軟性多孔材料圓柱降噪特性實驗研究

武天皓 郭 昊 陳 旭 劉沛清

(北京航空航天大學陸士嘉實驗室(航空氣動聲學工業和信息化部重點實驗室), 北京 100191)

0 引言

當代民用航空業正處于迅速崛起的進程中,飛機噪聲已經成為眾人越來越關心的問題之一。影響飛機適航噪聲水平的噪聲源主要包括兩大類：一是機體結構產生的氣動噪聲，包括在起飛著陸階段，起落架、起落架艙以及襟副翼組成的增升裝置在氣流作用下產生的噪聲；另一類則是動力裝置引起的噪聲。研究機體降噪方法，特別是起落架降噪方法，對于提高我國大飛機研制能力具有顯著意義。國內外相關研究表明，包裹軟性多孔介質可以影響起落架附近流場，耗散聲能量，抑制渦脫落，降低其產生的氣動噪聲。

1999年，Nishimura等人對支柱表面覆蓋絨毛織物后的構型進行了風洞實驗研究。Nishimura等人于2010年做了更細致的關于絨毛織物降噪的實驗。通過風洞實驗檢驗了絨毛織物的哪些參數對于抑制空氣動力噪音的產生是重要的。Sueki等人將多孔材料(聚氨酯泡沫和泡沫金屬)包裹在支柱外表面，使用麥克風、PIV、壓力傳感器進行了風洞實驗。Geyer等人將軟性多孔材料覆蓋在支柱表面，以此來降低支柱體(起落架、高速列車受電弓的組成部件)流動噪聲。實驗研究了多孔材料的流阻率、雷諾數、來流馬赫數對支柱噪聲的影響。Laura等人對背風面加裝柔性翼片、絨毛的支柱進行了風洞實驗。魏崢等在風洞中通過使用熱線、煙線和PIV設備研究了多孔介質對支柱繞流尾跡區流場的影響。在針對多孔材料進行的數值計算方面，LIU Hanru等人采用了結合二維大渦模擬和FW-H方程的混合算法進行計算，結果顯示，支柱表面覆蓋多孔材料能使噪聲降低，峰值區域變窄，峰值頻率移向低頻，但不能完全抑制渦脫落峰值。

在本文的研究工作中，對具有較好降噪效果的絨毛織物和噴膠棉兩類軟性多孔材料進行了噪聲和流動測量，以找出軟性多孔材料的降噪特點及機制，為今后應用在大型飛機起落架提供重要的參考價值。

1 實驗設備

1.1 D5氣動聲學風洞

本次實驗在北京航空航天大學D5氣動聲學風洞中進行。D5氣動聲學風洞是一座低速、低湍流度、低噪聲回流氣動聲學風洞，開口試驗段風速為0 m/s～80 m/s，風洞來流湍流度小于0.08%。風洞總體長度25.58 m，寬度9.2 m，高度3.0 m。實驗段截面為正方形，截面寬度1.0 m，高度1.0 m，如圖1所示；閉口實驗段長度2.5 m，開口實驗段長度2.0 m，集氣口切換段長度0.5 m。

圖1 D5風洞實驗段

1.2 熱線測量

如圖2所示，使用Dantec公司生產的55P11探針和二維(55p61)熱線探頭進行熱線實驗。采樣頻率為25 600 Hz，每次采樣時間為50 s。

圖2 探針擺放位置示意圖

1.3 噪聲測量

使用BK麥克風進行遠場噪聲測量，安放位置如圖3所示。采樣時長均為50 s，采樣頻率為25 600 Hz。

圖3 實驗中麥克風位置安放圖

1.4 噴膠棉和海藻綿參數

本文采取的軟性材料為噴膠棉和海藻綿，具體參數見表1。

表1 本文圓柱實驗模型及噴膠棉和海藻綿參數

2 實驗結果與分析

2.1 聲場結果

圖4給出了單個麥克風在不同風速下測得的覆蓋噴膠棉和海藻綿后0.05 m直徑支柱的頻譜特性。可以看到，在各個風速下，覆蓋噴膠棉和海藻綿都能完全消除由支柱渦脫落引起的純音噪聲。覆蓋噴膠棉能完全消除支柱在整個寬頻段內的氣動噪聲，覆蓋海藻綿在5 kHz以上的部分產生了額外的高頻噪聲，且風速越大，該噪聲的初始頻率越高。

(a) 來流速度為30 m/s

(b) 來流速度為40 m/s

(c) 來流速度為50m/s

(d) 來流速度為55 m/s

為了觀察具有最好降噪效果的噴膠棉是否對于多種直徑的支柱均有效果，將其覆蓋在0.03 m和0.04 m支柱外進行了遠場噪聲測試。圖5和圖6分別給出了0.03 m支柱和0.04 m支柱覆蓋噴膠棉后在不同風速下的聲壓級頻譜特性。

從圖5可以看出，將噴膠棉覆蓋在直徑為0.03 m的支柱上，雖然渦脫落引起的單音噪聲被抑制，尖峰消失，但寬帶噪聲并不能完全消除。B-2模型遠場噪聲在低于1 kHz，高于5 kHz的頻段依然明顯高于背景噪聲，但高頻噪聲顯然低于光滑支柱。圖6的現象與圖5基本一致。

(a) 來流速度為30 m/s (b) 來流速度為40 m/s

(c) 來流速度為50 m/s (d) 來流速度為60 m/s圖5 覆蓋噴膠棉和海藻綿后直徑0.06 m支柱的聲譜特性

(a) 來流速度為30 m/s (b) 來流速度為40 m/s

(c) 來流速度為50 m/s (d) 來流速度為60 m/s圖6 覆蓋噴膠棉和海藻綿后直徑0.08 m支柱的聲譜特性

2.2 尾跡速度測試結果分析

在來流風速為30 m/s下，對D=14 mm的圓柱進行速度測試。圖7和圖8分別為覆蓋噴膠棉支柱在不同流向位置(y/d)的流向速度和橫向速度的展向分布。

(a) 無量綱流向速度

(b) 無量綱流向脈動速度圖7 無量綱流向速度與脈動速度

(a) 無量綱橫向速度

(b) 無量綱橫向脈動速度圖8 無量綱橫向速度與脈動速度

由圖7和8可以看出，以光滑支柱的尾跡流動結構對比來看，相比較而言，多孔柱體尾跡區域速度明顯減小，尾跡被拓寬，回流區從=±05拓寬至=±1。并且直至測量的=4時，依然存在著很強的氣流剪切，表明此時還未出死水區，說明多孔材料使得支柱尾流沿主流方向被拉長。從脈動量來看，剪切作用最強的區域脈動量最大，其關于流向的性質保持在支柱繞流死水區之內。向的平均速度基本關于原點反對稱。通過圖7和圖8中流向和橫向速度脈動曲線可以看出，覆蓋噴膠棉支柱流向()和橫向()的速度脈動均明顯降低，流向速度脈動雙峰間距增大，橫向速度脈動單峰向雙峰轉化，再次說明了軟性材料表面使得支柱尾跡區域被拓寬。并且，光滑支柱側向速度脈動沿主流方向先增大后減小，而覆蓋噴膠棉的支柱在所測范圍內一直增大。這表明軟性材料使得渦脫落的位置延后。

(a) 無量綱流向速度 (b) 無量綱流向脈動速度

(c) 無量綱橫向速度 (d) 無量綱橫向脈動速度圖9 圓柱尾跡對稱軸上速度沿流向分布(D=14 mm,U=30 m/s)

一般，渦在尾跡中的形成位置用于衡量渦形成長度，可以被定義為沿著支柱后方中心線流向速度脈動的第一個峰值到模型中心的距離。該值影響尾跡的壓力分布和對柱體的作用力。圖9中顯示本次實驗測得覆蓋軟性材料后渦形成長度由光滑支柱的1.6 d延長至5.4 d(噴膠棉)和5.2 d(海藻綿)。這表明覆蓋軟性材料使得渦脫落的位置延后，軟性材料削弱了剪切層的不穩定性，使得渦脫落位置延后，增大了渦形成長度。

4 結論

在北航D5氣動聲學風洞中，對覆蓋軟性多孔材料的起落架支柱模型進行了聲學測量。實驗使用了噴膠棉和海藻綿2種軟性多孔材料覆蓋在支柱外表面，采用自由場傳聲器獲取遠場聲譜特性，其聲譜結果顯示覆蓋噴膠棉和海藻綿，能使支柱單音完全消失，但海藻綿會引起高頻噪聲增加。最優秀的降噪材料噴膠棉，能完全抑制單音噪聲和完全消除寬帶噪聲。分析原因，認為軟性多孔材料使得支柱尾跡區兩側剪切層變得細長，減小了尾跡區的渦形成長度，從而削弱了剪切層之間的相互作用。