普信®声学院丨NAIMMTA项目丨飞机机舱应用的声学超材料噪声衰减性能的实验验证

New Acoustic Insulation MetaMaterial Technology for Aerospace航空航天声学超构材料隔声新技术项目，简称NAIMMTA项目，是由全球研究项目支持计划下的经济、科学和创新部（MESI）提供的研究经费，支持国际研究和创新活动（PSR-SIIRI）中关于声学超材料在航空航天领域中的应用研究的研究课题。项目成员包括空中客车（AIRBUS）、哈金森航空工业（Hutchinson）、德国应用航空研究中心（ZAL）、加拿大国家研究委员会（NRC）、3M、Mecanum、希尔布鲁克大学声学研究所（GAUS）、魁北克大学高等技术学院（ÉTS）和汉堡应用科技大学（HAM HAMBUNG）。

该项目的目标是基于声学隔音超材料（AIMM：Acoustic Insulation MetaMaterials）概念开发和验证用于航空航天应用的新型隔音技术。这项技术已被融入到当前高性能热-声绝缘材料设计中，并且可以调节与音调和宽带噪声相关的衰减。该项目已于2020年12月正式完成，取得了众多世界级科研与工程成果，将为验证与加速声学超构材料的工业应用提供理论与技术基础和产业转化动能。

项目详情请参考：

普信®声学院将逐期介绍NAIMMTA项目的相关公开论文、成果及信息。本期将介绍Sebastian Ghinet（NRC飞行研究实验室）、Patrick Bouche（Mecanum公司）、Thomas Padois、Louis Pires和Olivier Doutres （蒙特利尔高等技术学院）、Tenon Charly Kone（NRC飞行研究实验室）、Khaled Triki、Fahmi Abdelkader、Raymond Panneton和Noureddine Atalla（希尔布鲁克大学机械工程学院）等发表在第49届国际噪声控制工程大会（interNoise 2020）上的论文Experimental Validation of Acoustic Metamaterials Noise Attenuation Performance for Aircraft Cabin Applications。

研究背景

对于任何飞机制造商而言，客舱舒适性都是重要的设计指标和内容。客舱中乘客和机组人员的整个旅行体验在很大程度上取决于机舱中服务的舒适性、效率和水平或多样性。飞机制造商采用的任何创新方法的总体目标是为旅客提供最安静、最舒适和有吸引力的机舱环境。尽管所有飞机制造商都在不断提高其客舱声振舒适性标准，但仍期望在新的客舱设计中融合当代技术先进的理念，并针对低制造成本和集成成本以及低重量进行优化，同时提供令人愉悦的旅行环境。在过去的几十年中，结合在声学超材料中的各种低频噪声控制技术概念已经在文献中提出来了。所提出的技术表现出令人鼓舞的性能，每厚度单位的噪声衰减率非常高，与传统的隔音材料相比，可以认为这是一种改进的解决方案。

创新研究

对两种噪声控制解决方案进行了数值研究，并在声传递损失（STL）实验室中在扩散场激励下将其附着到加筋的弯曲面板上时，在单墙和双墙结构中通过实验验证了其噪声控制性能。提出的解决方案不仅必须针对声学性能进行优化，而且还必须针对轻量化和低制造成本进行优化。第一种解决方案包括玻璃棉层和用于宽带噪声衰减的高流阻率微穿孔膜。第二种解决方案包括具有嵌入式亥姆霍兹共振器（HR）的玻璃棉层，其设计用于减弱在扩散场激励下弯曲机身面板的环频率的影响。论文中讨论了在单墙和双墙结构中两种噪声控制解决方案的STL性能涉及的主要机制。

参数研究

为评估亥姆霍兹谐振器（HR）的不同几何特征对法向入射声传输损耗的影响，使用商业软件进行了有限元（FE）数值模拟。空腔和颈部的体积保持恒定，文章中考虑的三个颈部形状“直线”、“锥度”和“沙漏”及其3D几何形状如图1所示。Johnson-Champoux-Allard的等效流体模型用于准确说明HR颈部的粘性耗散。但是，对于“锥形”和“沙漏”配置的复杂颈部形状，将颈部离散为多个片段（垂直于颈部的旋转轴），并且使用每个片段的平均直径来精确估算等效流体性质。这种离散化在图1b中显示为沿着颈部长度的各种蓝色渐变片段。

图1：亥姆霍兹谐振器的尺寸（a）和3D几何形状（b）

每种配置的法向入射声传输损耗如图2所示。法向入射声传输损耗有限元结果如图3所示。法向入射声传输损耗有限元结果如图4所示。

图2：颈部形状对声音传输损耗的影响

图3：颈部半径对声音传输损耗的影响

图4：颈部长度对声音传输损耗的影响

实验结果

在代表性的飞机机身部分中集成了两种隔音结构，并使用希尔布鲁克（Sherbrooke）大学的声传输损耗设备在扩散场激励下进行了测试。

图5：加筋的面板：（a）3D模型；（b）在2英寸玻璃纤维层中嵌入96个谐振器的面板（黄色：玻璃纤维棉；红色：谐振器）

第一种隔音解决方案包括玻璃纤维层和用于宽带噪声衰减的高流阻率微孔筛（APF）。本项目中使用的微孔筛网是3M公司提供的开发样本材料：APF 3M 2018-2300。表1中提供了微孔筛（APF）显影样品和玻璃纤维的特性。图6显示了在单壁设置中测试的各种配置下测得的STL的比较。

表1：玻璃纤维和微孔筛的性能

注：L.C.V和L.C.T分别是粘性和热特征长度。

图6：带有玻璃纤维和APF层的加筋板的传声损耗

为了更好地可视化已实现的噪声衰减，使用2英寸玻璃纤维和APF的面板与2英寸玻璃纤维的面板以及2层1英寸玻璃纤维的夹层之间的APF与2英寸玻璃纤维的面板之间的插入损耗玻璃纤维棉如图7所示。

图7：带有玻璃纤维和APF层的加筋板的插入损耗

隔音解决方案也在双壁结构中进行了测试。在该研究中将单壁配置（面板+ 2英寸玻璃纤维）与相应的双壁配置（面板+ 2英寸玻璃纤维+蜂窝）进行了比较，以评估隔音处理的性能（插入损耗）。STL结果如图8所示。

图8：双壁配置中带有玻璃纤维和APF层的加筋板的声音传输损耗

第二种隔音解决方案包括玻璃棉层，这些玻璃棉层具有嵌入的HR，旨在减弱在扩散场激励下弯曲机身面板的环频率的影响，如图5（b）所示。表2提供了HR的特性（共振频率和几何参数）。

表2：亥姆霍兹谐振器的特性

首先在单壁设置中测试了带有2英寸玻璃纤维棉层和96个嵌入式HR的加硬机身部分的配置。请注意，已对HRs结构进行了优化，以最大程度地减少集成到声音包中所固有的增加的重量。嵌入在玻璃纤维层中的96个HR覆盖的区域占面板表面的32％。与面板的质量相比，谐振器的相对增加的质量为15％。扩散场的声传输损耗结果如图9所示。

图9：带有玻璃纤维层和96个嵌入式亥姆霍兹谐振器的加筋板的声传输损耗–单壁配置

隔声配置也在双层壁设置中进行了测试。此配置的扩散场声传输损耗结果如图10所示。为了更好地可视化已实现的噪声衰减，计算了单壁和双壁配置的插入损耗，结果如图11所示。

图10：带有玻璃纤维层和96个嵌入式亥姆霍兹共鸣器的加劲板的声传输损耗–双壁配置

图11：带有玻璃纤维层和96个嵌入式亥姆霍兹谐振器的加筋板的插入损耗–单壁和双壁配置

应用与展望

目前的研究集中在两种廉价，轻便和易于集成的噪声控制解决方案上，这些解决方案可以改善飞机机舱的噪声衰减。作为本项目的一部分，将对参数研究以及设计和比较的各种声学解决方案进行更全面的介绍，作为目前正在准备中的期刊文章的一部分。