龔情，何志平，黃建萍，紀(jì)雙英，黃遙，李文智

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西省 景德鎮(zhèn)市 333001；2.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司基礎(chǔ)技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心，北京)

0 引言

多年來(lái)直升機(jī)艙內(nèi)噪聲問(wèn)題一直令人困擾，直升機(jī)飛行時(shí)整個(gè)動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)包括旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、尾槳及傳動(dòng)系統(tǒng)都向直升機(jī)艙內(nèi)輻射及傳遞噪聲，使駕乘人和直升機(jī)各組件始終處在復(fù)雜且惡劣的噪聲環(huán)境之中[1-3]。強(qiáng)噪聲不僅危害駕乘人員身體健康，影響工作效率，其誘發(fā)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲疲勞還可能影響直升機(jī)的安全性[4-5]。

常見(jiàn)的噪聲控制技術(shù)可分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制。其中被動(dòng)控制技術(shù)是物理隔離：采用消音隔離材料阻隔噪聲，以達(dá)到在傳播途徑中減弱噪聲密度的目的。目前國(guó)內(nèi)直升機(jī)采用的物理隔離材料通常是橡膠板、泡沫等。該類材料對(duì)中低頻噪聲控制能力差、系統(tǒng)尺寸和質(zhì)量較大、增加燃油消耗，影響了直升機(jī)整體性能，且降噪效果通常達(dá)不到用戶的需求[2]。

1 吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)材料

吸聲蜂窩材料結(jié)構(gòu)屬于共振吸聲結(jié)構(gòu)的一種，與多孔吸聲材料不同，共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲原理主要是當(dāng)聲波頻率與吸聲結(jié)構(gòu)固有頻率相同時(shí)，聲波激發(fā)吸聲結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，引起聲能衰減，從而達(dá)到吸聲的目的[6-8]。一般共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲特性呈峰值吸聲現(xiàn)象。吸聲系數(shù)在共振頻率處最大，離開(kāi)該頻率吸聲系數(shù)逐漸降低。共振吸聲結(jié)構(gòu)模型[9]如下式所示：

式中：Z——聲阻抗;

c——聲速，m/s；

D——空氣層深度，mm；

ω——角頻率，ω=2πf(f為頻率)；

r——相對(duì)聲阻率；

α——相對(duì)聲質(zhì)量；

d——孔徑，mm；

t——板厚，mm；

P——穿孔率；

Kr——聲阻系數(shù)；

Km——聲質(zhì)量系數(shù)；

j——矢量單位；

g——重量系數(shù)。

其吸聲效果與結(jié)構(gòu)的穿孔率、背板厚度、孔徑等多種因素息息相關(guān)[10-13]。實(shí)際在共振吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可綜合考慮各個(gè)影響因素進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，同時(shí)滿足零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及降噪要求。吸聲蜂窩材料類屬于共振吸聲結(jié)構(gòu)材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[14-16]，是由一定厚度的蜂窩芯材與上下兩層面板組成，其中上面板為有一定數(shù)量孔眼的穿孔板，下面板為一層剛性背板。這種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)小蜂窩芯格單元都可以看做一個(gè)獨(dú)立的赫姆霍茲共振腔，當(dāng)聲波進(jìn)入蜂窩芯格后，聲波引發(fā)結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，致使聲能衰減；同時(shí)還有部分聲波與受擾動(dòng)的空氣氣流在空腔中反復(fù)運(yùn)動(dòng)和摩擦導(dǎo)致聲能變成熱能而消散掉[13，17]，起到降噪的作用。與其他的吸聲降噪結(jié)構(gòu)比較，蜂窩將空氣層分割為多個(gè)封閉的子空腔，這種結(jié)構(gòu)一方面可以使進(jìn)入到結(jié)構(gòu)的熱量和聲波受到極大的阻礙；另一方面，蜂格壁面還可以對(duì)聲波進(jìn)行有效的反射，從而有效地增大吸聲效果。實(shí)際使用中，為了提高吸聲效果，還可以采用雙層或以上的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，即在蜂窩芯內(nèi)部一定高度處嵌入一層或多層穿孔薄膜(嵌入一層的為單自由度吸聲蜂窩材料，嵌入多層的則為多自由度吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)材料)，多自由度吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)寬吸音頻率，為寬頻吸聲結(jié)構(gòu)材料，其吸聲特性要遠(yuǎn)優(yōu)于單自由度吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)[11,18-19]。雙自由度吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 單自由度吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 雙自由度吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖

由于帶蜂窩芯材的結(jié)構(gòu)重量輕、強(qiáng)度高、剛性大、穩(wěn)定性好、降噪效果良好，目前這種吸聲結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)短艙進(jìn)氣道、核心機(jī)匣、反推力裝置及風(fēng)扇涵道等部位[20-22]。

1.1 國(guó)外吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)發(fā)展及應(yīng)用

國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)降噪方案中廣泛采用了吸聲降噪蜂窩，一般應(yīng)用于發(fā)動(dòng)短艙進(jìn)氣道、核心機(jī)匣、反推力裝置及風(fēng)扇涵道等部位，取得了顯著的吸聲效果，為飛行器解決了不少噪聲難題[23-24]。發(fā)動(dòng)機(jī)用消音襯墊一般由平滑的碳纖維復(fù)合材料底板、NOMEX紙蜂窩或鋁蜂窩以及粗松的碳纖維復(fù)合材料面板或帶孔的鋁合金面板上覆蓋一薄層不銹鋼金屬網(wǎng)等組成。為減輕結(jié)構(gòu)的重量和減少推力的消耗，消音板的表層材料亦有很多采用多孔的金屬薄片(厚度一般小于0.8 mm)。其中吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)發(fā)展應(yīng)用情況見(jiàn)表1[26-33]。

表1 吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)及應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r

吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)材料采用的蜂窩早年以鋁蜂窩為主，近些年逐漸出現(xiàn)了以紙蜂窩為骨架的共振吸聲結(jié)構(gòu)，背板材料也從單純的鋁合金發(fā)展到了包含鋁合金、樹(shù)脂基復(fù)合材料在內(nèi)的多種材料。其結(jié)構(gòu)形式向兩個(gè)方向發(fā)展：基于蜂窩的共振吸聲結(jié)構(gòu)從單自由度向多自由度發(fā)展，消聲襯墊從多片拼接式到無(wú)拼接式方向發(fā)展。

1.2 國(guó)內(nèi)吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)發(fā)展

國(guó)內(nèi)在理論研究方面有一定的成績(jī)，1997年我國(guó)著名的聲學(xué)家馬大猷院士在微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)方面有卓越表現(xiàn)，在德國(guó)獲得夫郎和費(fèi)學(xué)會(huì)獎(jiǎng)?wù)潞蜔o(wú)纖維吸聲材料獎(jiǎng)。近些年馬大猷院士又將這一理論進(jìn)一步發(fā)展，獲得了微穿孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確解，并對(duì)微穿孔板吸聲材料在高聲強(qiáng)下的性能進(jìn)行了相關(guān)研究。雖然我國(guó)的吸聲理論研究比較優(yōu)異，但在航空噪聲控制方面的研究卻起步較晚，僅對(duì)現(xiàn)役飛機(jī)(如運(yùn)七、運(yùn)十二等)暴露出的局部聲學(xué)問(wèn)題開(kāi)展過(guò)針對(duì)性研究工作[34]。20世紀(jì)90年代以前，一些航空工業(yè)科研院所的研究主要是以搜集、研究國(guó)外現(xiàn)有資料，消化、吸收各種理論、方法、手冊(cè)、數(shù)據(jù)為主，在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙消聲結(jié)構(gòu)方面做了一些基礎(chǔ)理論研究工作[35]。1990年飛機(jī)強(qiáng)度結(jié)構(gòu)研究所在吸聲蜂窩應(yīng)用研究方面有突破性進(jìn)展，首次將蜂窩夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用于螺旋槳飛機(jī)的座艙降噪中，理論研究了蜂窩結(jié)構(gòu)的聲透射機(jī)理，試驗(yàn)對(duì)比了處理前后的隔聲量結(jié)果，驗(yàn)證了蜂窩附加處理對(duì)改善機(jī)身側(cè)壁板低頻降噪性能的效果[36]。

中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司基礎(chǔ)技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心(簡(jiǎn)稱中航復(fù)材)自“十二五”開(kāi)始研制多自由度消聲蜂窩及其共振吸聲結(jié)構(gòu)，對(duì)內(nèi)嵌多自由度消聲蜂窩的關(guān)鍵制備技術(shù)進(jìn)行了探索研究，其制備過(guò)程分兩個(gè)方向進(jìn)行重點(diǎn)攻克：一是基于蜂窩的共振吸聲結(jié)構(gòu)聲學(xué)模型設(shè)計(jì)；另一個(gè)是吸聲蜂窩成型工藝探索研究，其中包括內(nèi)嵌式隔層打孔技術(shù)研究、內(nèi)嵌式隔層的植入技術(shù)研究、嵌式隔層與蜂窩孔壁的融合技術(shù)研究[37]。

通過(guò)前期的探索和研究，目前中航復(fù)材已成功研制出了內(nèi)嵌隔板式和內(nèi)嵌消聲帽式兩種多自由度吸聲降噪蜂窩,如圖3所示。對(duì)其20 mm厚吸聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行的吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果(圖4)表明，其在1 000～6 000 Hz范圍內(nèi)均具有較高的吸聲效果，吸聲頻帶基本覆蓋了3個(gè)音倍頻，屬于寬頻吸聲材料[40]。

圖3 中航復(fù)材研制的內(nèi)嵌式多自由度消聲蜂窩

圖4 吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

2 吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)材料在直升機(jī)上的應(yīng)用展望分析

2.1 直升機(jī)艙內(nèi)噪聲簡(jiǎn)介

直升機(jī)的艙內(nèi)噪聲主要由旋翼系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)及其輔助系統(tǒng)噪聲、傳動(dòng)系統(tǒng)特別是減速器內(nèi)部齒輪嚙合產(chǎn)生的噪聲、滑油散熱風(fēng)扇生產(chǎn)的噪聲以及座艙內(nèi)部環(huán)孔系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲等[1-3,38]。因其聲源如此復(fù)雜，不同聲源具有不同的頻譜特性。根據(jù)某型機(jī)艙內(nèi)測(cè)試結(jié)果顯示：200～300 Hz低頻噪聲主要有旋翼、尾槳以及氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生，其中各個(gè)尖峰對(duì)應(yīng)旋翼或尾槳通過(guò)頻率和各階諧波；300～4 000 Hz中頻噪聲主要是由主減速器產(chǎn)生，其中各個(gè)尖峰對(duì)應(yīng)主減齒輪的各階嚙合頻率；5 000 Hz以上高頻成分主要以發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲為主?？傮w而言，直升機(jī)艙內(nèi)噪聲呈現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：一是噪聲聲壓級(jí)較大，多處頻率噪聲大于100 dB，遠(yuǎn)高于正常人體聽(tīng)力及身體承受范圍(日?？山邮茏罡呗曇魹?5～90 dB)；二是噪聲覆蓋頻譜寬，幾乎覆蓋了人體整個(gè)聽(tīng)閾范圍[38-42]。這兩個(gè)特性導(dǎo)致控制直升機(jī)艙內(nèi)噪聲難度大，其一直是直升機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮解決的難題。

目前直升機(jī)艙內(nèi)噪聲控制方法有兩種：一是盡可能降低旋翼、減速器以及發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)部件產(chǎn)生的噪聲輻射，從噪聲的源頭進(jìn)行控制從而降低噪聲；二是采用被動(dòng)、主動(dòng)或半主動(dòng)的方法，控制噪聲在直升機(jī)結(jié)構(gòu)和空間的傳播，實(shí)現(xiàn)隔聲或消聲，最終降低直升機(jī)艙內(nèi)的噪聲水平。主動(dòng)控制技術(shù)難度較大，目前少有應(yīng)用；被控控制一般采用橡膠板、吸音棉等材料在噪聲傳播路徑中進(jìn)行物理隔離，也存在系統(tǒng)尺寸大、重量大、降噪效果不佳等問(wèn)題[2-3,38-41，43-45]。

2.2 應(yīng)用展望分析

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度、比剛度高，性能易設(shè)計(jì)且便于大尺寸整體成型等諸多優(yōu)點(diǎn)，是直升機(jī)結(jié)構(gòu)上廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)形式。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)零件具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，通常由一層或上下兩層剛性背板加一層蜂窩通過(guò)膠膜連接，其結(jié)構(gòu)形式與吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)材料很相似，僅在穿孔板及穿孔隔膜上有所不同。

2.2.1 駕駛艙、客艙結(jié)構(gòu)應(yīng)用

通常直升機(jī)零部件采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2[46-48]。直升機(jī)駕駛艙地板、內(nèi)飾、頂棚，客艙地板、艙門(mén)等部位均會(huì)采用蜂窩面板夾層結(jié)構(gòu)，直升機(jī)駕駛艙及客艙內(nèi)噪聲限值均需滿足直升機(jī)噪聲設(shè)計(jì)要求。若采用吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)材料將駕駛艙及客艙周邊的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成基于蜂窩的共振吸聲結(jié)構(gòu)，有望可以同時(shí)維持駕駛艙、客艙結(jié)構(gòu)形狀要求且滿足相關(guān)剛度、強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的前提下，亦能吸聲降噪，降低直升機(jī)駕駛艙、客艙內(nèi)噪聲水平，直接減少直升機(jī)艙內(nèi)消音、吸音材料的用量，為艙內(nèi)騰出空間、為直升機(jī)減輕重量。

表2 直升機(jī)機(jī)身機(jī)構(gòu)采用蜂窩面板夾層結(jié)構(gòu)

2.2.1 動(dòng)力艙、整流罩等結(jié)構(gòu)應(yīng)用

直升機(jī)的動(dòng)力艙罩、尾梁筒體及機(jī)身整流罩等多處零部件上亦大量采用了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)或離噪聲源很近，或處于噪聲至駕駛艙傳播路徑上。若將采用吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)材料替代傳統(tǒng)的蜂窩材料應(yīng)用于這些部位，可以同時(shí)達(dá)到維形、承載的目的，并在噪聲傳播路徑中吸收噪聲，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式能量耗散掉，從而阻隔部分噪聲進(jìn)一步傳播，最終降低直升機(jī)艙內(nèi)噪聲水平。

3 結(jié)束語(yǔ)

吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)材料作為一種新型的多功能材料，具備優(yōu)異的力學(xué)性能及吸聲降噪功能，用于零部件上可同時(shí)實(shí)現(xiàn)承載、維形與吸聲降噪，有望在航空設(shè)備上有突出的作用和用途。

直升機(jī)噪聲問(wèn)題突出，噪聲頻譜分布廣且分貝數(shù)大。吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)材料可通過(guò)一定設(shè)計(jì)制作結(jié)構(gòu)功能一體化材料用于直升機(jī)上，在滿足力學(xué)性能等要求的同時(shí)降低直升機(jī)艙內(nèi)噪聲。

中航復(fù)材自主研發(fā)了多自由度吸聲降噪蜂窩，并初步實(shí)現(xiàn)了該材料的國(guó)產(chǎn)化，在1000～6000Hz頻率范圍內(nèi)均有良好的吸聲效果，通過(guò)進(jìn)一步設(shè)計(jì)有望用于直升機(jī)駕駛艙等結(jié)構(gòu)中，幫助解決直升機(jī)艙內(nèi)噪聲問(wèn)題。