體力學(xué)和聲學(xué)中的一個(gè)困難問(wèn)題。上個(gè)世紀(jì)60年代中期至70年代中期由于渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始在民用飛機(jī)上的廣泛應(yīng)用，國(guó)外開(kāi)始研究和發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)聲襯聲學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)。這個(gè)期間的工作做了大量簡(jiǎn)化：主要是以無(wú)限長(zhǎng)管道為基本物理模型，假定聲襯均勻分布在無(wú)限長(zhǎng)管中，并重點(diǎn)考慮對(duì)于

19、給定模態(tài)波如何確定最優(yōu)管道聲阻抗問(wèn)題，和如何確定聲襯管道的特征值用以計(jì)算消聲量的問(wèn)題。特征值計(jì)算問(wèn)題是當(dāng)時(shí)討論的重點(diǎn)問(wèn)題之一，而newton-raphson方法成為當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為可以接受的方法1-3。但使用newton-raphson方法該如何選擇初始值，如何避免特征值跳躍等問(wèn)題沒(méi)有得到解決。由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力以及對(duì)問(wèn)題本身理解的限制，設(shè)計(jì)消聲短艙的聲學(xué)模型是相當(dāng)粗糙的。70年代中期后，模態(tài)匹配方法（mode-matching）的提出成為當(dāng)時(shí)最有影響的工作4。其主要思想是將各段聲襯中的聲場(chǎng)用無(wú)限長(zhǎng)管道聲模態(tài)的迭加形式來(lái)描述，除了截止模態(tài)，其它模態(tài)波都可以傳播，周向模態(tài)滿足周期性條件，而徑向

20、模態(tài)滿足法向邊界條件，不同阻抗邊界條件的聲襯段之間的模態(tài)向量用聲壓連續(xù)和質(zhì)點(diǎn)速度連續(xù)的條件來(lái)匹配；端口的反射及聲源的入射模態(tài)向量用計(jì)算的方法或試驗(yàn)的方法得到。按照這個(gè)模型，不僅可以考慮多段聲襯的設(shè)計(jì)，同時(shí)只要知道模態(tài)（mode）反射系數(shù)，還可以計(jì)算有限長(zhǎng)管的影響。然而，模態(tài)匹配方法有它自身難以克服的缺點(diǎn)。比如，如何從實(shí)驗(yàn)或者理論上獲得模態(tài)反射系數(shù)是一個(gè)極其困難的問(wèn)題。但由于其理論的指導(dǎo)作用，多段聲襯的設(shè)計(jì)概念已經(jīng)開(kāi)始在當(dāng)時(shí)得到了應(yīng)用。由此，其聲學(xué)設(shè)計(jì)水平與早期的工作相比邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值技術(shù)的發(fā)展九十年代基于邊界元和有限元方法的管道聲學(xué)數(shù)值方法得到發(fā)展，這些方法都是在線性

21、聲學(xué)范圍內(nèi)基于求解帶有管道流動(dòng)的對(duì)流波動(dòng)方程的定解問(wèn)題，適用于更廣泛的管道邊界形狀和邊界條件；使用有限元和邊界元方不再需要求解管口反射系數(shù)，因?yàn)樗鼈儗⒐艿纼?nèi)的聲場(chǎng)與輻射場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行求解。在這個(gè)期間，為解決傳統(tǒng)的氣動(dòng)聲學(xué)所面臨的一些困難問(wèn)題，計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)方法caa應(yīng)運(yùn)而生。隨著一些公認(rèn)的caa高精度計(jì)算格式的問(wèn)世，實(shí)際上已為下一步解決短艙聲傳播的精確數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。1.3 水聲聲管實(shí)驗(yàn)研究的工程背景水聲學(xué)是聲學(xué)的一個(gè)分支。它主要研究聲波在水下的產(chǎn)生、輻射、傳播和接收的理論。用以解決與水下目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別以及信息傳輸過(guò)程有關(guān)的聲學(xué)問(wèn)題。因?yàn)槁暡ㄊ侨祟惼駷橹挂阎ㄒ荒茉谒羞h(yuǎn)距離傳播的能量形式，而

22、海洋的利用和開(kāi)發(fā)已為各發(fā)達(dá)國(guó)家確定為優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目。1994年11月聯(lián)合國(guó)海洋法公約正式生效；1995年，我國(guó)人大通過(guò)了中國(guó)海洋21世紀(jì)議程，1996年海洋高科技作為一個(gè)領(lǐng)域列入國(guó)家863高科技發(fā)展計(jì)劃。因此可以預(yù)見(jiàn)，水聲學(xué)的發(fā)展將面臨更強(qiáng)大的需求牽引，從而獲得更深、更廣的進(jìn)展。水聲學(xué)最初主要是為軍事服務(wù)的。而在所有軍用艦艇中，號(hào)稱“海洋幽靈”的潛艇可以說(shuō)是最具隱蔽性和突然性的。占地球面積70以上的海洋為潛艇作戰(zhàn)、生存提供了極為有利的自然環(huán)境。因此世界各主要海軍國(guó)家都把潛艇力量放在十分重要的位置，對(duì)其發(fā)展做了相當(dāng)大的投入。有矛必有盾。潛艇技術(shù)的發(fā)展必然促使反潛技術(shù)的發(fā)展。而在反潛偵察中，利用聲納

23、探測(cè)是最主要的方式。對(duì)付聲納，潛艇可用敷設(shè)吸聲材料等手段達(dá)到隱身效果。而敷設(shè)吸聲材料的技術(shù)在潛艇聲隱身方面所起的重要作用已為世界各國(guó)所認(rèn)同,因此各國(guó)均投入大量的人力、物力進(jìn)行水聲吸聲材料的機(jī)理研究和工程應(yīng)用工作。目標(biāo)敷設(shè)吸聲材料的隱身效果取決于吸聲材料的聲學(xué)性能，應(yīng)用表面吸聲材料的聲學(xué)參數(shù)并通過(guò)一定數(shù)值模擬方法可以計(jì)算敷設(shè)消聲材料的目標(biāo)的回聲減少效果。因此消聲材料樣品聲學(xué)性能測(cè)量是水下消聲材料研究的重要手段。水聲材料的聲學(xué)性能測(cè)量一般可以應(yīng)用聲管和自由場(chǎng)水域（包括消聲水池）。 兩類各有優(yōu)勢(shì)：空間水域 (水池、湖、海) ,可模擬水聲材料實(shí)際應(yīng)用中的多方向入射、各種結(jié)構(gòu)、較大的受聲面積等等；聲管，

24、雖然尺度小，且只能法向入射，但測(cè)試條件環(huán)境易于控制，實(shí)施較方便，成本較低，可以更精確、標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行測(cè)試。各國(guó)在水聲材料測(cè)試上除非必要，主要還是采用聲管測(cè)試方法，并對(duì)聲管測(cè)量方法建立了標(biāo)準(zhǔn)。隨著聲吶的探測(cè)頻率越來(lái)越低，其測(cè)試技術(shù)也在向著低頻率范圍內(nèi)展伸，而要實(shí)現(xiàn)消聲水池內(nèi)的低頻測(cè)量的難度較大，于是水聲聲管對(duì)吸聲材料的實(shí)驗(yàn)研究也就顯得越來(lái)越重要了。1.4 水聲聲管實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展歷史水聲學(xué)的迅速發(fā)展需要性能良好的大量水聲設(shè)備和材料。水聲吸聲材料的研究以德國(guó)最早。早在1939年，德國(guó)哥廷根大學(xué)物理系就開(kāi)展了水下吸聲材料的研究。他們先后研究了以粘滯液體和各種橡膠作為吸聲材料。目前西歐和美國(guó)的一些水聲吸聲材

25、料已經(jīng)基本定型，作為商品出售，其都是橡膠制品5。而對(duì)水聲材料的測(cè)量主要集中于兩項(xiàng)性能指標(biāo)，一為復(fù)反射系數(shù)，二為透射系數(shù)。水聲材料的許多聲學(xué)特性都可以通過(guò)對(duì)這兩項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量得到。尤其是隨著水聲隱身技術(shù)和聲納技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)材料的消聲和去耦性能也越來(lái)越感興趣。而這兩項(xiàng)指標(biāo)，根據(jù)c.audoly的論述，也可以由復(fù)反射系數(shù)和透射系數(shù)計(jì)算得到6。因此在聲管中對(duì)有限尺寸的大面積材料樣品的復(fù)反射系數(shù)和透射系數(shù)的測(cè)量是十分有意義的。水聲聲管的測(cè)量方法經(jīng)歷了由脈沖法發(fā)展到駐波管法（單頻），發(fā)展到雙水聽(tīng)器傳遞函數(shù)法，發(fā)展到寬帶信號(hào)譜分析方法，并且至今仍在繼續(xù)發(fā)展的過(guò)程中。自前蘇聯(lián)阿蓋耶娃發(fā)文以來(lái)7，聲管的測(cè)量方

26、法逐漸發(fā)展起，最初主要應(yīng)用的是脈沖法。隨著chung和blaser在理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面把傳遞函數(shù)法用于管道內(nèi)的聲場(chǎng)測(cè)量8，從而計(jì)算出管端材料的聲學(xué)性能。此后corbett9又討論了水聲聲管中進(jìn)行材料測(cè)量的多種方法，著重討論和發(fā)展了雙水聽(tīng)器傳遞函數(shù)法。在聲管測(cè)量方法發(fā)展的同時(shí)，在被測(cè)量樣品的工作條件控制上無(wú)論是靜水壓控制還是溫度控制都有了極大的發(fā)展。而在水聲信號(hào)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的研制方面，近幾十年里，國(guó)內(nèi)外都有了很大的進(jìn)步。傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)跟不上現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)發(fā)展的步伐，目前的水聲實(shí)驗(yàn)基本上都是依靠自動(dòng)化的測(cè)量設(shè)備來(lái)完成的。傳統(tǒng)的水下噪聲測(cè)量系統(tǒng)，主要由測(cè)量放大器和帶通濾波器組成，需要手動(dòng)筆錄。由于噪聲

27、測(cè)量一般需要經(jīng)過(guò)多次平均才能得到有效結(jié)果，因此如果我們要測(cè)量不同工作狀態(tài)下的噪聲，工作量之大是難以承受的。而且人工讀數(shù)和手工計(jì)算還會(huì)引入誤差，降低測(cè)量精度。當(dāng)前的測(cè)量系統(tǒng)往往是以計(jì)算機(jī)為核心，利用各種控制，分析軟件以及a/d轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集卡和儀表的數(shù)字控制功能，完成對(duì)模擬聲信號(hào)的離散化采集，數(shù)字化分析，并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和輸出，形成所謂虛擬儀器系統(tǒng)。它與傳統(tǒng)的和專用的噪聲測(cè)量系統(tǒng)相比，它具有處理速度快、使用簡(jiǎn)單靈活、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確等等優(yōu)點(diǎn)。1.5 本文工作簡(jiǎn)介本文的工作主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：風(fēng)扇管道消聲設(shè)計(jì)及水聲材料的聲管測(cè)量技術(shù)研究。下面分別進(jìn)行介紹。1）風(fēng)扇管道消聲設(shè)計(jì)以呂亞?wèn)|開(kāi)發(fā)的模態(tài)匹

28、配法計(jì)算程序?yàn)榛A(chǔ)，更正了呂亞?wèn)|文獻(xiàn)中特征值求解公式推導(dǎo)過(guò)程中的錯(cuò)誤；使用環(huán)繞積分方法取代原程序中newton-raphson方法計(jì)算特征值，避免了特征值跳躍問(wèn)題，使其能用于高階周向模態(tài)的計(jì)算。并和caa計(jì)算結(jié)果以及等價(jià)分布源法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證校核，證明模態(tài)匹配方法是一種能夠提供參數(shù)優(yōu)化趨勢(shì)的快捷方法，可以應(yīng)用于風(fēng)扇管道的聲襯優(yōu)化設(shè)計(jì)。將完善后的程序應(yīng)用于j-69-t41a軸流跨音轉(zhuǎn)子及gf90軸流跨音轉(zhuǎn)子聲源的聲襯優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，并應(yīng)用聲襯聲阻抗計(jì)算模型對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。這部分內(nèi)容即為本論文的第二章的內(nèi)容。2）水聲材料的聲管測(cè)量技術(shù)研究結(jié)合北航流體與聲學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室十五

29、211工程建設(shè)項(xiàng)目完成了中低頻水聲聲管的設(shè)計(jì)和建設(shè)；為了設(shè)計(jì)均衡器測(cè)定了發(fā)射換能器的頻響曲線；調(diào)試了聲管配套設(shè)備的功能，如打壓系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、操作臺(tái)架等的使用；進(jìn)行了連續(xù)聲測(cè)量功能的基本調(diào)試；進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析；初步驗(yàn)證了設(shè)備的功能。由于工廠加工的均衡器及發(fā)射換能器收發(fā)合置控制設(shè)備未能及時(shí)交貨，本文中未對(duì)加入均衡器后發(fā)射換能器的頻響曲線進(jìn)行測(cè)量，未能進(jìn)行脈沖法測(cè)量的研究，這是以后需要需要補(bǔ)充進(jìn)行的的。這部分內(nèi)容即為本論文的第三到第五章的內(nèi)容。第六章是總結(jié)。第二章 管道消聲的模態(tài)匹配法優(yōu)化設(shè)計(jì)2.1 前言隨著民用飛機(jī)的日趨普及，航空噪聲已成為一種重要的噪聲污染源，同時(shí)由于各國(guó)對(duì)軍機(jī)在聲隱身方面

30、的要求越來(lái)越高，航空噪聲已經(jīng)引起人們的普遍關(guān)注，并且成為檢驗(yàn)民用飛機(jī)適航性的重要指標(biāo)之一。西方國(guó)家相繼投入了大量人力、物力進(jìn)行航空噪聲研究，并取得了令人矚目的成就,如低噪聲技術(shù)已在boeing747、boeing757、a300、a310等大型客機(jī)上獲得了廣泛應(yīng)用。隨著我國(guó)新支線客機(jī)的研制和干線客機(jī)的研制逐步提到議事日程，降低飛機(jī)噪聲、確保飛機(jī)符合航空噪聲適航條例已成為迫在眉睫的問(wèn)題。本研究是在呂亞?wèn)|工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，主要是校核程序的正確性并投入實(shí)際使用。在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)呂亞?wèn)|的文獻(xiàn)中對(duì)特征值方程的推導(dǎo)有一定的錯(cuò)誤；程序只能在低周向模態(tài)數(shù)下運(yùn)行，在高階周向模態(tài)數(shù)下運(yùn)行出錯(cuò)。針對(duì)以上問(wèn)題本研究

31、提出了完善方法，并通過(guò)和其他計(jì)算方法的校核驗(yàn)證了程序的正確性，使其最終能投入實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中。2.2 物理模型及計(jì)算方法1）均勻流聲襯圓形管道聲傳播的邊界值問(wèn)題（1）微分方程對(duì)有均勻流的無(wú)限長(zhǎng)管道聲波滿足如下對(duì)流波動(dòng)方程： （2.1）在柱坐標(biāo)系中對(duì)流波動(dòng)方程可以通過(guò)采用分離變量法將其化為常微分方程,假設(shè)方程的一個(gè)特解為： （2.2）可得如下常微分方程組21： （2.5）（2.4）（2.3）式中是自由空間波數(shù)，、分別為徑向波數(shù)、周向波數(shù)和軸向波數(shù)。由(2.3)及的周向周期性條件得到： （2.6）(2.4)式可化為： （2.7）是滿足邊界條件的特征值，向傳播波數(shù)需要滿足（2.5），這里規(guī)定流動(dòng)方

32、向在軸正方向。常微分方程（2.7）為整數(shù)階的貝賽爾方程，它的通解為第一類和第二類貝賽爾函數(shù)： （2.8）園管時(shí)其解的形式中僅有第一類貝賽爾函數(shù)，即b0。（2）邊界條件假設(shè)軟壁管道表面位移為： (2.9)這里實(shí)數(shù)，是復(fù)數(shù)。說(shuō)明軟壁管道呈行波的擾動(dòng)。 (2.10)由管壁法向速度的動(dòng)量方程得到： (2.11)(2.11)式表示這里的正方向在向徑方向，即的正方向。將(2.9)代入后，得到， (2.12)這時(shí)引入無(wú)流動(dòng)情況下的聲導(dǎo)納率， (2.13) (2.14)由(2.14)式說(shuō)明的正方向也規(guī)定在的正方向，即的正方向。將(2.14)代入(2.13)，得到： (2.15)由(2.12)及(2.15)得到

33、壁面邊界條件： (2.13)這里通過(guò)(2.5)式與相關(guān)聯(lián)，它是求解特征值和特征函數(shù)的邊界條件。將(2.5)式代入，即可得到求解特征值的復(fù)超越方程。（3）特征值問(wèn)題的討論由(2.5)和(2.13)園管道求解特征值的復(fù)超越方程： (2.14)令化簡(jiǎn)得到如下的超越方程組： (2.15)求解這個(gè)超越方程組可得到徑向特征值，和軸向傳播波數(shù)。上式中除、及、外其余都為實(shí)數(shù)，因此，的共軛是以下超越方程的根。 (2.16)顯然(2.15)與(2.16)中的第二式形式相同，第一式形式不同，相差一個(gè)符號(hào)，這說(shuō)明共軛根并不是滿足物理意義的解，但通過(guò)后面的討論可以知道它代表了另一種波動(dòng)表示形式的解。由(2.15)式得到

34、： (2.17)以上的推導(dǎo)中聲波是用傳播用因子來(lái)表示，若規(guī)定為正值，亞音速條件下，聲波從傳播到，則要求： (2.18)第一式表示行波的傳播方向，第二式表示在傳播方向上波是衰減的。根據(jù)(2.18)式選擇式(2.17)式中平方根的正負(fù)號(hào)，實(shí)際上根據(jù)(2.18)的第二式確定正負(fù)號(hào)后，第一式可自動(dòng)滿足。當(dāng)聲波用與前一種情況共軛的傳播因子來(lái)表示時(shí)，為保證波的正向傳播及在傳播方向是衰減的，仍需要滿足(2.18)，同時(shí)所有相應(yīng)的復(fù)參數(shù)將為上一種情況的共軛，即軟壁管道表面位移為： (2.19)軟壁管道的行波擾動(dòng)： (2.20) (2.21) (2.22) (2.23)在這種情況下的導(dǎo)納是前一種情況的共軛。 (

35、2.24)獲得的求解特征值的超越方程與前一種情況也是共軛方程，由于方程右端有虛數(shù)單位，因此共軛后相差一個(gè)負(fù)號(hào)，為： (2.25)令,化簡(jiǎn)得到如下的超越方程組：(2.26)(2.26)與(2.16)的形式相同，說(shuō)明它是前一種情況特征值方程的共軛方程。類似的方法可討論波傳播用因子為的情況，相應(yīng)的聲導(dǎo)納率和超越方程分別為： (2.27) (2.28)這時(shí)的導(dǎo)納率也是第一種情況的共軛數(shù)，由于對(duì)不同的波傳播表示方法得到的導(dǎo)納率及特征方程不同，因此在與其它方法進(jìn)行比較時(shí)需要特別注意。2）無(wú)限長(zhǎng)軟壁管道的聲傳播的模態(tài)展開(kāi)在確定了特征值和傳播波數(shù)后可以將管道聲場(chǎng)用聲模態(tài)展開(kāi)： (2.29)對(duì)硬壁管道徑向模態(tài)是

36、正交的，可以方便地用正交展開(kāi)的方法求解展開(kāi)模態(tài)系數(shù)，對(duì)軟壁管道其徑向模態(tài)非正交，求解模態(tài)系數(shù)可首先正交化后求解，但對(duì)有限項(xiàng)近似展開(kāi)可用保留交叉項(xiàng)的方法計(jì)算13,見(jiàn)附錄a。3）均勻流多段聲襯圓形管道聲傳播預(yù)測(cè)模型對(duì)多段管道聲傳播問(wèn)題可以近似為：1)每段管道的聲場(chǎng)滿足無(wú)限長(zhǎng)管道聲傳播的模態(tài)展開(kāi)形式；2)各段交界面滿足聲壓和聲質(zhì)點(diǎn)速度連續(xù)條件；在(2.29)模態(tài)展開(kāi)的基礎(chǔ)上，在有前傳和后傳聲波情況下。在j段任意軸向位置z的聲壓為： (2.30) (2.31) (2.32)這里我們以兩段管道為例，如圖2.1所示：stlj圖2.1 兩段管道示意圖（1）聲壓連續(xù)條件： (2.33)寫(xiě)成矩陣形式： (2.3

37、4)注意矩陣表示中的指標(biāo)是這樣規(guī)定的， 表示所在聲襯管道段，表示傳播方向，正號(hào)為向下游傳播，負(fù)號(hào)為反射，這樣表示段正向傳播模態(tài)，表示段負(fù)向傳播模態(tài)。注意這里的矩陣都是針對(duì)相同周向模態(tài)下不同徑向模態(tài)分量而言；如表示段正向傳播模態(tài)特征函數(shù)，由于軸向傳播的影響已包括在系數(shù)中，因此它只包括反映徑向分布的特征函數(shù)，在圓形管道情況這就是貝賽爾函數(shù)；在硬壁條件其特征函數(shù)是正交的，并且上游模態(tài)與下游模態(tài)的特征值及特征函數(shù)相同，對(duì)軟壁則不相同。（2）軸向速度分量連續(xù)條件 (2.35)為把軸向速度表示成聲壓形式應(yīng)用動(dòng)量定理：可得到： (2.36)將速度連續(xù)條件寫(xiě)成矩陣形式： (2.37)其中的元素是： (2.38

38、)可以由上面的關(guān)系式求出在兩段聲襯的交接面上的模態(tài)系數(shù)匹配為： (2.39)上式的物理含義是傳播方向下游端面?zhèn)鞑シ较虻哪B(tài)系數(shù)為，它是由上游端面?zhèn)鞑シ较虻哪B(tài)通過(guò)傳遞矩陣傳播過(guò)來(lái)，并包括下游反射模態(tài)的二次反射，其反射矩陣為。 (2.40)上式的物理含義是傳播上游端面反射方向的模態(tài)系數(shù)為，它是由下游端面反射模態(tài)通過(guò)傳遞矩陣傳播過(guò)來(lái)，并包括上游傳播方向模態(tài)的反射，其反射矩陣為。為了計(jì)算傳遞矩陣和反射矩陣首先定義幾個(gè)量。模態(tài)關(guān)聯(lián)矩陣，表示模態(tài)向量與模態(tài)向量的關(guān)聯(lián)矩陣，其通項(xiàng)為： (2.41)注意這里指標(biāo)對(duì)應(yīng)于模態(tài)，指標(biāo)對(duì)應(yīng)于模態(tài)。聯(lián)立(2.34)(2.37)推導(dǎo)(2.39)(2.40)。推導(dǎo)(2.3

39、9)就是要在(2.34)(2.37)中消去，求向量，在(2.34)和(2.37)式中兩邊乘模態(tài)向量，并積分，得到： (2.42) (2.43)由(2.40)式得到： (2.44)將(2.44)式代入(2.43)式，得到： (2.45)令： (2.46) (2.47) (2.48) (2.49)即得到(2.36)。 顯然推導(dǎo)(2.40)就是要在(2.34)(2.37)中消去，求，在(2.34)和(2.37)式中兩邊乘模態(tài)向量，并積分，得到：(2.50) (2.51)由(2.51)式得到： (2.52)將(2.49)式代入（2.48）式，并利用下面的表達(dá)式(2.51)，得到： (2.53) (2.

40、54) (2.55) (2.56) (2.57)由以上表達(dá)式得到(2.37)式與聲源與斷口平面上前傳和后傳模態(tài)向量相關(guān)的方程分別為： (2.58)這里、分別是源平面和端口平面上的反射矩陣，、分別是源平面和端口平面上的廣義模態(tài)向量。獲得各管道分段界面上模態(tài)反射和模態(tài)透射以及在均勻管道中聲波模態(tài)前傳和后傳之間互相關(guān)聯(lián)的矩陣方程后，我們就可以通過(guò)源平面和端口平面上的廣義模態(tài)向量,以及管道壁面上的聲學(xué)參數(shù)和管道流動(dòng)參數(shù)計(jì)算得到多段管道中任意截面處的聲模態(tài)解向量。使用模態(tài)匹配方法得主要困難是確定源平面和端口平面上的反射矩陣，理論上可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算的方法獲得反射矩陣，如使用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法，但精確測(cè)量反射

41、矩陣是非常困難的，歷史上曾試圖采用一些解析方法或數(shù)值方法來(lái)確定反射矩陣，但都沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用。但是若將端口反射忽略，則反射矩陣、及端口廣義矩陣向量為零，相當(dāng)于端口為無(wú)窮長(zhǎng)無(wú)反射管道情況，則可方便地使用這種方法求解管道聲襯的消聲量，使用這種計(jì)算物理意義明確，十分快捷，作為一種近似設(shè)計(jì)的計(jì)算方法是十分有價(jià)值的。4）消聲量計(jì)算由軸向聲強(qiáng)公式16計(jì)算得到任意管段截面上的聲能量。 (2.59) (2.60)通過(guò)所獲得的多段管道中第一個(gè)平面和最后一個(gè)平面上的聲能量通量可計(jì)算由管道中聲襯引起的噪聲的消聲量。2.3 程序的完善與改進(jìn)1） 原文獻(xiàn)中特征值求解公式推導(dǎo)錯(cuò)誤的改善在呂亞?wèn)|的論文中，當(dāng)假設(shè)軟壁管道表面

42、位移為：時(shí)，推導(dǎo)出來(lái)的特征值求解公式為：。但在公式驗(yàn)證推導(dǎo)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)根據(jù)以上的邊界條件推導(dǎo)出來(lái)的正確特征值求解公式應(yīng)該是:。2） 特征值求解方法的完善無(wú)限長(zhǎng)軟壁管道的聲傳播問(wèn)題歸結(jié)為特征值求解問(wèn)題，即求解特征值的復(fù)數(shù)方程組(2.16)，特征值求解的正確性對(duì)后面模態(tài)系數(shù)的求解有決定性的影響。對(duì)硬壁管道方程組(2.16)是實(shí)數(shù)方程組，容易使用newton-raphson法求解；當(dāng)為軟壁管道時(shí)方程組(2.16)是復(fù)數(shù)方程組，可以將原代數(shù)方程化為求解變量的常微分方程，以硬壁解為初始值求軟壁的解，可以使用二階的newton-raphson法求解常微分方程。原程序在求解的過(guò)程中就是這樣使用二階的newto

43、n-raphson法，四階的runge-kutta法求解。但由于直接使用二階的newton-raphson法在求解復(fù)數(shù)高階模態(tài)過(guò)程中容易出現(xiàn)跳根的情況，而使用首先求硬壁特征值，再用四階的runge-kutta法求解軟壁特征值的方法，求解精度不容易保證，并且一階根很可能求解的不正確。最終選定的是環(huán)繞積分法12，使用這種方法能精確地依次獲得各階模態(tài)的徑向本征值。對(duì)于復(fù)數(shù)的特征值方程是一個(gè)復(fù)數(shù)的超越方程，其求解的困難在于精確定位各階復(fù)數(shù)根在復(fù)平面的位置，而使用newton-raphson法，或使用runge-kutta法都無(wú)法滿足這項(xiàng)要求，而環(huán)繞積分方法的優(yōu)點(diǎn)則是可精確定位各階根的位置，并求解。根據(jù)

44、復(fù)變函數(shù)的幅角原理，如果函數(shù)f(x)在簡(jiǎn)單閉曲線c的內(nèi)部d除了有限個(gè)階數(shù)分別是的極點(diǎn)外解析，在上除了點(diǎn)外連續(xù)，在c上沒(méi)有零點(diǎn)與極點(diǎn)，而在d內(nèi)有階數(shù)分別為的零點(diǎn),那么零點(diǎn)的總個(gè)數(shù)n減去極點(diǎn)的總個(gè)數(shù)p為： (2.29)注意這里的總零點(diǎn)和總極點(diǎn)數(shù)包括了階數(shù)，即二階零點(diǎn)表示了兩個(gè)零點(diǎn)，其中表示點(diǎn)z沿曲線c移動(dòng)一圈后的復(fù)角改變量。設(shè)是曲線c在映射下的象，則稱為曲線的回轉(zhuǎn)次數(shù)。這個(gè)回轉(zhuǎn)次數(shù)記錄的是曲線穿過(guò)實(shí)軸軸的次數(shù)，如果從上向下穿過(guò)負(fù)實(shí)軸，那么加一，如果從下向上穿過(guò)負(fù)實(shí)軸，那么減一，這種穿越分別對(duì)應(yīng)與封閉曲線內(nèi)的零點(diǎn)與極點(diǎn)。利用幅角原理以及積分法求解非線性復(fù)數(shù)方程零點(diǎn)的解法，可以參考文獻(xiàn)11和12。其中

45、文獻(xiàn)12對(duì)文獻(xiàn)11進(jìn)行了改進(jìn)，利用矩形塊將積分曲線逐步細(xì)化，使得封閉曲線內(nèi)部細(xì)化到每一個(gè)小的矩形塊中只包含有一個(gè)零點(diǎn)，然后用一階環(huán)繞積分結(jié)合割線法求解零點(diǎn)，從而提高求解的精度。利用環(huán)繞積分方法求根過(guò)程中求根范圍的選取是很重要的。對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)這樣大規(guī)模的計(jì)算如果用手動(dòng)調(diào)節(jié)顯然是不可取的，通過(guò)計(jì)算實(shí)踐發(fā)現(xiàn)軟壁特征值的實(shí)部是按照硬壁對(duì)應(yīng)階數(shù)的特征值按階數(shù)次序排列的，如對(duì)于17階周向模態(tài)軟壁特征值的求解，對(duì)應(yīng)硬壁一階徑向特征值為19.1，這樣就可以大致確定軟壁的一階特征值求解的實(shí)部在19.1左右，這樣實(shí)部從8開(kāi)始，以步長(zhǎng)2，虛部可以取統(tǒng)一的長(zhǎng)度25這樣的矩形范圍為求解范圍，直到所需徑向特征值求解為止。

46、其優(yōu)點(diǎn)是可以將求解域分塊，各個(gè)子塊互不重疊，并且使得每個(gè)求解域內(nèi)的零點(diǎn)個(gè)數(shù)盡量唯一。但需要注意的是利用環(huán)繞積分時(shí)一定要保證幅角連續(xù)，也就是求解域內(nèi)及邊界上沒(méi)有極點(diǎn)，邊界上沒(méi)有零點(diǎn)點(diǎn)。從(2.14)式中可以看出需要求解的特征方程在求解域內(nèi)不會(huì)有極點(diǎn)，一般情況所取的邊界上不會(huì)有零點(diǎn)。2.4 程序的驗(yàn)證與校核為了對(duì)模態(tài)匹配法程序進(jìn)行驗(yàn)證與校核使用j-69-t41a軸流跨音轉(zhuǎn)子的幾個(gè)算例進(jìn)行了計(jì)算，將其與caa計(jì)算結(jié)果17及臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果18進(jìn)行了對(duì)比。并對(duì)gf90的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，其結(jié)果與使用caa方法以及等價(jià)分布源方法14計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了比較。2.3.1聲源為j-69軸流跨音轉(zhuǎn)子的算例管道內(nèi)直徑

47、356mm，聲襯段長(zhǎng)300mm。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為22000rpm，轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為17，計(jì)算工況來(lái)自文獻(xiàn)“caa計(jì)算管道消聲量研究報(bào)告”中的7個(gè)算例，由于第二個(gè)算例的工況為一階通過(guò)頻率分量截止工況，因此只計(jì)算其余6種工況。算例考慮了90折合轉(zhuǎn)速和100折合轉(zhuǎn)速兩種情況。90折合轉(zhuǎn)速的情況下葉片一階通過(guò)頻率為5610hz，管內(nèi)流速為97.89(m/s)，管內(nèi)聲速為334(m/s)。包括算例1和3；100折合轉(zhuǎn)速的情況下葉片一階通過(guò)頻率為6233hz，管內(nèi)流速為112.9(m/s)，管內(nèi)聲速為339.4(m/s)。包括算例4到7。以上兩種工況下j69轉(zhuǎn)子的主要噪聲源是定常載荷噪聲產(chǎn)生的一階通過(guò)頻率分量，主要

48、模態(tài)是17階周向模態(tài)，其相應(yīng)的徑向模態(tài)中二階以上都是截止的，只有一階徑向模態(tài)傳播。計(jì)算中考慮了17階周向模態(tài)的4階徑向模態(tài)。為了和caa計(jì)算中的的無(wú)反射條件對(duì)應(yīng)，各算例中出口給的是無(wú)限長(zhǎng)管道無(wú)反射的情況，即出口端m=17,n=1到4階的模態(tài)向量值均為(0，0)。因?yàn)闆](méi)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出計(jì)算所需要的入口聲源模態(tài)向量，因此入口聲源處模態(tài)向量的輸入按4種假設(shè)情況給出，包括僅有1階徑向模態(tài)，僅有1階、2階，僅有1階、2階、3階，和4階全部考慮；各階的幅值假定隨階數(shù)按等比數(shù)列衰減，由于只有一階徑向模態(tài)傳播，因此各種輸入不會(huì)有大的差別。聲源徑向模態(tài)數(shù)輸入1：m=17,n=1階模態(tài)向量為（8.0，8.0），m=

49、17,n=2到4階模態(tài)向量均為（0.0，0.0），聲源徑向模態(tài)數(shù)輸入2：m=17,n=1階模態(tài)向量為（8.0，8.0），m=17,n=2階模態(tài)向量為（4.0，4.0）m=17,n=3和4階模態(tài)向量均為（0.0，0.0），聲源徑向模態(tài)數(shù)輸入3：m=17,n=1階模態(tài)向量為（8.0，8.0），m=17,n=2階模態(tài)向量為（4.0，4.0）m=17,n=3階模態(tài)向量為（2.0，2.0），m=17,n=4階模態(tài)向量均為（0.0，0.0），聲源徑向模態(tài)數(shù)輸入4：m=17,n=1階模態(tài)向量為（8.0，8.0），m=17,n=2階模態(tài)向量為（4.0，4.0）m=17,n=3階模態(tài)向量為（2.0，2.0），m

50、=17,n=4階模態(tài)向量為（2.0，1.0），各算例中使用的聲襯結(jié)構(gòu)參數(shù)際使用聲阻抗模型計(jì)算得到的聲阻抗列于表1。表1.各算例聲襯的結(jié)構(gòu)參數(shù)及特征頻率下的無(wú)量綱特性聲阻抗表 算例1（5610hz） 算例3（5610hz） 算例4（6233hz） 算例5（6233hz） 算例6（6233hz）算例7(6233hz)蜂 窩高高 度60 mm36 mm60 mm60 mm34 mm30 mm孔 徑2 mm2 mm2 mm2 mm2 mm2 mm穿孔率5%5%5%7%7%7%板 厚0.5mm0.5mm0.5mm0.5mm0.5mm0.5mm阻 抗實(shí)實(shí) 部0.4072.0242.42261.4761.7

51、330.438阻 抗虛虛 部-22.150.18320.2051-0.360.077-2.543注：括號(hào)中列出的是算例的特征頻率用模態(tài)匹配法計(jì)算結(jié)果與caa計(jì)算結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較見(jiàn)下表表2.消聲量對(duì)比算例號(hào)caa計(jì)算消聲量結(jié)果（db）實(shí)驗(yàn)測(cè)得一階消聲量（db）聲源徑向模態(tài)數(shù)輸入1計(jì)算消聲量結(jié)果（db）聲源徑向模態(tài)數(shù)輸入2計(jì)算消聲量結(jié)果（db）聲源徑向模態(tài)數(shù)輸入3計(jì)算消聲量結(jié)果（db）聲源徑向模態(tài)數(shù)輸入4計(jì)算消聲量結(jié)果（db）115.5 無(wú)0.40121.25021.78472.02383 45 無(wú)112.505110.3369111.8780111.02914 6349.852.42275

52、0.156251.980351.37755 49 無(wú)83.8882.12183.32183.1026 50 58.862.83360.89561.53261.1237 43 無(wú)43.4541.2342.2442.01從上表的計(jì)算結(jié)果看出第1算例caa計(jì)算與模態(tài)匹配法計(jì)算的消聲量結(jié)果都較差；4、6算例的模態(tài)匹配法計(jì)算結(jié)果與caa計(jì)算結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較滿意的符合；7算例的模態(tài)匹配法計(jì)算結(jié)果與caa計(jì)算結(jié)果有較滿意的符合。2.3.2聲源為gf90軸流跨音轉(zhuǎn)子的算例轉(zhuǎn)數(shù)；;葉片數(shù)：；葉片直徑：，聲襯長(zhǎng)度為0.8m。計(jì)算中考慮了32階周向模態(tài)和4階徑向模態(tài)的影響。由于三階以上的模態(tài)截止，入口模態(tài)向量按照硬壁管道旋轉(zhuǎn)力源的模態(tài)分解得到：m=32,n=1階模態(tài)向量為（2.0，0.0），m=32,n=2階模態(tài)向量為（0.94.0，0.0）,m=32,n=3階模態(tài)向量為（-1.62.0，0.0），m=32,n=4階模態(tài)向量為（0.0，0.0）輸入，出口給的是無(wú)限長(zhǎng)管道無(wú)反射的情況，即m=32,n=1、2、3、4階的模態(tài)向量值均為（0，0）