比翱工程实验室丨喷气发动机进气道掠流的声学空间填充曲线超材料

Jennifer Natalie Glover、Dan John O’Boy

英国拉夫堡大学

原文：Acoustic space filling curve metamaterials for grazing flow in jet engine inlets

来源：interNoise 2021

导读

在过去10年中，由于制造业的进步和对破坏性环境噪声的理解不断加深，声学超材料的研究呈指数级增长。2020年是欧洲飞机研究与创新咨询委员会（ACARE：Advisory Council for Aircraft Research and Innovation in Europe）设定的第一个降噪目标节点，相对降低了50%。目前的喷气发动机噪音控制技术没有做到这一点；然而，超材料提供了一个令人鼓舞的选择。空间填充曲线（SFC：Space Filling Curves）具有提供轻质、薄、高性能声学衬垫的潜力。SFC在数学几何方面的历史可以追溯到19世纪90年代，但在声学方面是一个相对较新的补充。它们的设计具有亚波长卷曲横截面，形成迷宫状图案，减缓声波通过衬垫的传播，实现负折射和低频衰减等特性。本文根据设计范畴的基本理论，比较了一些最有前途的SFC超材料声学衬垫设计，并讨论了掠流条件下的反射、吸收和透射特性。计算机模拟和基于阻抗管的实验测试对设计进行了比较。本文总结了气动声学的未来应用，特别是针对于发动机进气道。

随着飞机噪音压力的增加，来自ACARE等组织的气动声学衰减创新需求日益增加。噪声的本质意味着有针对性的衰减方法在实现总体可观测噪声降低方面要有效得多。因此，本项目重点关注主要噪声源- 发动机，发动机在进近和起飞时占飞机总噪声的68%左右^[1]。由于所涉及的波长较长，任何解决方案都需要应对传统方法通常无法控制的极端工作条件和低频噪声。本文介绍了创新的超材料声学衬垫作为喷气发动机进气道的解决方案，在掠流条件下进行了测试，并以Glover和O'Boy 2020^[2]、Glover和O'Boy 2021^[3]的工作为基础。

正如Assouar等人^[4]在论文中回顾的那样，超材料展示了巨大的声学控制潜能，无论是被动卷绕、类亥姆霍兹谐振腔还是薄膜结构。或如“可调谐声学超材料综述”^[5]中所述，具有压电、机械或电、磁特殊功能。在本项目中，研究的超材料是由其亚波长结构卷曲截面定义的空间填充曲线（SFC）。它们被归类为被动吸声体声学衬垫。SFC提供了一条细长的螺旋传播路径，能够衰减比相同尺寸的不可分割腔体低得多的频率。SFC提供亚波长低频衰减，有可能提供轻质、薄、高性能的声学衬垫^[4]。本论文对一些最有前途的超材料设计进行了比较，这些超材料设计在实际工作条件下使用SFC。根据设计的基本理论进行了评估，并讨论了反射、透射和吸声特性。给出了该方法的原始设计灵感，然后讨论了基于掠射阻抗管测量的计算机模拟和实验测试，以比较不同的设计构型。本文还就气动声学的未来应用得出了结论，特别是在发动机进气道上。

研究创新

本项研究对一些适用于喷气发动机进气道降噪的最有前途的空间填充曲线超材料声学衬垫设计进行了比较，并讨论了掠流条件下的反射、吸收和透射特性。这项工作的重要进展是多环境行业标准阻抗管测试的分析和随后的定制原型。通过使用两个、四个传声器和掠射阻抗管，在迎面气流、透射流和掠射流中捕获吸收、反射、透射系数和声透射损失的完整声学剖面。这种全剖面解决方案是在可比实验基础上捕捉空间填充曲线设计潜力的独特方法。

图文快览

 图1: 亥姆霍兹谐振器610Hz

图2: 亥姆霍兹谐振器610Hz晶胞

图3: 之字形衬垫

 图4: 网状衬套的超慢速流体介质表示

 图5: 六角晶胞

 图6: 迷宫晶胞

 图7: 之字形晶胞

 图8: 实验台照片

 图9: 掠射传声器阻抗管

 表1: 声学衬垫和顶板重量

表2: 顶板设计

 图13: 所有衬垫的吸声系数测试值

 图14: 平均反射和吸声系数值

 图15: 计算和实验数据的吸声系数频率峰值比较

 图16: 所有衬垫的透射系数测试值

 图17: 平均声传输损耗

总结

原始文件中给出的模拟数据与该比较之间的频率一致性通常较差，表明衰减变化较大。尽管无法完美地重建模型，但峰值的频率和透射率始终高于预测值。选择SFC是因为它们的宽带和多个低频共振，但这项实验工作并没有可靠的表明多个共振特性受到顶板配置的高度影响。这表明，必须在一致的条件下测试衬垫，以获得可比的声学性能。原始文件在实验和模拟方法上有所偏差，而本标准测试本身更能反映工业环境。

性能最好的衬垫是传统亥姆霍兹谐振腔，它在所有配置中始终表现出最低的共振、最高的吸收和较低的传输。带多孔顶板框架的亥姆霍兹谐振腔最大吸收系数为0.57。表现最好的空间填充曲线是之字形，具有良好的平均吸收；之字形多孔顶板尽管具有最短的芯深，但其平均传输率最低。虽然六边形衬垫与亥姆霍兹谐振腔相当，并显示出SFC最明显的频率特征，但由于重量增加，不如之字形衬垫理想。结果还表明，由于许多非设计参数会导致更高的频率衰减，因此很难达到低频衰减，但这也突出了超材料声学衬垫的潜力。

参考文献

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