高流速下微穿孔結(jié)構(gòu)的非線性聲學(xué)特性.docx

1、第19卷第4期1981年】2月Voi.19NUDec,1991同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNALOFTQNGJIUNIVERSITY高流速下微穿孔結(jié)構(gòu)的非線性聲學(xué)特性王佐民趙松齡霍麟禎熊玲杰,¥（同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所）（上誨飛機(jī)研究所）'摘要本文著重研究左高聲強(qiáng)條件下高速氣流對(duì)微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)非線性聲學(xué)特性的影響.研究表明.隨著氣流馬赫數(shù)的增加，吸聲結(jié)構(gòu)的消聲系數(shù)明顯下降，聚穿孔板的非線性聲阻和聲質(zhì)置修正值都略有戚少.更需注意.在高速流條件下吸聲結(jié)構(gòu)的共振繹將會(huì)發(fā)生偏移.此時(shí)、必狗考慮聲波傳播時(shí)的多普勒效應(yīng).關(guān)詢，高速流，微穿孔板，非線性。一、引言微穿孔吸聲結(jié)構(gòu)是由穿孔面板、蜂窩芯層

2、和底板組成的共振吸聲結(jié)構(gòu)。選用適當(dāng)?shù)牟牧峡墒乖撐暯Y(jié)構(gòu)具有耐高溫耐腐蝕和能承受高速氣流沖擊等顯著優(yōu)點(diǎn)。因此，這種吸聲結(jié)構(gòu)巳被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)消聲短艙。由于微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用于高聲強(qiáng)高流速的環(huán)境中，超出了線性理論適用的范圍，無法應(yīng)用已有的理論計(jì)算公式油。國(guó)內(nèi)外在共振吸聲結(jié)構(gòu)的非線性理論方面均巳進(jìn)行了大屋卓有成效的研究工作”-可。然而，這些工作大都限于無流狀況的吸聲結(jié)構(gòu)非線性聲學(xué)特性。本文將著重研究高速氣流對(duì)共振吸聲結(jié)構(gòu)的非線性聲學(xué)特性的影響。.'二、實(shí)驗(yàn)裝置及方法實(shí)驗(yàn)采用圖1所示的裝置。選用由Y280M-6型電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的62LD型羅茨風(fēng)機(jī)作為供氣源，風(fēng)機(jī)流量在40m3/m

3、in左右。選用羅茨風(fēng)機(jī)作為氣源具有流量大、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。安裝奪三通管道及控制迥門不僅是羅茨風(fēng)機(jī)啟動(dòng)的需要，而且可以通過調(diào)節(jié)閥門來控制與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)管道所需的代流流速。在實(shí)驗(yàn)段（即微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)段前安裝了四組不同激發(fā)頻率的簧片哨以得到較高的寬帶噪聲級(jí)。實(shí)驗(yàn)中采用了圖2所示的微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)；在50x50mm扁形剛性管道的頂面可安本文收到日期：1990年9月19日裝不同穿孔率的微穿孔板。穿孔板的背面為深度可調(diào)的隔板和剛性背板。每段實(shí)驗(yàn)段的長(zhǎng)度為500mm。氣流流經(jīng)變截面連接管道和©250mm的排氣管道送至隔聲墻外，測(cè)點(diǎn)位于出氣口45。方向lm處，離地高度1.lm。測(cè)點(diǎn)周圍為開闊空地，除

4、地面和隔聲墻外，端口周圍20m區(qū)域內(nèi)無其他反射物。圖2微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)實(shí)瞼段Fig.2Theexperimentalsectionwithaperforatedplatestvucture實(shí)驗(yàn)研究中,先后測(cè)量了馬赫數(shù)M=0.20.6條件下分別安裝無孔剛性面板和不同微穿孔板時(shí)測(cè)點(diǎn)P處的聲壓級(jí)。微穿孔板的穿孔率分別為2.18%,3.14%,4.91%和8.73%,板厚為1mm。微穿孔板后的空腔深度分別為10mm,20mm和30mm。實(shí)臉中采用了兩套儀器來測(cè)定測(cè)點(diǎn)P處的聲壓級(jí)。其中一套是B/K.4165電容傳苒器及RIONSA-25型1/3倍頻程實(shí)時(shí)分析儀，另一套是B/K4165電容傳聲器及B/K

5、1616型1/3倍頻程濾波器和B/K.2209型脈沖精密聲級(jí)計(jì)。三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析表1結(jié)出了安裝剛性畫板時(shí)不同氣流馬排數(shù)條件下測(cè)點(diǎn)P處的聲壓級(jí)。測(cè)量表明由羅茨風(fēng)機(jī)和黃片靖蛆所產(chǎn)生的噪聲為寬帶噪聲，其線性聲壓級(jí)隨著氣流馬赫數(shù)由0.19至0.75的增加，從103.3dB增加到120.9dBo考慮到地面反射和距離衰減等因素，估計(jì)在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部的王佐民等：高流速下微穿孔結(jié)構(gòu)的非踐性聲學(xué)持性dBdB聲壓級(jí)要比P點(diǎn)的測(cè)試值高40dB左右，巳能達(dá)到可產(chǎn)生非線性效應(yīng)的高聲強(qiáng)級(jí)。Mtoo12515020025031640050053080010000.1965.080.075.688.496.496.2101.

6、590.977.981,978.S0.3075.590.382.396.6104.2104.9103,994.788.292.588.20.4076.795.386.5100.3103.7108.5103.692.192.199.198.80.4981.4100.390.3104.7104.5111.5110,1102.2101.199.7100.30.6383.9102,593.1108.6102.2112.2110.3103.0103.1105.3105.00.7587.2106.995.5108.3100.7108.6112.0109.9110.8110.2110.1表1剛性面板條件下P

7、點(diǎn)的淵量值/Hz/Hz1250160020002500315040005000<63008000AL0.1977.572.065.868.063.262.161.1S9.157.997.8103.30.3087.085.177.078.977.076.276.173.873.0103.6109.40.4092.189.085.687.685.884.683.383.383.1106.5111.20.4999.897.394.497.095.394.193.192.892.4111.3116.40.53104.8103.2102.4103.4101.6100.8100.299.598.91

8、15.0117.70.75110.2110.1108.6109.0107.5106.710S.0105.0104.6119.7120,9MTab,1ThemeasuredSPLofPunderrigidplatecondition衰減量下降且峰的頻率也向低頻段移動(dòng).當(dāng)其原因之一是隨著氣流馬赫數(shù)的增加，氣流圖3給出兩種微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)在不同馬耕數(shù)條件下的吸聲特性。測(cè)量表明，衰減量的峰值在1kHz左右，隨著氣流馬赫數(shù)的增加，M20.49時(shí)，衰減量甚小，數(shù)據(jù)的有效性較差。圖3兩種鞭穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)的食喊量<a）孔徑1.2mtn,孔距<mm,面板厚Itnm.腔滉3cm,穿孔率4.91%&

9、lt;b）孔&2tnm.孔距5mm.面板厚imm.脂深3cm,穿孔率8.73%Fig.3Theattenuationcurvesofperforatedplates.本身產(chǎn)生的再生噪聲明顯增高，已可與噪聲源（指風(fēng)機(jī)和簧片哨產(chǎn)生的經(jīng)微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)衰減后的聲壓級(jí)相比擬，從而使得實(shí)際測(cè)得的衰減量下降。為了具體分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須考慮到聲波的傳播特性。本文采用扁矩形消聲官道中聲傳播的理論來進(jìn)行分析考慮到一級(jí)近似有公式D=Aii<1)吊<i+Mr0)2+MLoz<2)a一4.34】_,<3)°，+“+啊/3)2H=2hjk(4)z9=z/p=P()Co(r+j

10、x)<5)C=Z,/P0Co(6)9=)1一券="由<7)2tan(X»)二訶/(8)其中：D是聲壓衰減髭；Al為一級(jí)近似消聲系數(shù)3。為無流速時(shí)的消聲系數(shù)3M為氣流馬毓數(shù).，為吸聲結(jié)構(gòu)相對(duì)聲阻率8*為吸聲結(jié)構(gòu)相對(duì)聲抗率3功為頻率參數(shù)J。為吸聲結(jié)構(gòu)相對(duì)聲阻抗率，/為分布參數(shù)59為傳播參數(shù)3為為扁矩形對(duì)稱消聲通道半高度J為波長(zhǎng)，P。為氣體密度6C。為氣體中聲速。由于在剛性面板和微穿孔面板狀況下，氣體流速、端口反射、管道收擴(kuò)變化及地面反射等條件完全相同，因此在計(jì)算兩次測(cè)量值的差值時(shí)，這些因素的影響全部可以抵消，不再對(duì)聲壓衰減最D產(chǎn)生作用。但是，由于管壁振動(dòng)傳播等因素將

11、使實(shí)際測(cè)得的衰減量比理論估算值要小。這在公式中等價(jià)于將消聲系數(shù)4。乘上一個(gè)小于1的因子。同時(shí)，由無流狀況的微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)理論知，共振結(jié)構(gòu)總的相對(duì)聲抗是X=(omW"H,Co(9)g=l.847ol+/6+“/2+°85d/<10)<11)其中：H是空腔深度，為聲波角頻率，/為聲波頻率6t為微穿孔板厚度3d為孔徑8P為穿孔率。根據(jù)公式（I）至（II）,應(yīng)用最小二乘法原理，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的衰減量數(shù)據(jù)出發(fā)，得到曲線擬合最佳時(shí)的，值和公式（10）中系數(shù)0.85的替換值仰，即能得到微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)的非線性聲阻率和末端修正值。擬合計(jì)算所得的裝減曲線也已畫在圖3中。由

12、擬合所得的，值和心值列在表2中，表2中還列出M>0.49條件下算得的，和u/值，以作參考。分析表明I（1）隨著汽流馬赫致的增加，衰減最減小。其原因除了氣流再生噪聲的影響第4期王佐民號(hào)：高流速下被穿孔結(jié)構(gòu)的非線性聲學(xué)特性431表2，和w的擬合計(jì)算值圖3（。）飽試段結(jié)構(gòu)圖3<b）測(cè)試段結(jié)拘rwrw0.191.50.381.20.410.301.50.371.40.350.401.40.381.4(0.75)0.491.40.381.40.410.631.40.381.40.43Tab.2Thecalculatedvaluesofrandw外，還由于聲波在氣流中的傳播特性的影響。反映在公

13、式（2中，為分母中引入了的關(guān)系。因此，隨著M的增加，消聲系數(shù)隨之下降。<2）存在氣流時(shí)吸聲結(jié)構(gòu)的共振峰將發(fā)生偏移。隨著馬場(chǎng)數(shù)的增加，共振峰所對(duì)應(yīng)的頻率將向低頻端移動(dòng)。研究表明，在高速流情況下，必須考慮聲波傳播時(shí)的多普勒效應(yīng)。即在使用公式9）和（10）時(shí)，不能直接將聲波角頻率。代人，而應(yīng)乘上一個(gè)因子。理論上應(yīng)從傳播系數(shù)g中導(dǎo)出這個(gè)因子。但在粗略計(jì)算時(shí)可采用=+（12）這里，。'指代入公式（9）和（10）中的實(shí)際計(jì)算頻率。應(yīng)該指出這種多普勒效應(yīng)對(duì)吸聲頻響的影響很大，在實(shí)際設(shè)計(jì)中不可忽視。（3）將計(jì)算得到的r值與無流狀況的非線性聲阻公式的估算結(jié)果相比較，兩者基本一致?？梢钥吹椒蔷€性聲阻

14、受馬斡數(shù)的影響很小。文獻(xiàn)7所介紹的關(guān)于“平行孔板的氣流所產(chǎn)生的聲阻相當(dāng)于馬赫數(shù)眩乘以0.03/寸的關(guān)系是可信的。這也就是說，在實(shí)際設(shè)計(jì)中不必認(rèn)真考慮這個(gè)因素所產(chǎn)生的非線性聲阻修正。（4）由于氣流和高聲強(qiáng)的影響，使得公式（10）中的端口修正值0.85減少成為表2中的"值。目前一般認(rèn)為這種減少是由于“吹掉”了穿孔板管道小孔外側(cè)面的振動(dòng)質(zhì)量。但是.依據(jù)這種分析，公式（1。）中的修正值最多減少一半，應(yīng)為0.43左右。但實(shí)驗(yàn)擬合值小于此值，這可能是由于兩臨近小孔間的相互影響之故盡管，與多普勒效應(yīng)相此，"值的修正對(duì)吸聲頻響的影響較小。但是，仍需在今后的設(shè)計(jì)工作中給予應(yīng)有的重視。前面已經(jīng)

15、闡述了由實(shí)驗(yàn)研究及相應(yīng)的分析所得的氣流馬赫數(shù)對(duì)微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)的非線性聲學(xué)特性的某些影響，取得了若干重要結(jié)果。特別是流速多普勒效應(yīng)對(duì)吸聲結(jié)構(gòu)共振峰的影響尤為重要。目前尚未在收集到的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中見到類似的報(bào)導(dǎo)。由于各種條件的限制，本文的實(shí)驗(yàn)研究是在多因素共存的條件下進(jìn)行的。因此，對(duì)于氣流馬赫數(shù)M與某些參量之問的準(zhǔn)確定最關(guān)系尚需開展更為深入的研究。參考文獻(xiàn)1趙松齡.噪聲的降低與隔離，上冊(cè)，上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1985.L23馬大猷.微穿孔板聲阻抗的直接準(zhǔn)確測(cè)量.聲學(xué)學(xué)報(bào)，1983$8(5),257261.E33趙松齡，盧元偉.關(guān)于穿孔板的非線性聲阻.物理學(xué)報(bào)，1978,27(5):600-60

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17、計(jì).聲學(xué)學(xué)報(bào)，1988；13(3)t174180.AnExperimentalStudyontheNonlinearAcousticCharacteristicsofMicroperforatedPlateAbsorbingStructureUnderHighSpeedFlowWangZuominZhaoSongling(InstituteofAcousticsTongjjUniversity)HuoLinzhenXiongLingjie.(ShanshaiAircraftResearchInstitute)AbstractInthispaper,theeffectonnonlinearacousticcharacteristicsofmicroper-foratedplateabsorbingstructurehasbeenstudiedexperimentallyundertheconditionofintensivesoundpressureandhighMachnumber.ItisshownthattheattenuationcoefficientwilldecreaseobviouslywiththeincreaseofMachnumb