复合材料声衬声阻抗性能测试试验研究

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Vol.60No.2工程与试验ENGINEERING&TEST Jun.2020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)
摘要:声衬是降低发动机噪声的重要组件。

为探索复合材料在声衬上的应用,本文基于Helmholtz原理,采用树脂基复合材料,针对某特定工况设计制备了微穿孔板蜂窝夹层结构声衬,并开展了相应的试验研究。

研究结果表明,按照当前树脂基复合材料良好的加工性能和制备工艺,该声衬能够较好地满足结构参数和声学性能的设计要求。

关键词:树脂基复合材料;声衬;声阻抗
中图分类号:V216.5+4文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1674-3407.2020.02.012
Experimental Study on Acoustic Impedance of Composite Acoustic Liner
Huang Taiyu,Gao Xiang
(The32nd Research of China Aircraft Strength Research Institute,Xi an710065,Shaanxi,China)
Abstract:Acoustic liner an important component to reduce engine noise.In order to explore the application of composite materials to the acoustic liner,based on the Helmholtz principle,the acoustic liner of micro perforated plate honeycomb sandwich structure is designed and prepared,and the corresponding test research is carried out.The results show that according to the good processing performance and preparation process of resin matrix composite,it can meet the design requirements of structural parameters and acoustic properties.
Keywords:resin matrix composite;acoustic liner;acoustic impedance
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口⑵。

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[刈院士提出的、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3】o
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,其中实部为声阻人,虚部为声抗X。

将其用空气特性阻抗pc进行无量纲化,获得相对声阻抗:
Z=^-=R+iX(1)
pcu
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[⑹,Z的数学表达如(2)所示:
Z=Z of+S r V p+R g+iS m V p-icotm(2)式中,Z°f为黏性阻、黏性扰和厚金项,s r v p为高声压级声阻,心为切向流声阻,为高声压级对应的声抗项,各项数学表达如(3)所示:
[收稿日期]2020-05-20
[作者简介]黄太誉(1983-),男,湖北大冶人,工程师,研究方向:航空发动机强度试验及测控技术研究。

No.22020黄太誉,等:复合材料声衬声阻抗性能测试试验研究7_+gd)
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1.336541/p1-a
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〃(1-0.7転)
*~\+305(7/c)3
C q二0.80695Jg-o.5072/d,"J W1
S m V p=_0.000207学
(3)
根据Goodrich模型,声阻抗不仅与声衬结构参数(孔径〃、穿孔率"、穿孔板厚度/、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Up、切向流速Vg、边界层厚度5)。

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
(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
2人仏/)
参数声衬A声衬B 目标声阻抗0.1481-1.267i0.8759+2.27571
目标频率/Hz15142454
声衬外径/mm2929
小孔直径/mm11
无孔板厚度/mm11
穿孔板厚度/mm0.81
穿孔率/%8.10 1.90
空腔深度/mm2022
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。

3试验测试与结果分析
对于微穿孔板蜂窝夹层结构声衬[⑴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
(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
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。

底板
胶膜
蜂窝芯
胶膜
孔板
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
工程与试验Jun. 2020
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土 0.05 mm,声衬件的整体
厚度误差保证在土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% o
表2声衬结构参数测试结果
试验件序号穿孔板厚度/mm 背板厚度/mm 蜂窝芯厚度/mm
A1
0.83
1.01
20.02A20.82 1.0320.02
A3
0.82
1.0319.98
A40.83 1.0320.03
A50.83
1.0320.01
B1
1.02
1.032
2.02
B2
1.03
1.03
21.99B3 1.03
1.03
21.99B4
1.03 1.022
2.02B5
1.03
1.02
22.01
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。

声抗
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。

和反射波压几分别为:
Pi 二4cos(2加)
(4)p r = Bcos [ 27rf(t -2x/c ) ]
(5)
式中:/为频率,单位为Hz ;f 为时间,单位为s ;%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Q 定义为:
a 二 1-(%4)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:
SPL= -101g(y)2= -101g(l-a)
(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Al 、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
10
试验件编号
声阻声抗
频率点
A10.1454984
-1.2042465
A20.150259
-1.2571
A3
0.1531
-1.282961514Hz
A4
0.144419-1.24689A5
0.153266
-1.25806
声阻
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
图6声衬A 平板A1试验件声阻抗测试结果
吏阻
k /
一一
―厶一…
________________
/ \声抗
/
/
1000 2000 3000 4000 5000 6000
图7声衬A 平板A2试验件声阻抗测试结果
声衬B 的5个平板试验件Bl 、B2、B3、B4和B5在设计
No. 2 2020黄太誉,等:复合材料声衬声阻抗性能测试试验研究
1000
2000 3000 4000 5000 6000
声阻
|<■」

_________
/ \声抗/
/ ,,
图8声衬A 平板A3试验件声阻抗测试结果
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
试验件编号声阻声抗频率点
B1
0.945609
2.865596
B2
0.690991
1.439497B30.7976 1.9981582454Hz
B4
1.064697
1.975153B50.865126
2.19721
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
(下转第73页)
No.22020孟那那:矩阵式管理模式下飞机研制项目的计划管理
力度。

4矩阵式管理模式下的管理重点
4.1矩阵式项目管理模式特点
相比于传统的职能式组织,矩阵式组织更容易发挥项目管理职能,提高项目管理的整体效率。

根据横向划分和纵向划分相结合的强弱程度,矩阵式项目组织形式又可以分为强矩阵式、弱矩阵式和复合式矩阵组织形式。

目前,国内飞机研制企业完全做到强矩阵的组织模式是比较困难的,大多尝试的是复合式矩阵组织形式。

复合式矩阵组织模式的优点主要有三个方面:一是在发挥项目优势与人力资源优势方面具有方便、灵活的特点;二是能让同一个专业人士在不同的项目担任职务,能最大限度地发挥专业技术人员的长处;三是能够像职能部门一样制定规章制度,明确每个项目成员的权限和责任,有利于统一指挥和管理。

缺点主要有两个方面:一是每个项目要从不同职能部门汇集大量人才,导致能力强的员工忙不过来,部分员工工作量不饱和;二是容易由于利益分配不均引起资源浪费和各种矛盾⑴。

4.2基于矩阵式组织的管理重点
在矩阵式管理模式下,要充分利用组织管理的优势,尽量避免矩阵式组织模式的缺陷,重点是要在计划编制和协调的过程中做好三个方面的工作:一是分层级管理,计划编制时以项目团队为单位,组织各团队明晰团队内部任务目标,梳理其他团队与之关联的输入和输出工作,明晰团队计划管理的层级和目标;二是整个团队要有明晰的责任矩阵,定义清楚负责、参与、监督、批准等多种角色工作任务目标、可交付成果等,避免工作漏项,分工不明;三是注重团队协同作用的发挥,矩阵式组织模式的初衷是凝聚团队内部的合力,从而提高工作效率,所以计划管理过程中切忌过多地深入团队内部,而是更多地关注团队外部链接和输出,从而提高团队整体的组织绩效和履职能力。

5结束语
亦于飞机研制项目而言,协调关系复杂,周期长,项目管理难度大。

但飞机项目研制的目标与其他行业大小项目是一致的:都是要缩短工期、节省经费、提升客户满意度和提高产品质量。

因此,项目计划管理必须以实现项目研制目标为初衷,层层传递需求以及利益相关方的各项管理要求,实时反馈项目动态执行情况,通过动态反馈及时调整项目管理策略,从而最终实现项目目标。

参考文献
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(06):45.
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。

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