比翱工程实验室丨基于复杂腔体亥姆霍兹谐振器的飞机机舱多纯音低频噪声控制

Tenon Charly Kone^a,Sebastian Ghinet^a,Raymond Panneton^b,Thomas Dupont^c,Anant Grewal^a

a:加拿大国家研究委员会，飞行研究实验室

b:希尔布鲁克大学声学研究所(GAUS)

c:魁北克大学高等技术学院（ÉTS）机械工程学院

原文：Multi-tonallow frequency noise control for aircraft cabin using Helmholtz resonator withcomplex cavity

来源：interNoise 2021

导读

在低频范围内同时控制多个纯音频率的噪声对航空航天、地面运输和建筑行业来说是一个挑战。在过去的几十年中，文献中已经提出了基于声学超材料设计的各种低频噪声控制解决方案。与传统隔音材料相比，所提出的技术显示出良好的声学性能，被认为是一种很好的解决方案。以前，将分层多孔材料与嵌入式亥姆霍兹谐振器相结合的方法在多频率下调谐时显示出巨大的潜力。在这些工作的扩展，这篇文章提出了一种超材料，由一个结构亥姆霍兹谐振器（HR）集成在玻璃棉基质中，以改善声音传输损失(STL)，并同时控制多个纯音频率的噪声。HR是一个圆柱形空腔，具有内部结构化颈部。结构化的颈部由一个主要的圆柱形孔隙组成，沿其轴支撑周期性空腔。所提出的超材料的分析建模使用串联和并联的传递矩阵方法(TMM)。目前的研究表明，这种类型的超材料可以控制多纯音噪声并将传输损耗峰值移向低频。据观察，使用开发的TMM方法计算的STL与通过有限元方法(FEM)建模的结果非常一致。

创新研究

本文提出了一种由嵌入多孔基质中的复杂亥姆霍兹谐振器制成的薄声学超材料的概念以及相关的分析传递矩阵建模方法。本文的目的是开发一种超材料，它可以集成到管道中，并能够在几个UAS（Unmanned Aerial System）叶片通过频率下衰减噪声。此外，本文提出了一种快速可靠的方法来表征超材料的声学特性。提出的超薄超材料是嵌入玻璃棉基质中的亥姆霍兹谐振器(HR)。HR的颈部结构为Kone等人[19,20]描述的超材料串行和并行传递矩阵方法（TMM和PTMM）[21,22] 用于构建超材料的传递矩阵并预测其法向入射吸声系数和传递损失。

图文快览

图1：本文研究的超材料。（a）亥姆霍兹谐振器，具有结构化的颈部，嵌入玻璃棉中。 (b) 放大亥姆霍兹谐振器的颈部结构

图2：具有表面阻抗位置的轴对称结构颈部的PUC

 图3：亥姆霍兹谐振器的导纳模型及其内部结构颈部和气腔容积 

 图5：使用提出的TMM模型和FEM计算对超材料的两种配置进行吸声系数预测

 图6：连接到模拟阻抗管用于吸声计算的超材料的FEM模型和网格。底部矩形代表模拟阻抗管的上游空气域

图7：使用提出的TMM模型和提议的超材料的FEM计算的声音传输损耗预测

结论

本文提出了一种由嵌入多孔基质中的复杂亥姆霍兹谐振器制成的薄声学超材料的概念以及相关的分析传递矩阵建模方法。复杂的HR包含一个结构化的颈部，可产生多音声吸收峰和声音传输损失峰。与具有仅产生一个纯音峰值的直颈的传统HR相比，这是一个优势。通过与有限元计算的比较，验证了所提出的分析建模方法的实施有效性。虽然在建议的方法和FEM计算之间获得了很好的比较，但观察到共振位置的轻微偏差。这种偏差是由于计算颈部有效长度以考虑端部校正的方法造成的。需要更多的研究来改进这个计算。此外，还观察到振幅的偏差。到目前为止，作者还没有解释这种偏差。最后，所提出的分析建模只需要有限元方法计算时间的一小部分。因此，它非常适合用于优化目的。

虽然这项工作显示了UAS螺旋桨护罩中薄且易于集成的超材料的潜力，能够衰减螺旋桨N/Rev频率，但仍有几个步骤有待研究。特别是优化设计参数以控制超材料的谐振频率以匹配纯音噪声的频率。

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