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《航空学报》丨提高飞机壁板低频宽带隔声的层合声学超材料
摘 要：针对飞机舱内的低频宽带噪声控制难题，提出了适用于飞机壁板隔声增强的层合声学超材料。该层合声学超材料由前、后两层不同构成参数的约束型薄膜声学超材料板，及其中间填充的多孔吸声材料复合而成。通过建立层合声学超材料的隔声计算有限元模型，分析各层约束型薄膜声学超材料，以及两者复合构成的层合声学超材料的隔声特性关系，着重研究层合声学超材料的负质量效应对其隔声特性的影响机理。基于四传声器法声阻抗管测试系统，测量层合声学超材料的法向入射隔声量，用以验证有限元模型的有效性。最后，在半消室开展大尺寸层合声学超材料的插入损失试验，结果表明在100 Hz - 500 Hz的低频工作频段，面密度为1.5 kg/m2的层合声学超材料样件，其算术平均插入损失达到14 dB，体现了优异的低频宽带隔声能力。研究工作对于采用轻薄声学超材料提高飞机壁板的低频宽带隔声性能具有一定的理论和工程指导价值。
研究背景与创新飞机舱内的噪声控制不仅反映飞机的设计制造水平，更反映一国装备制造业的综合实力。国际航空强国均视飞机的声学设计和噪声控制为其核心技术，是决定商用飞机竞争力和作战飞机战斗力的重要因素之一。 飞机的舱内噪声主要来源于发动机产生的喷流噪声、机身表面的湍流噪声以及发动机振动产生的结构噪声，具有低频噪声量级高且频带宽的特点。由于飞机的舱内噪声难以直接从源头进行控制，在主要传播路径的壁板结构上实施隔声措施便成为最行之有效的方法。增强飞机壁板隔声性能的常规被动途径包括：在蒙皮和内饰板侧铺设吸声或抑振材料；在空腔内填塞更多的隔音棉或嵌入其它性能优异的复合隔声材料。然而，受飞机壁板的附加重量和空间约束限制，常规的声学材料和降噪方案难以在极轻薄的前提下有效提高飞机壁板的低频宽带隔声能力。 近年来，基于局域共振机理的薄膜型声学超材料在经历了原理雏形发展阶段后，正逐步得到工程应用层面的研究。典型的薄膜型声学超材料利用周期性分布的单元内部所含的质量块和弹性薄膜结构在低频形成反共振模式，进而呈现负质量效应，可在亚波长尺度下实现对低频声波的近乎全反射；其有效工作频带可通过改变单元尺寸、质量块重量、薄膜厚度以及预施张力实现灵活的可调性。 本文基于含约束体的薄膜型声学超材料研究领域（Constrained Acoustic Metamaterials，简称CAM）前期工作的基础上，进一步将两层不同工作频率的 CAM 连同多孔吸声材料进行复合，从而形成一类层合声学超材料。通过有限元模型分析层合声学超材料的隔声特性，开展模型的实验验证，并在半消室内进行层合声学材料的大尺寸样件的隔声测试与分析。该层合声学超材料重量轻，厚度薄，体现了优异的低频宽带隔声性能。
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结论
为了解决飞机壁板的低频宽带隔声增强需求，提出并设计了一种由两层约束型声学超材料及多孔吸声材料复合而成的层合声学超材料。该层合声学超材料重量轻，厚度薄，有效工作频率覆盖100 Hz-500 Hz。有限元仿真结果和声阻抗管实验结果一致性良好，在两个中心工作频率，即110 Hz和420 Hz 附近的隔声效果显著优于等重量的单板系统以及等重量且等厚度的双板系统。大尺寸层合声学超材料样件的插入损失试验表明：在100 Hz-500 Hz频段，面密度为1.5 kg/m2的层合声学超材料，其算术平均隔声量达到14 dB，体现了优异的低频宽带隔声性能。
需要指出的是，由于飞机壁板并非平面薄板结构，而是具有一定弧度的圆柱薄壳结构。当声学超材料应用于飞机壁板时必须考虑两者的结构配合程度。因此，平面结构的声学超材料在应用于飞机壁板时还应考虑框架的柔性或弯曲变形后对隔声性能的影响、间断排布的平面结构声学超材料的隔声特性，或者将平面结构的声学超材料拓展为薄壳结构声学超材料。这些内容将会在后续工作中进行深入研究。
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