馬瑞軒， 李征初， 宋玉寶， 王勛年

(1. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 氣動(dòng)噪聲控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 綿陽(yáng) 621000；2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 綿陽(yáng) 621000)

空腔結(jié)構(gòu)廣泛存在于航空航天工程中，如飛行器的內(nèi)埋式彈艙、起落架艙和部件之間的縫隙。當(dāng)氣流流經(jīng)空腔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生劇烈的壓力脈動(dòng)和噪聲并伴隨著強(qiáng)烈的振蕩現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)承受額外的非定常載荷，造成飛行器結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和疲勞，損壞艙內(nèi)電子元件，影響飛行器的安全。再者由于飛行器飛行過(guò)程中有時(shí)候需要向外投射有效內(nèi)埋載荷，而腔口的剪切層不穩(wěn)定，處于周期性脈動(dòng)的狀態(tài)，所以內(nèi)埋有效載荷向外投射穿越剪切層時(shí)，會(huì)受到方向時(shí)刻變化的法向力矩對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡造成“顛覆性”的變化，使內(nèi)埋有效載荷在機(jī)身分離后有可能又飛向機(jī)身，造成災(zāi)難性的后果。因此從20世紀(jì)50年代以來(lái)，在航空航天領(lǐng)域，空腔流動(dòng)一直就是一個(gè)重要的研究課題[1-3]。

近年來(lái)，典型空腔流動(dòng)的非定常特性問(wèn)題得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注[4-7]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的空腔振蕩的流動(dòng)機(jī)理與控制研究。空腔外形看似簡(jiǎn)單，但其中包含的流動(dòng)現(xiàn)象卻極其豐富同時(shí)又非常復(fù)雜。剪切層之間的相互作用以及剪切層與空腔壁面的相互作用會(huì)引起一系列復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，包括剪切層不穩(wěn)定性、邊界層分離、旋渦運(yùn)動(dòng)、聲輻射、激波/膨脹波和激波邊界層相互干擾等[8-9]。隨著人們對(duì)空腔流動(dòng)特性和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不斷深入，空腔噪聲特性與降噪方法逐漸成為了一個(gè)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。Schemit等[10]采用改變空腔流動(dòng)形態(tài)的方法系統(tǒng)的開(kāi)展了抑制空腔流動(dòng)噪聲的研究。Zhuang等[11]采用零質(zhì)量微射流方法降低空腔噪聲，并且通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證噪聲得到了有效抑制。楊黨國(guó)等[12-15]通過(guò)數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)空腔流動(dòng)噪聲做了系統(tǒng)的研究，建立了空腔風(fēng)洞試驗(yàn)標(biāo)模，發(fā)展了一系列可用于實(shí)際型號(hào)的抑制空腔噪聲的方法。余培汛等[16]通過(guò)改變來(lái)流剪切層形態(tài)有效的抑制了空腔中的氣動(dòng)噪聲。其中最具工程意義的方法就是通過(guò)在空腔前后緣加裝鋸齒版和阻擋板等擾流裝置的方式，改變剪切層的形態(tài)，從而降低空腔噪聲。Schmit等[17-19]發(fā)現(xiàn)在前緣安裝鋸齒版和阻擋板可以抬高剪切層的位置，減弱剪切層與空腔后壁面的撞擊，從而達(dá)到降噪的目的。Thangamani等[20]通過(guò)在空腔前后緣安裝阻擋板、鋸齒版和方齒板等措施開(kāi)展了亞聲速空腔降噪研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：鋸齒板降噪效果最好。Thangamani等[21-23]發(fā)現(xiàn)在空腔前緣安裝鋸齒板可以有效地改變空腔上方剪切層的高度并破壞空腔自持振蕩的循環(huán)機(jī)制。Panickar等[24-25]通過(guò)在空腔前緣安裝圓柱，有效的降低了空腔噪聲。Dudley等[26-28]指出前緣圓柱可以有效抬高剪切層的位置并增加其厚度和穩(wěn)定性，有效減弱與后壁相撞的作用力。

目前絕大多數(shù)空腔降噪都是通過(guò)測(cè)量空腔壁面脈動(dòng)壓力或者遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲驗(yàn)證降噪措施的有效性，而缺乏對(duì)空腔氣動(dòng)噪聲源的直接測(cè)量。置于空腔內(nèi)壁面的壓力傳感器測(cè)量的只是空腔壁面的壓力脈動(dòng)，并不等同于空腔流動(dòng)近場(chǎng)的噪聲。事實(shí)上，空腔近場(chǎng)流動(dòng)極其復(fù)雜，其脈動(dòng)成分除了聲波還有渦波(超聲速時(shí)還有熵波)等非聲成分。只有到了遠(yuǎn)場(chǎng)，其脈動(dòng)成分就只有聲波。因此放置于遠(yuǎn)場(chǎng)的陣列接受到的就只有聲信號(hào)。我們可根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，反推近場(chǎng)聲源的空間分布和強(qiáng)度大小。而且相比于壓力傳感器，陣列測(cè)量不會(huì)對(duì)近場(chǎng)流動(dòng)造成任何影響。在降噪研究中，我們可以通過(guò)陣列進(jìn)行噪聲源定位，使得降噪工作更加有針對(duì)性。其次通過(guò)陣列又可以對(duì)降噪效果進(jìn)行直接評(píng)估，進(jìn)一步優(yōu)化降噪措施。

本文以大型飛機(jī)的起落架輪轂腔、高速列車的車輪艙以及汽車天窗等低速空腔噪聲控制為應(yīng)用背景，基于相位傳聲器陣列，在聲學(xué)風(fēng)洞中直接測(cè)量空腔噪聲源分布特性，進(jìn)一步給出了一種評(píng)估氣動(dòng)聲源強(qiáng)度的方法。并且通過(guò)在空腔前后緣加裝鋸齒板和阻擋板的方法改變空腔前后緣的流動(dòng)方式，探索空腔噪聲的抑制策略。

1 試驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)處理

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(CARDC)的FL-17y航空聲學(xué)風(fēng)洞(如圖1所示)開(kāi)口試驗(yàn)段(如圖2所示)中進(jìn)行，試驗(yàn)段噴口尺寸為0.55 m×0.4 m。FL-17y聲學(xué)風(fēng)洞是一座連續(xù)式單回流低速風(fēng)洞，具有開(kāi)口、閉口兩個(gè)試驗(yàn)段，其中開(kāi)口試驗(yàn)段長(zhǎng)1.5 m。如圖2所示開(kāi)口試驗(yàn)段外配置一個(gè)長(zhǎng)3.7 m，寬5.5 m，高4 m的全消聲室，消聲室截止頻率為100 Hz，主要用于聲學(xué)測(cè)量。進(jìn)行聲學(xué)試驗(yàn)時(shí)，最大風(fēng)速可達(dá)到100 m/s；模型區(qū)軸向靜壓梯度低于0.005；背景噪聲小于 75.6 dB(A) (開(kāi)口試驗(yàn)段來(lái)流風(fēng)速80 m/s，氣流軸線中心外2 m處測(cè)量)。

圖1 風(fēng)洞整體結(jié)構(gòu)

圖2 開(kāi)口試驗(yàn)段及消聲室

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

如圖3所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎们度胧桨惭b方法。將162.2 mm(長(zhǎng))×72.6 mm(寬)×25.3 mm(深)的三維空腔模型嵌入到平板之中，保證空腔開(kāi)口表面與平板上表面齊平?？涨晃挥谄桨逯醒耄涨磺皟?nèi)壁距離平板前緣104.4 mm，空腔后內(nèi)壁距離平板尾緣233.4 mm，空腔左右內(nèi)壁距離平板邊緣163.7 mm。為了真實(shí)模擬空腔來(lái)流條件，在平板前緣距離空腔前緣40 mm的位置加裝10 mm寬的轉(zhuǎn)戾帶。平板通過(guò)上下兩塊端板固連于風(fēng)洞噴口。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)洞中的安裝

1.3 測(cè)量設(shè)備與數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中采用40通道的多臂螺旋型的相位傳聲器陣列進(jìn)行噪聲源分布的測(cè)量，陣列直徑為720 mm，陣列上所有傳聲器都被風(fēng)罩遮擋以減少消聲室內(nèi)空氣壓力脈動(dòng)的影響。沿風(fēng)洞流向安裝陣列，陣列所在的平面與平板平行，距離為750 mm，具體見(jiàn)圖3。陣列的掃描平面為平板所在的平面。采用G.R.A.S公司生產(chǎn)的46AE型傳聲器作為聲壓感應(yīng)元件，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。采用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡，采樣頻率為48 kHz，有效采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為409 600。數(shù)據(jù)處理時(shí)采樣點(diǎn)分成100個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為4 096，這樣得到的頻譜曲線的頻率間隔約為12 Hz。聲源成像采用基于CLEAN-SC的波束成形技術(shù)[29-31]。從所得到的聲源分布結(jié)果可以識(shí)別某一頻率下主要聲源的位置。根據(jù)聲源的發(fā)聲位置，就可采用相應(yīng)的控制措施降低空腔噪聲。為了更好的評(píng)價(jià)不同措施降噪效果，我們對(duì)聲源掃描面上的噪聲定位結(jié)果在空腔面內(nèi)進(jìn)行能量積分，即可得到某一特定頻率f下聲源強(qiáng)度的度量，即

(1)

表1 G.R.A.S 46AE型傳聲器的主要技術(shù)指標(biāo)

式中：Es表征空腔噪聲源強(qiáng)度，單位為dB；Ω表示掃描平面上空腔水平面區(qū)域：162.2 mm(長(zhǎng))×72.6 mm(寬)，|Ω|表示聲源區(qū)域的面積；PSD是波束成形算法得到的掃描平面固定點(diǎn)上的能量譜密度，pref是參考聲壓，一般取2×10-5Pa。然后在整個(gè)頻段上做三分之一倍頻程分析，并且進(jìn)行A計(jì)權(quán)修正。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文主要通過(guò)改變空腔前后緣流動(dòng)方式的方法降低空腔噪聲，具體采用在空腔前后緣安裝鋸齒板和阻擋板的方式。鋸齒板幾何參數(shù)如圖4所示，研究中共選取三種不同外形的鋸齒板，其中鋸齒板長(zhǎng)度L=72 mm和高度H=6 mm保持不變，鋸齒之間夾角分別取α=30°，53°，90°。鋸齒板在空腔前后緣有兩種安裝方式，分為沿來(lái)流方向安裝和垂直流向安裝。阻擋板外形如圖5所示，長(zhǎng)度L=72 mm，高度H有五種不同的規(guī)格分別為3 mm, 5 mm, 7 mm, 9 mm, 11 mm，垂直來(lái)流方向安裝于空腔前后緣。在后緣安裝時(shí)，距離后緣的距離D分別為：0 mm，1 mm，3 mm，5 mm，7 mm；在前緣安裝時(shí)與前緣齊平。試驗(yàn)時(shí)，鋸齒板和阻擋板在空腔前后緣的具體安裝方式如圖6所示。

圖4 鋸齒板示意圖

圖5 阻擋板示意圖

(a) 沿流向安裝在前緣(實(shí)物圖)

2.1 相位傳聲器陣列聲源分布測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)以下方法考察試驗(yàn)中所用相位傳聲器陣列及數(shù)據(jù)處理方法對(duì)噪聲源分布測(cè)量的有效性。將一單頻“點(diǎn)聲源”(發(fā)聲單元的直徑約為6 mm)分別放在空腔的前后緣，在沒(méi)有風(fēng)洞來(lái)流的情況下進(jìn)行了聲源分布測(cè)量。圖7為聲源發(fā)聲頻率為5 kHz時(shí)的相位傳聲器陣列測(cè)量結(jié)果，顯示的動(dòng)態(tài)范圍為10 dB。結(jié)果顯示：試驗(yàn)中所用的相位傳聲器陣列及數(shù)據(jù)處理方法準(zhǔn)確的給出了噪聲源在空腔中的具體分布，且沒(méi)有出現(xiàn)其他次級(jí)虛假聲源，證明了CLEAN-SC算法對(duì)主瓣優(yōu)秀的分辨水平和出色的抑制旁瓣的能力。下面我們給出試驗(yàn)中具有典型意義的結(jié)果。為了方便比較各種降噪措施的優(yōu)劣，以不加裝任何降噪措施時(shí)的聲源強(qiáng)度結(jié)果作為基準(zhǔn)，然后給出采取降噪措施與基準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)聲源強(qiáng)度的差值。

(a) 空腔前緣

2.2 空腔前后緣安裝鋸齒板降噪效果

試驗(yàn)時(shí)來(lái)流速度為40 m/s。首先將鋸齒板安裝在空腔前緣。圖8給出了鋸齒板分別與風(fēng)洞來(lái)流垂直和平行安裝時(shí)的噪聲控制結(jié)果?？梢钥吹戒忼X板沿流向安裝時(shí)比垂直流向安裝時(shí)的噪聲控制效果更明顯，而且鋸齒角度α越小，即鋸齒越密，噪聲抑制效果越明顯。α=30°時(shí)，在2.5 kHz頻率處噪聲可降低3.7 dB，在1～4 kHz中頻寬帶上噪聲平均降低2.1 dB。沿流向安裝時(shí)，α=30°時(shí)鋸齒板沒(méi)有達(dá)到降噪的效果，其他兩種夾角的鋸齒板對(duì)噪聲的抑制也不明顯。

(a) 鋸齒板沿流向安裝在前緣

圖9為鋸齒板安裝在空腔后緣時(shí)的噪聲控制結(jié)果?？梢钥吹?，鋸齒板安裝后緣，無(wú)論是沿流向安裝還是垂直流向安裝，相對(duì)于無(wú)任何抑制措施的空腔流動(dòng)，噪聲都有不同程度的增加，因此這種鋸齒板的安裝方式不適用空腔噪聲的抑制。

(a) 鋸齒板沿流向安裝在后緣

圖10為在空腔前緣沿流向安裝α=30°的鋸齒板時(shí)，頻率2.5 kHz時(shí)的空腔噪聲源分布。該頻率下噪聲主要來(lái)自于剪切層中的不穩(wěn)定渦撞擊空腔后緣所產(chǎn)生的固壁干擾噪聲，可看到鋸齒板對(duì)噪聲的抑制效果極其明顯。

(a) 未安裝鋸齒板

綜上可見(jiàn)，在空腔前緣沿來(lái)流方向安裝鋸齒版時(shí)，可以有效抑空腔剪切層形成大渦結(jié)構(gòu)，減弱剪切層與空腔后壁面的相互作用，進(jìn)而降低噪聲，而且鋸齒越密，對(duì)渦結(jié)構(gòu)的破碎作用越明顯。安裝在后緣時(shí)，會(huì)增加剪切層與后壁面的碰撞面積，從而增加噪聲。

2.3 阻擋板減噪效果

考慮到試驗(yàn)中安裝在前緣的阻擋板會(huì)產(chǎn)生明顯的自噪聲，強(qiáng)度高于空腔本身噪聲，下面我們主要給出安裝在后緣時(shí)的結(jié)果。阻擋板安裝在后緣，其目的是為了降低來(lái)流撞擊到空腔后緣上的速度，從而達(dá)到抑制后緣的渦固干擾噪聲。

首先考慮阻擋板緊貼后緣安裝，即與后緣的流向距離D=0，改變阻擋板的高度H；然后選取固定高度為9 mm的擋板，沿流向分別布置在距離空腔后緣5個(gè)不同的位置。圖11為測(cè)得的噪聲控制結(jié)果?？梢钥闯?，在緊貼后緣安裝時(shí)，幾乎所有高度的阻擋板都不會(huì)降低空腔噪聲，反而有明顯增加。隨著阻擋板的位置離后緣距離的增加，噪聲抑制效果越明顯，在1.25～4 kHz范圍內(nèi)降噪效果較好。其他頻率區(qū)域噪聲有所增加。在低頻段增加的噪聲主要是由阻擋板自身繞流產(chǎn)生[32]。空氣流過(guò)阻擋板時(shí)發(fā)生流動(dòng)分離，在其后方形成卡門渦街，因此所增加的噪聲主要集中在1 kHz以下的低頻段。在高頻段，增加的噪聲與空腔內(nèi)部形成從尾緣所拋出的大渦結(jié)構(gòu)撞擊阻擋板有關(guān)，主要表現(xiàn)為湍流寬頻噪聲。

(a) 不同高度H的阻擋板緊貼后緣安裝

3 結(jié) 論

采用基于相位傳聲器陣列的氣動(dòng)噪聲源測(cè)量方法開(kāi)展了低速空腔降噪研究。深入分析了鋸齒版和阻擋板的幾何參數(shù)對(duì)降噪效果的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 基于相位傳聲器陣列的氣動(dòng)噪聲源測(cè)量方法可以很好地評(píng)估空腔噪聲源的強(qiáng)度，用于指導(dǎo)實(shí)際降噪研究。

(2) 低速空腔流動(dòng)噪聲主要來(lái)自于剪切層與空腔后壁的相互作用。

(3) 鋸齒板安裝在前緣對(duì)空腔噪聲抑制效果明顯，沿流向安裝比垂直流向安裝噪聲控制效果好。且沿流向安裝時(shí)，鋸齒越密集，噪聲抑制效果越好。鋸齒板安裝在后緣導(dǎo)致空腔噪聲明顯增加。

(4) 阻擋板緊貼后緣安裝時(shí)，所有高度的阻擋板都會(huì)使空腔噪聲有明顯的增加。阻擋板安裝在后緣，與后緣有一定的距離時(shí)，在1.25～4 kHz范圍內(nèi)有較好的降噪效果，其他頻率段噪聲增加，且不同頻段的降噪量與自噪聲的增加量均隨與后緣距離的增加而增加。