超线性纯金属丝网衬里：宽马赫带衰减概念

《Aerospace Science and Technology》：Ultra-linear pure wire mesh liner: the broad-Mach-band attenuation concept

宽马赫数衰减需求驱动下，研究新型纯钢丝网衬垫（PWML）的声学性能。通过有限元模型分析抽象化发动机尾管模型，确定目标声阻抗随马赫数变化规律，发现传统穿孔衬垫（CPL）因阻抗非线性导致宽马赫数衰减效果差。实验表明PWML通过微孔结构实现阻抗线性，其声阻抗对马赫数敏感度降低约40%，经模型回算验证其在0-0.5马赫范围内具有更优的窄带噪声控制性能。

　　

廖俊峰|邱向海|詹宁|杜林|孙晓峰

北京航空航天大学流体与声学工程实验室，中国北京100191

摘要

虽然当前的研究主要集中在特定固定马赫数下的宽带衰减上，但现代法规要求在不同马赫数特征的飞行阶段必须满足严格的噪声限制。这一要求使得在整个马赫数范围内的衰减效果与宽带衰减同样重要。然而，传统的穿孔衬垫（CPL）面临着这一关键挑战，因为其阻抗高度依赖于流动条件，可能在变化的环境下偏离最佳值，从而影响整个飞行包线内的噪声降低效果。为此，本文提出了一种宽马赫数带衰减的概念，并研究了一种纯金属网衬垫（PWML）作为该概念的实现方式，该方法通过用具有微尺度孔隙的烧结双层金属网替代穿孔面板来实现。为了说明其优势，首先利用从尾部整流罩抽象出的有限元模型分析了最佳阻抗的变化以及衰减性能的敏感性。针对这一目标，设计了三种衬垫：PWML、CPL和金属网穿孔衬垫（WMPL），实验结果表明PWML具有更优越的阻抗线性。此外，PWML对马赫数（M_a）的敏感性更低，因此更能接近最佳阻抗趋势，从而在非常宽的马赫数范围内显著提高了传输损耗性能，优于其他两种衬垫。

引言

安装在航空发动机整流罩和导管内的声学衬垫是减轻发动机噪声的关键组件，其最佳声学阻抗通常由导管模式和频率决定。正如Cremer在开创性工作中所建立的，实现最大衰减率所需的特定阻抗值会随着这些参数的变化而连续变化。尽管在最佳点噪声降低达到峰值，但衰减性能对运行条件的变化非常敏感[2,4]，因此即使马赫数M_a、频率f或入射声压级（SPL）的微小偏差也会导致传输损耗显著下降。因此，设计上的一个主要挑战是目标最佳阻抗与衬垫本身的阻抗特性之间的不匹配。在过去几十年中，大量研究集中在通过调整衬垫几何形状、腔体深度和多自由度配置来实现宽带衰减[5]。大多数这些设计都是在规定的擦流条件下优化的，并主要从频率依赖的吸收或传输损耗角度进行评估。相比之下，尽管开创性研究已经探讨了擦流对衬垫阻抗的影响[6]，但在马赫数维度上优化衬垫性能的研究相对较少。然而，在不同马赫数下保持有效的声学性能同样至关重要，因为现代涡扇发动机在宽广的擦流马赫数范围内运行，最新的适航标准[7,8]要求在这些不同的飞行阶段实现严格的噪声衰减。

在当前实践中，最常用的设计是传统的穿孔衬垫（CPL），它通常由穿孔面板与蜂窝结构粘合而成，并带有固体背板。尽管CPL被广泛使用，但擦流和声音会在穿孔边缘引发涡流脱落[9,10]，使其声学阻抗对流动高度敏感。这导致阻抗增加与擦流速度成正比，因此耗散的声能随速度的平方而增加，这与传统的高SPL非线性效应类似[11]，因此在这里也被归类为非线性效应。对于代表航空发动机尾部整流罩内下游传播的噪声，最佳声学阻抗随着马赫数的增加而降低[2,12]。如图1所示，在单模入射的情况下，环形导管的内部和外部墙壁的最佳阻抗都随着马赫数的增加而降低[12]。相反，CPL的阻抗通常呈现上升趋势。这种实际阻抗与最佳阻抗之间的不匹配阻碍了CPL实现有效的宽马赫数带衰减，而这在实际整流罩噪声控制中与宽带衰减同样关键。

为了满足这些要求，一种潜在的解决方案是使用线性声学衬垫[13]，这类结构具有微尺度孔隙，可以增强以粘性为主导的声学阻抗，同时抑制非线性效应，包括狭缝衬垫[13]、微穿孔面板衬垫[14,15]和金属网穿孔衬垫（WMPL）[12,16]。在这些衬垫中，金属网概念受到了广泛关注，并被证明具有良好的声学性能。Bielak等人[13]展示了WMPL对SPL的近似线性响应，而Hersh等人[17]表明细金属网可以在马赫数低于0.3时降低阻抗敏感性。这些金属网衬垫的声学特性使其应用于飞机发动机中，包括在Goodrich的DynaRohr衬垫[18]中的使用以及作为分隔衬垫组件的中间层[19]。然而，Syed等人[20]的更广泛测试揭示了更复杂的行为：在穿孔面板上添加细金属网可以部分抑制但不能完全消除由马赫数驱动的声学阻抗增加，而仅使用金属网的面板则表现出较小的增加。这表明底层的穿孔板是残余非线性的主要贡献因素，这一结论得到了Qiu等人[16]的最新阻抗模型的进一步支持，该模型还表明WMPL的声学阻抗在更高马赫数下可能会继续增加。

因此，本研究介绍并评估了一种新型的纯金属网衬垫（PWML），旨在实现航空发动机尾部整流罩的有效宽马赫数带衰减。第二节介绍了设计步骤，通过有限元建模确定了代表性设计条件下的最佳声学阻抗目标，并分析了其在飞行包线内的变化和敏感性。第三节设计了三种衬垫以实现这一目标阻抗。第四节报告了这些衬垫在擦流导管中的实验特性，强调了PWML在0到0.5马赫数范围内的显著声学线性，并分析了背后的物理机制。第五节是评估步骤，将计算出的阻抗重新输入有限元模型，以预测尾部整流罩在频率和马赫数上的传输损耗性能。最后，第六节总结了研究的主要结论。

部分摘录

抽象尾部整流罩模型的最佳阻抗

宽马赫数带衰减采用了一种称为“单马赫点设计、宽马赫数带评估”的两步方法进行评估。首先，在设计步骤中，通过有限元方法（FEM）确定代表性设计条件下的最佳目标阻抗，以指导衬垫设计。其次，在这些衬垫的阻抗在擦流条件下计算出来后，使用相同的FEM预测它们在宽马赫数范围内的性能。

三种衬垫的设计与制造

根据第二节中确定的最佳目标阻抗Z_opt?=?0.971-0.405i（在M_{a =} 0.3和1000 Hz时），设计并制造了三种衬垫进行比较评估。如图5所示，它们分别是CPL、WMPL和PWML，主要区别在于面板的构造。CPL使用传统的穿孔板，而WMPL在穿孔板上附加了细金属网。PWML则完全用由

声学阻抗的实验分析

本节实验研究了这三种衬垫的声学性能。首先描述了实验设施和阻抗计算方法，然后分析了测量的声学特性。

宽马赫数带衰减性能的评估

为了评估PWML的声学线性在宽马赫数带衰减概念框架下对航空发动机尾部整流罩潜在的噪声降低效果，将每种衬垫的计算阻抗重新输入第二节中的FEM模型的阻抗边界条件。

图10展示了在1000 Hz设计频率下的性能详细分析。在设计条件（M_a?=?0.3）下，尽管三种衬垫具有相同的目标准阻抗（Z_opt

结论

本研究讨论了航空发动机尾部整流罩的宽马赫数带衰减概念，并研究了纯金属网衬垫（PWML）作为这一概念的实现方式。在单马赫点设计和宽马赫数带评估的两步框架内，首先使用抽象的有限元模型确定最佳阻抗并分析其变化特性，结果表明，在固定频率和模式下，最佳声学阻抗

资金来源

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52206039）和中国太行实验室（编号：A2053）的共同支持。

CRediT作者贡献声明

廖俊峰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，调查，形式分析，数据管理。邱向海：撰写 – 审稿与编辑，方法论，调查，资金获取，数据管理。詹宁：可视化，验证。杜林：撰写 – 审稿与编辑，方法论，资金获取。孙晓峰：资金获取。