复合材料声衬声阻抗性能测试试验研究

黄太誉，高 翔

(中国飞机强度研究所 第三十二研究室，陕西 西安 710065)

1 引 言

喷气式发动机问世伊始，在噪声传递路径中铺设声衬一直是最主要的噪声控制手段[1，2]。从上世纪中期开始，航空工业的蓬勃发展给人们的交通带来了极大的便利，但是飞机带来的噪声污染却愈发严重。为解决日益突出的航空发动机噪声问题，采用声衬吸声仍是当前在改善发动机噪声中最有效的降噪技术。

迄今为止，国外对于声衬的使用和研究已有超过70年的历史，声衬广泛应用于商用航空发动机的短舱。微穿孔板结构是马大猷[3-5]院士提出的、国内发展最早的声衬结构，短舱内使用的声衬大多是微穿孔板蜂窝夹层吸声结构。目前，金属材料微穿孔板和蜂窝芯材制成的声衬产品发展已日臻成熟。随着航空器轻质化的要求以及复合材料制备、加工工艺的发展，树脂基复合材料因其具有比刚度大、轻质、加工性强等优点，适用于短舱声衬的加工制造[6-9]。

本文以某特定的声阻抗为目标，分别设计制备了树脂基复合材料的声衬样件，并对声衬样件分别进行了结构参数和声学性能等参数性能测试研究。复合材料声衬的测试结果分析表明，由于复合材料声衬加工制备方面的优势，声衬结构参数的控制精准，声学性能表现良好，为复材声衬的应用做出了有益探索。

2 试验对象

微穿孔板蜂窝夹层结构的声衬主要由穿孔面板、蜂窝芯、无孔背板组成，可以看成是多个Helmholtz共振器的并联，如图1所示。穿孔板中的空气类似于质量块，而蜂窝腔中的空气类似于弹簧，即单个亥姆霍兹共振器可以看成小孔空气质量与空腔空气弹簧组成的弹簧系统。当入射声波频率与弹簧系统频率一致时产生共振，小孔空气剧烈振动摩擦，声能转换为热能而耗散。

图1 微穿孔板蜂窝夹层结构示意图

声阻抗是决定声衬降噪效果的主要参数，其定义是声衬表面声压p与表面法向质点速度u的比值，在频域中为一个复数物理量，其中实部为声阻R，虚部为声抗X。将其用空气特性阻抗ρc进行无量纲化，获得相对声阻抗：

(1)

工程上通常基于大量试验获得半经验的声阻抗模型对声衬进行设计。比较有代表性的是Goodrich声阻抗模型[10]，Z的数学表达如(2)所示：

Z=Zof+SrVp+Rg+iSmVp-icot(kL)

(2)

式中，Zof为黏性阻、黏性抗和厚度项，SrVp为高声压级声阻，Rg为切向流声阻，SmVp为高声压级对应的声抗项，各项数学表达如(3)所示：

(3)

根据Goodrich模型，声阻抗不仅与声衬结构参数(孔径d、穿孔率σ、穿孔板厚度t、蜂窝腔深L)相关，还受工作环境影响(声压级相关的声质点速度Vp、切向流速Vg、边界层厚度δ)。

涡扇发动机风扇噪声主要是由风扇叶片高速旋转而产生的，以一阶BPF及其倍频向涵道上下游传播。对于当前的主流涡扇发动机，其前两阶BPF是主要的噪声源，频带约为1000Hz～3000Hz。

本文针对1514Hz和2454Hz两种典型设计工况，开展声衬设计。首先采用声阻抗理论设计方法结合有限元数值计算，获得给定条件下的声衬初始声阻抗，如表1所示。基于本节所述的声阻抗模型，对微穿孔板蜂窝芯材声衬结构进行优化设计，综合考虑几何尺寸、孔间距、孔径和穿孔率等相关设计原则，设计制备的声衬结构参数如表1所示。

表1 声衬设计参数

设计制备的两种声衬试验件如图2、图3所示，两种声衬试验件的材料一致。穿孔板和背板均采用高分子树脂基复合材料SW110/3218，该材料表面光滑平整、比刚度大、可加工性良好；蜂窝芯材选用预浸料纸蜂窝芯材Nomex NH-1-5.5，这种蜂窝芯材为六边形，对边宽度5.5mm、壁厚为0.1mm，预浸料固化完成后蜂窝晶格六边形结构规整。

(a)声衬A无孔背板

(b)声衬A穿孔面板图2 声衬A试验件实物图

(a)声衬B无孔背板

(b)声衬B穿孔面板图3 声衬B试验件实物图

3 试验测试与结果分析

对于微穿孔板蜂窝夹层结构声衬[11]试验件，开展结构参数和声阻抗两方面的试验测试。

3.1 结构参数测试

传统声衬结构如图4所示。在加工过程中，完成孔板和背板加工后，在背板和穿孔板内侧刷上薄薄的胶膜，将蜂窝芯材放入其中，进行高温固化，固化完成后清理穿孔板面的堵孔。这种工艺中，由于胶膜在高温固化过程中具有流动性，会导致胶膜厚度不均匀且胶膜会沿蜂窝晶格爬升，声衬的厚度误差较大。同时，穿孔板面容易被堵孔，造成穿孔率误差较大，降低声衬的降噪效果。

图4 传统声衬结构示意图

为此，声衬胶结后的结构参数对于声衬的质量尤为重要。本文所述的复材声衬试验件采用的胶结工艺是在蜂窝芯材的晶格边涂抹胶层，由于蜂窝晶格壁厚小，胶膜量很小，因此在固化过程中胶膜流动性对穿孔板和背板几乎没有影响，胶膜在蜂窝芯上的爬升同样可以忽略不计，更加不会产生对微孔堵塞等现象。

固化完成后经检测，试验件结构参数测试结果如表2所示：穿孔板和背板的厚度误差优于±0.05mm，声衬件的整体厚度误差保证在±0.05mm以内。另外，穿孔板微孔的孔径和穿孔率误差均优于0.1%。

表2 声衬结构参数测试结果

3.2 声阻抗测试

依据GB/T 18696.2-2002《声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第2部分：传递函数法》在标准驻波管进行声阻抗试验测试，如图5所示。

图5 驻波管试验现场

3.2.1 测试分析方法

试验依据传递函数法，通过安装在管壁上的两支传声器测量入射波和反射波的声压，进行干涉场的分析和入射吸声系数、复传递函数和声阻抗率的计算。

当平面声波垂直入射到吸声装置时，部分能量被吸收，部分被反射。入射波压pi和反射波压pr分别为：

pi=Acos(2πft)

(4)

pr=Bcos[2πf(t-2x/c)]

(5)

式中：f为频率，单位为Hz；t为时间，单位为s；x为离样品表面的距离，单位为m；c为声速，单位为m/s；A和B为振幅。管内的总声压由两者的和得到。

吸声系数α定义为：

α=1-(B/A)2

(6)

这是声波入射能被材料吸收的分数。处理噪声时，相对声级用分贝度量：

(7)

试验中采用的声阻抗和吸声测试系统主要由B&K公司生产的阻抗管、声学校准器、传声器、功率放大器、四通道声学分析仪、计算机和相应测试软件组成。将系统的各部分连接起来，声衬试样放置在阻抗管中的可调试件管中。试验开始前，需对测试软件进行参数设定(包括测试类型、阻抗管设定、环境参数的设定等)。参数设定完成后，利用通道校准器对四通道声学分析仪进行校准。校准完成后，由测试软件发射声波信号，信号传输到声学分析仪的输入端，声学分析仪通过输出端将信号传入功率放大器进行放大，放大后的信号传入阻抗管的内置扬声器，通过扬声器产生声波。通过阻抗管的声波信号由传声器再次被传输到声学分析仪中，声学分析仪将分析后的声波信号反馈回测试软件。

3.2.2 测试分析结果

分别对两种各5个试验件采用直径29mm的阻抗管进行试验测试。

声衬A的5个平板试验件A1、A2、A3、A4和A5在设计频点处(1514Hz)的声阻抗测试结果如表3所示，声阻抗测试曲线如图6～图10所示。

表3 声衬A设计频点处声阻和声抗测试结果

图6 声衬A平板A1试验件声阻抗测试结果

图7 声衬A平板A2试验件声阻抗测试结果

图8 声衬A平板A3试验件声阻抗测试结果

图9 声衬A平板A4试验件声阻抗测试结果

图10 声衬A平板A5试验件声阻抗测试结果

声衬B的5个平板试验件B1、B2、B3、B4和B5在设计频点处(2454Hz)的声阻抗测试结果如表4所示，声阻抗测试曲线如图11～图15所示。

表4 声衬B设计频点处声阻和声抗测试结果

图11 声衬B平板B1试验件声阻抗测试结果

图12 声衬B平板B2试验件声阻抗测试结果

图13 声衬B平板B3试验件声阻抗测试结果

图14 声衬B平板B4试验件声阻抗测试结果

3.3 试验结果分析

由声衬的结构测试结果可知，声衬几何参数的误差控制非常精准。声衬用穿孔板、蜂窝芯和背板胶结而成，穿孔板和背板材料为玻璃布-树脂纤维复合材料，蜂窝芯材为纸蜂窝固化而成，采用蜂窝芯晶格上涂胶的粘接工艺、蜂窝芯采用预浸料成形后固化、穿孔板先成形后打孔的工艺进行加工制造。这一系列先进加工工艺有效地控制了胶膜在固化过程中的流动性，遏制了胶膜在穿孔板、背板和蜂窝芯壁面上的爬升和由此产生的堵孔现象，精准控制保证声衬蜂窝晶格的完整性和穿孔排列的一致性。

根据声阻抗测试分析结果可知，声衬A的实测声阻抗结果与目标设计结果吻合良好，而对于声衬B，有个别试验件的测试结果与目标值有较大差异。在结构尺寸控制良好的

图15 声衬B平板B5试验件声阻抗测试结果

条件下，声衬B的测试结果出现误差的原因可能在于，声衬B的穿孔率较小，仅为1.9%，在直径29mm的声衬试验件上微孔数较少，另外同样由于穿孔率小，不同试验件上的微孔数目不同，导致试验件测试结果分散性较大的情况出现。

4 结 论

本文针对某特定工况设计制备了两种树脂基复合材料声衬试验件，通过对试验件的结构参数和声阻抗特性进行了试验测试研究，研究结果表明：

(1)本文所述的复合材料制成的微穿孔板蜂窝夹层结构声衬在声衬结构参数控制上具有良好的表现，通过特定的固化粘接工艺可以精准控制声衬结构参数，特别是胶膜在声衬上的爬升控制优异，能够保证蜂窝晶格的完整性和穿孔的一

致性，这对声衬的加工制造而言是非常难得的。

(2)得益于良好的结构参数控制，复合材料制成的声衬试验件声阻抗测试结果与设计目标吻合度良好。