比翱工程实验室丨具有剪切掠流的声学衬垫的设计和优化：OPAL软件应用

Rémi Roncen、Pierre Vuillemin、Patricia Klotz、Frank Simon、Fabien Méry、Delphine Sebbane、Estelle Piot

ONERA/DMPE/DTIS，Universitéde Toulouse

原文：Design and optimization of acoustic liners with a shear grazing flow : OPAL software applications

来源：interNoise 2021

背景介绍

在存在冷或热剪切掠流（即发动机短舱、燃烧室、喷射泵、起落架）的各种应用中降低飞机噪声的背景下，正在寻求改进的声学衬垫解决方案。航空领域中的运营限制要求对飞机发出的噪声级进行更严格的降低。这种降低噪声的方法通常是在发动机短舱中通过集成称为衬垫的声学材料来实现的，衬垫根据声学谐振器的原理工作，并衰减部分声波。在低频区域尤其如此，因为空间有限限制了传统线性技术的效率。因此，衬垫设计必须考虑构成材料的尺寸和现象学特征、装配规范和涉及多物理现象的工业要求。声学衬垫的开发的第一个目标是允许用户沿着给定的管（涡）道组装一大块平行/串联的基本声学层。然后，可以针对给定的流量和频率范围优化该衬垫的物理特性，相对于加权目标：阻抗目标、最大吸收系数或传输损失与总样本大小和重量等。

开发具有创新结构的声学衬垫是寻求迎接未来声学挑战的进步的一部分。为此，法国航空航天研究院（ONERA）目前正在开发一个名为OPAL（OPtimization of Acoustic Liners声学衬垫的优化）的Python模块，以组装不同的结构单元，从而设计出新颖的声学衬垫。其中一些单元是：

–可以自由组装带有各种声学单元元件的衬垫。

–评估由多层平行组装组成的超表面的声学性能材料。

–以低成本评估存在流动的给定系统中的最佳阻抗。

–确定在约束和/或多个目标下最能实现最佳阻抗的衬垫的属性。

导读

法国航空航天研究院开发了一个名为OPAL的软件平台来执行超表面声学衬垫的多目标优化。本文侧重于内衬设计的不同数值方面。模拟声学项目，进行数值分析。OPAL的目标是允许用户组装一大块单元声学元件（泡沫、穿孔板、腔体等）的平行/串联组件。然后相对于给定的加权目标（降噪、样本的总大小）优化材料属性。在目前的应用中，在一些参考配置上预测降噪，这些参考配置是通过线性化欧拉方程的2D高阶不连续伽辽金分辨率与降阶模型结合计算的。还给出了由在OPAL开发过程中创建的超表面实现的传输损耗的实验结果。

OPAL软件

用python 3编写，OPAL是一个包含三个软件模块的库：

–　sandbox模块专用于声学单元元件的创建和组装，例如穿孔板、泡沫、腔体等。

– mamout模块专门用于一维线性欧拉方程(LEE)的定义和求解，假设一个在所有方向上都具有无限维度的线性。

– pyDG模块专门用于定义和求解2D中的LEE，使用高阶不连续Discontinuous-Galerkin方程。

一旦用户组装了给定的内衬，指定使用什么材料以及内衬所处的环境（环境流体特性、流动的存在、SPL、频率范围等），就可以估计其阻抗（或其他声学特性）。然后，用户可以使用与OPAL接口的免费和开源优化软件进行1D或2D模拟，为给定系统优化选定的衬垫配置（或在专用的衬垫候选库中进行选择）^{[2, 3]}。

图文快览

图1：由三个不同的多层组成的超表面示意图。假定超表面图案无限重复，从而产生等式2的均匀化阻抗

图2：a)ONERA 的B2A气动声学工作台示意图。红色虚线表示进行压力测量的位置b) 剪切掠流剖面

图3：由 GMSH^[22]创建并由pyDG模块用于LEE离散化的网格

图4：用于计算snapshots的采样点

图5：1500Hz时的TL映射，在反射系数空间（左）和（减少的）阻抗空间（右）中

图6：内衬1（长度15厘米）的优化TL，6个单自由度晶胞的平行组件，顶部有金属丝网。衬垫超表面的嵌入式示意图

图7：衬里2（长度15厘米）的优化TL，3个单自由度晶胞的堆叠组件，顶部有金属丝网。衬垫多层结构的嵌入式示意图

图8：内衬3（长15 厘米）的优化TL，6个LEONAR晶胞的平行组件，顶部有金属丝网。衬垫超表面的嵌入式示意图

图9：由9个不同晶胞组成的超表面的顶视图。L_c是超表面的特征长度

 图10：实验总结。传输损耗（左）和3D打印样品（右）

总结

本文介绍了OPAL软件的应用，说明了声学衬垫设计策略。OPAL软件主要是两个模块之间的耦合。第一个是sandbox，提供了一个声学衬垫库，用户可以扩展它来表示由可以通过传递矩阵方法表示的声学单元组成的任何衬垫。然后，pyDG模块允许LEE的2D计算，以在存在剪切掠流的情况下求解配置的声场。该库包括文献中的模型，用于说明由流动和高SPL的存在引起的非线性效应。展示了一个数值示例，用于模拟小型气动声学台架中的衬里设计项目，展示了一般策略以及在涡道中针对三种不同的超表面和多层衬里执行的预期衰减。还介绍了实验案例的第一个结果，给出了复杂超表面衬垫的传输损耗。

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