【正文】 北京航空航天大學(xué)學(xué)位論文論文題目：風(fēng)扇管道消聲設(shè)計(jì)及水聲材料的聲管測(cè)量技術(shù)研究摘 要論文所進(jìn)行的研究工作包括航空聲學(xué)的風(fēng)扇管道消聲設(shè)計(jì)及水聲材料聲管測(cè)量技術(shù)研究?jī)蓚€(gè)部分。在風(fēng)扇管道壁面使用消聲聲襯來(lái)降低風(fēng)扇噪聲是目前商業(yè)飛機(jī)降低噪聲的主要途徑之一，因此聲襯的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。模態(tài)匹配法是上個(gè)世紀(jì)八十年代發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的一種便捷的管道聲學(xué)消聲計(jì)算方法，八五期間北京航空航天大學(xué)在“民機(jī)噪聲和聲疲勞研究”項(xiàng)目的支持下發(fā)展了模態(tài)匹配法計(jì)算程序[10]，但后來(lái)由于沒(méi)有經(jīng)費(fèi)支持和實(shí)際工程項(xiàng)目的背景需求的支持未進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證校核，并實(shí)際應(yīng)用。本部分研究是根據(jù)APTD研究計(jì)劃關(guān)于GF90消聲設(shè)計(jì)的研究工作要求進(jìn)行的，對(duì)模態(tài)匹配法原程序進(jìn)行驗(yàn)證校核和更改完善，修正了原程序中的錯(cuò)誤，解決了求解特征值問(wèn)題的跳根和計(jì)算精度問(wèn)題，通過(guò)與其它計(jì)算方法的對(duì)比校核了計(jì)算程序，發(fā)展了應(yīng)用該程序進(jìn)行聲襯優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用于兩種轉(zhuǎn)子聲襯的設(shè)計(jì)優(yōu)化。水聲材料聲管測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究是北航流體與聲學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室十五211工程水聲聲管建設(shè)工作的一部分。水聲材料的許多聲學(xué)特性可以通過(guò)對(duì)其復(fù)反射系數(shù)和透射系數(shù)的測(cè)量計(jì)算得到，使用聲管方法盡管只能測(cè)量正入射條件下的聲學(xué)參數(shù)，但是由于它測(cè)試條件易于控制，實(shí)施較方便，成本較低，與其它方法比較可以更精確、標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行測(cè)試，因此成為一種常用的復(fù)反射系數(shù)和透射系數(shù)測(cè)量設(shè)備。本研究工作是建設(shè)并調(diào)試一套工作頻率范圍為500Hz～15kHz的中頻聲管實(shí)驗(yàn)設(shè)備，內(nèi)容包括裝置中發(fā)射換能器、測(cè)量水聽(tīng)器、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)備的設(shè)計(jì)，測(cè)量功能分析和基本實(shí)驗(yàn)設(shè)備的調(diào)試；進(jìn)行了連續(xù)聲測(cè)量功能的調(diào)試，通過(guò)空氣軟背襯反射系數(shù)的測(cè)量初步驗(yàn)證了設(shè)備的功能和測(cè)量方法；進(jìn)行了消聲尖劈的吸聲系數(shù)測(cè)量，得到了合理的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)完成基本測(cè)量實(shí)驗(yàn)了解了聲管測(cè)量的基本方法和原則，積累了經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：模態(tài)匹配，環(huán)繞積分，優(yōu)化設(shè)計(jì)，聲管，傳遞函數(shù)法，脈沖法Title of Thesis: The Noise Elimination design in Fantube and the Research of Watertube ExperimentationSpeciality Major: engineering of underwater acousticsDate of Graduate: Mar,2005Author: WANG YiSupervisor: WANG TongqingABSTRACTThe thesis includes two parts: a study on noise suppression of ducted fan in aeroacoustics and the research of instrumentation technology in underwater acoustic tube.It is one of the major method in merce airplane at this day to eliminate the noise in ducted fan with the anechoic liner, so it is very important to optimize the design of anechoic liner. Modematching method is a convenient calculation method, which developed in eighty years last century and widely used. BUAA has developed a program of modematching method with the support of “research on civil aviation noise control and acoustic fatigue” project. But it has not validated in detail because of no outlay support. Based on the project of APTD, the present work has improved and validated the program and has used it in optimize liner design in a two type of ducted fan.In hydroacoustics experimentation, many acoustic characteristic of acoustic material in water can be calculated by plex reflectance and plex penetrate coefficient. Underwater acoustic tube is widely used in the measurement of plex reflectance and plex penetrate coefficient, for the easement could be easily controlled and in low cost. The thesis involves the following works: The construction of underwater acoustic tubes, its operating frequency is from 500Hz to 15kHz. The equipment includes a water tube and its accessories, the data acquisition and signal processing system. A basic underwater acoustic measurement and data acquisition system have been developed, and through the experiment the preliminary experience about underwater acoustic instrumentation was obtained.Keywords: modematching method，winding number integral method，optimize design， waterfilled tubes，transfer function method，pulsetube method 2第一章 引言 1 風(fēng)扇管道消聲計(jì)算的工程背景 1 風(fēng)扇管道消聲計(jì)算的發(fā)展歷史 2 水聲聲管實(shí)驗(yàn)研究的工程背景 3 水聲聲管實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展歷史 4 本文工作簡(jiǎn)介 5第二章 管道消聲的模態(tài)匹配法優(yōu)化設(shè)計(jì) 7 前言 7 物理模型及計(jì)算方法 7 程序的完善與改進(jìn) 17 程序的驗(yàn)證與校核 19 19 21 23 優(yōu)化設(shè)計(jì) 232．4．1考慮阻抗變化的優(yōu)化設(shè)計(jì) 242．4．2結(jié)合聲襯結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 30 小結(jié) 44第三章 水聲聲管的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)技術(shù) 45 工程背景 45 水聲聲管測(cè)量的基礎(chǔ) 45 測(cè)量方法 46 46 48 測(cè)量中需注意的問(wèn)題 50第四章 水聲聲管的的建設(shè)和研究 53 水聲聲管的建設(shè)和研究 53 58 59 63第五章 雙水聽(tīng)器傳遞函數(shù)法實(shí)驗(yàn)研究 65 平面波垂直入射時(shí)的反射和透射 65 空氣軟背襯測(cè)量 66 吸聲橡膠尖劈測(cè)量 70 小結(jié) 72結(jié)論 74附錄A：推廣的特征函數(shù)正交理論 75參考文獻(xiàn) 81碩士期間被錄用的論文 84致謝 85第一章 引言 風(fēng)扇管道消聲計(jì)算的工程背景隨著民用飛機(jī)的日趨普及，航空噪聲問(wèn)題日益引起人們的普遍關(guān)注，航空噪聲已成為噪聲污染的重要來(lái)源，因此，為了防止航空噪聲危害旅客和城市居民的身體健康，美國(guó)FAA 以及國(guó)際民航組織相繼制定了FAR36部及國(guó)際民航公約第十六號(hào)公約，對(duì)飛機(jī)噪聲作了嚴(yán)格的規(guī)定，指出所有進(jìn)入美國(guó)及國(guó)際民航組織締約國(guó)的飛機(jī)必須遵守該規(guī)定的噪聲指標(biāo)要求。隨著我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展，特別是進(jìn)入90年代以來(lái)，干線飛機(jī)和新型支線客機(jī)的引進(jìn)和研制工作開(kāi)始實(shí)施，無(wú)論從獨(dú)立研制還是從聯(lián)合研制都必須開(kāi)展對(duì)飛機(jī)進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)的研究，如何使其符合噪聲適航條例和滿足座艙的噪聲水平成為重要問(wèn)題，降低噪聲同時(shí)也是為了適應(yīng)軍機(jī)提高抗聲疲勞及聲隱身性能的需要。因此如何降低飛機(jī)的主要噪聲源——發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲成為民機(jī)及軍機(jī)研制中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。就渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言，它的主要噪聲包括風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲、渦輪噪聲、排氣噪聲和燃燒噪聲。其中風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲和排氣噪聲在發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲級(jí)中占有突出的比例。隨著民用飛機(jī)廣泛采用的高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比越來(lái)越高，相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣速度不斷降低，而風(fēng)扇尺寸以及風(fēng)扇的切向速度逐漸增加，故與風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲相比，排氣噪聲問(wèn)題相對(duì)變小，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要聲源已不再是噴流噪聲，而集中在風(fēng)扇／壓氣機(jī)部分。而降低風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲有兩種方法:從聲源入手和從傳播途徑入手。從聲源入手就是從研究風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)制入手，建立各種噪聲預(yù)測(cè)模型，從而找出合適的方法來(lái)降低風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲。這種方法針對(duì)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行研究，目的性強(qiáng)，效果也顯著，但是要達(dá)到模擬風(fēng)扇/壓氣機(jī)真實(shí)工作條件的預(yù)測(cè)模型是非常困難的，模型求解的計(jì)算量也很大，因此目前降低聲源的噪聲是有限的。通過(guò)控制噪聲的傳播途徑降低風(fēng)扇的輻射噪聲是降低風(fēng)扇噪聲的另一個(gè)重要途徑，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲是通過(guò)進(jìn)、排氣道以及短艙向外傳播的，如果能在其傳播途徑上設(shè)置吸聲材料，就能夠大大降低向外傳播的噪聲。因此如何合理設(shè)計(jì)聲襯從而達(dá)到最大吸聲效果，以及如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)聲襯的吸聲效果就成為風(fēng)扇降噪研究的重要課題。上世紀(jì)八十年代末期在航空工業(yè)總公司“民機(jī)噪聲控制與聲疲勞研究（ANCF）”系統(tǒng)工程項(xiàng)目的支持下開(kāi)始嘗試建立自己的航空聲學(xué)設(shè)計(jì)平臺(tái)。 但這種有組織和一定規(guī)模的研究項(xiàng)目隨著國(guó)家民用飛機(jī)發(fā)展計(jì)劃不斷改變而隨之消失。 然而自從那時(shí)以來(lái)，北航流體與聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室一直堅(jiān)持進(jìn)行這方面工作。并在聲襯設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)上有過(guò)多次嘗試，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。曾設(shè)計(jì)、制造過(guò)三批聲襯，進(jìn)行過(guò)4次實(shí)驗(yàn)。第一次、第二次實(shí)驗(yàn)都是使用了有機(jī)玻璃機(jī)匣的聲襯，這兩次試驗(yàn)都是在中航總的“民機(jī)噪聲與聲疲勞研究”系統(tǒng)工程項(xiàng)目支持下完成的；第三次實(shí)驗(yàn)是九五期間在國(guó)防科工委“膠接蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造工藝研究”項(xiàng)目支持下進(jìn)行的，使用了航空工程產(chǎn)品使用的鋁膠接蜂窩夾層材料制造；第四次實(shí)驗(yàn)是在640所的民機(jī)預(yù)研項(xiàng)目支持下進(jìn)行的。在以上設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究工作基礎(chǔ)上2003年北航流體與聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了APTD計(jì)劃中GF90風(fēng)扇管道聲襯設(shè)計(jì)與優(yōu)化的重任，模態(tài)匹配方法作為一種快捷的管道聲學(xué)消聲計(jì)算方法被得到成功應(yīng)用。 風(fēng)扇管道消聲計(jì)算的發(fā)展歷史對(duì)消聲短艙流動(dòng)管道降噪機(jī)理研究的迫切需求是從五、六十年代起，航空界開(kāi)始重視發(fā)動(dòng)機(jī)敷設(shè)聲襯的有流動(dòng)的軟壁管道聲傳播的理論和實(shí)驗(yàn)研究。但實(shí)際風(fēng)扇流動(dòng)管道的聲學(xué)問(wèn)題涉及管道內(nèi)復(fù)雜的流場(chǎng)、聲場(chǎng)以及它們的相互作用，它們與管道的相互作用以及管壁材料的物理性質(zhì)等諸多因素的影響；而管口的流場(chǎng)和聲場(chǎng)更為復(fù)雜，因此至今為止風(fēng)扇流動(dòng)管道聲傳播與管口聲輻射的數(shù)值模擬仍然是流體力學(xué)和聲學(xué)中的一個(gè)困難問(wèn)題。上個(gè)世紀(jì)60年代中期至70年代中期由于渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始在民用飛機(jī)上的廣泛應(yīng)用，國(guó)外開(kāi)始研究和發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)聲襯聲學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)。這個(gè)期間的工作做了大量簡(jiǎn)化：主要是以無(wú)限長(zhǎng)管道為基本物理模型，假定聲襯均勻分布在無(wú)限長(zhǎng)管中，并重點(diǎn)考慮對(duì)于給定模態(tài)波如何確定最優(yōu)管道聲阻抗問(wèn)題，和如何確定聲襯管道的特征值用以計(jì)算消聲量的問(wèn)題。特征值計(jì)算問(wèn)題是當(dāng)時(shí)討論的重點(diǎn)問(wèn)題之一，而NewtonRaphson方法成為當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為可以接受的方法[13]。但使用NewtonRaphson方法該如何選擇初始值，如何避免特征值跳躍等問(wèn)題沒(méi)有得到解決。由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力以及對(duì)問(wèn)題本身理解的限制，設(shè)計(jì)消聲短艙的聲學(xué)模型是相當(dāng)粗糙的。70年代中期后，模態(tài)匹配方法（ModeMatching）的提出成為當(dāng)時(shí)最有影響的工作[4]。其主要思想是將各段聲襯中的聲場(chǎng)用無(wú)限長(zhǎng)管道聲模態(tài)的迭加形式來(lái)描述，除了截止模態(tài)，其它模態(tài)波都可以傳播，周向模態(tài)滿足周期性條件，而徑向模態(tài)滿足法向邊界條件，不同阻抗邊界條件的聲襯段之間的模態(tài)向量用聲壓連續(xù)和質(zhì)點(diǎn)速度連續(xù)的條件來(lái)匹配；端口的反射及聲源的入射模態(tài)向量用計(jì)算的方法或試驗(yàn)的方法得到。按照這個(gè)模型，不僅可以考慮多段聲襯的設(shè)計(jì)，同時(shí)只要知道模態(tài)（Mode）反射系數(shù)，還可以計(jì)算有限長(zhǎng)管的影響。然而，模態(tài)匹配方法有它自身難以克服的缺點(diǎn)。比如，如何從實(shí)驗(yàn)或者理論上獲得模態(tài)反射系數(shù)是一個(gè)極其困難的問(wèn)題。但由于其理論的指導(dǎo)作用，多段聲襯的設(shè)計(jì)概念已經(jīng)開(kāi)始在當(dāng)時(shí)得到了應(yīng)用。由此，其聲學(xué)設(shè)計(jì)水平與早期的工作相比邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值技術(shù)的發(fā)展九十年代基于邊界元和有限元方法的管道聲學(xué)數(shù)值方法得到發(fā)展，這些方法都是在線性聲學(xué)范圍內(nèi)基于求解帶有管道流動(dòng)的對(duì)流波動(dòng)方程的定解問(wèn)題，適用于更廣泛的管道邊界形狀和邊界條件；使用有限元和邊界元方不再需要求解管口反射系數(shù)，因?yàn)樗鼈儗⒐艿纼?nèi)的聲場(chǎng)與輻射場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行求解。在這個(gè)期間，為解決傳統(tǒng)的氣動(dòng)聲學(xué)所面臨的一些困難問(wèn)題，計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)方法CAA應(yīng)運(yùn)而生。隨著一些公認(rèn)的CAA高精度計(jì)算格式的問(wèn)世，實(shí)際上已為下一步解決短艙聲傳播的精確數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。 水聲聲管實(shí)驗(yàn)研究的工程背景水聲學(xué)是聲學(xué)的一個(gè)分支。它主要研究聲波在水下的產(chǎn)生、輻射、傳播和接收的理論。用以解決與水下目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別以及信息傳輸過(guò)程有關(guān)的聲學(xué)問(wèn)題。因?yàn)槁暡ㄊ侨祟?lèi)迄今為止已知唯一能在水中遠(yuǎn)距離傳播的能量形式，而海洋的利用和開(kāi)發(fā)已為各發(fā)達(dá)國(guó)家確定為優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目。1994年11月《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》正式生效；1995年，我國(guó)人大通過(guò)了