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飞行器减振降噪设计:提高安全性、舒适性和环保性 [转载]
作者:侯峰 发表时间:2018-06-30 阅读次数:259

        飞行器的振动噪声问题一直是国内外科研机构的重点研究方向之一,如何开展减振降噪设计来提高飞行器的安全性、舒适性和环保性也是我国飞行器设计的重点关注方向。本文作者对航空工业强度所近年来在相关方面的工作进行了较为系统的总结。
        噪声与振动问题是飞行器设计中必须考虑的重要问题:
       ◾首先,飞机在运行中产生的强噪声与振动会影响机载设备/系统的性能和工作可靠性,也会诱发机体结构出现疲劳裂纹,危及飞机结构的寿命和安全;
       ◾其次,吵闹的座舱环境会干扰乘机人员之间的语言交流,使乘客感到烦躁,尤其是长时间处于噪声环境下,人员会倍感身心疲惫,且身体健康会受到损害;
       ◾最后,飞机起降阶段向外界排放的噪声强度大、影响范围广,严重妨碍机场周边居民的日常工作、学习和休息,甚至影响到身心健康。
        因此,飞行器的振动噪声问题一直是国内外科研机构的重点研究方向之一,如何开展减振降噪设计来提高飞行器的安全性、舒适性和环保性也是我国飞行器设计的重点关注方向。
        自20世纪70年代起,航空工业强度所就开始关注飞行器的振动噪声问题,先后承担了“ANCF系统工程”“民机舱内噪声预计、控制与试验技术研究”“大型客机外部噪声预计、分析与试验技术研究”等预研项目,建立了航空器振动噪声产生及传播机理、舱室噪声预计及控制技术、航空器适航噪声预计及测试评估技术、金属结构声疲劳性能评估及验证等专项技术。
        2006年,建设了低声强混响室、半消声室、全消声室、高声强混响室、高声强行波管以及气动管道等关键试验设施,形成了开展结构声/空气声传播控制方法、舱室减振降噪设计方法、结构气动噪声仿真测试及控制方法、结构耐声疲劳性能验证、机载设备振动/噪声环境适应性验证等研究能力。
        在多渠道的预研项目、基础研究项目的支撑下,强度所在飞行器减振降噪技术方面,已形成了涵盖各类飞行器振动噪声的仿真预计、测试分析以及减振降噪设计的完整技术体系,具备了在飞行器立项评估阶段、详细设计阶段、验证定型阶段和运行维护阶段提供全方位技术解决方案的技术能力。强度所也先后承担了MA700、MA60/600、运9、ARJ21-700、C919等多型号的声学设计和噪声控制工作,并承担了AC500、TB20、“小鹰”500等飞机的噪声适航审定工作,有效解决了国产飞行器的振动噪声问题。
        近年来,强度所在“大强度、新强度、数字强度”的战略指引下,先后突破飞机噪声源识别分离、飞机发动机风扇噪声产生与控制、舱室噪声与振动综合控制、发动机减振安装设计、军/民机结构抗声振疲劳设计、多物理场耦合环境结构适应性分析与验证、金属结构振动疲劳损伤机理和演化规律等一系列关键技术,有力支撑了国产飞行器设计工作。

大型飞机外部噪声预计技术

        通过消化吸收国外主要噪声源的噪声预计模型以及噪声传播模型,结合工程应用中的潜在需求,设计开发出大型飞机外部噪声预计系统,形成了根据发动机参数、机体几何参数、飞机航迹参数完成飞机外部噪声预计的能力,可提供飞机适航噪声预计、巡航状态机体表面声载荷预计、地面开车状态发动机噪声预计等功能;为飞机设计部门在飞机初始设计阶段,开展适航噪声预计、机体结构抗声疲劳设计、舱内声学设计等工作的提供技术手段和设计工具。

涡扇发动机风扇噪声控制技术

        在涡扇发动机风扇噪声控制方面,针对微穿孔板消声结构开展了结构优化设计和效果测试工作,先后完成了平板型声衬元件的声阻抗特性预计及测试、圆筒型声衬模型件的插入损失及传递损失等声学性能测试、全尺寸声衬结构静态环境及准动态声学性能测试等工作;在此基础上,利用大量测试数据,归纳形成了微穿孔板消声结构声阻抗计算软件,为开展发动机消声短舱结构参数设计提供必要、可靠的设计工具。

飞机舱室振动噪声主/被动控制技术

        在涡桨飞机被动噪声控制方面,强度所先后完成MA60/600、运9等机型的座舱降噪工作,有效改善了相关机型的客舱噪声水平。
        强度所针对涡桨支线飞机的噪声特性及结构设计特点,建立了适用于涡桨飞机舱内声学设计的技术体系,包括舱内声场特性测试方法、舱内噪声预计方法、航空材料选型方法、螺旋桨气流噪声实验室模拟方法、舱内综合噪声控制方法等,结合相关机型的飞行测试和实验室内大量的实验室测试,设计出满足机型特点的降噪方案;根据飞行测试结果,经降噪改装后MA60飞机整机减重15千克,最大噪声区域降噪量5.9dB(A);经降噪改装后的运9飞机整机减重123千克,最大噪声点降噪量近10dB(A)。
        在噪声主动控制技术方面,重点开展自适应算法设计、次级声源选型及布局优化、主动降噪系统工程化开发等工作;2012年度在国内首次完成了涡桨飞机地面开车状态噪声主动控制效果验证试验,测试结果表明控制系统运行稳定、目标频率噪声控制效果达8dB的效果;自主开发的主动降噪座椅于2016年度参加石家庄航展,获得现场体验者好评。

振动/噪声对金属结构损伤破坏问题研究

        在振动/噪声对金属结构损伤破坏的研究方面,强度所开展大量的理论分析和试验验证工作,形成了一系列的技术突破。在金属结构振动疲劳破坏关键基础研究方面,实现了金属结构振动疲劳损伤机理、计及阻尼效应的双尺度振动疲劳损伤累积模型、飞机典型结构动力学特性快速优化算法和抗振动疲劳设计方法等一系列关键技术的突破;此外,在试验技术方面也取得较大突破,完成了弹舱结构空腔共鸣噪声试验、金属结构声疲劳加速试验、声温振联合载荷环境及声-热-振-静多场耦合环境下结构声疲劳试验,有效支撑了军机型号的研制。

新材料研究及新技术的发展

        面向减振降噪的新需求和新要求,强度所积极开展新技术的研究,专门成立创新团队研究新型阻尼减振材料、新型发泡金属吸声材料等,并借助人工智能和振动噪声仿真等方向的成果,开展根据工程减振需求自动匹配阻尼材料配方的探索。此外,在人体舒适性感知方面,强度所也开展了人体对振动/噪声主观评价方法研究,探索 “悦耳、好听、难听”、“晃、颠”等主观词汇与“频率”“量级”等物理词汇的对应关系,进而为深入开展舒适性研究奠定基础。

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