Page 87 - 201806

第 37 卷 第 6 期 胡莹等： 基于散射矩阵法的飞机壁板声学优化设计 917

将结构的声学特性直观地表示出来，还需进一步推
1 引言
导运算。鉴于此，引入了散射矩阵 [4−8] 的概念。散
随着民用航空运输业的发展，民用飞机的舱内 射矩阵定义为入射到结构的入射声波与结构向外
部散射的声波 (含反射与透射声波) 之间的矩阵关
噪声环境越来越受到人们的关注。为提高产品市场
系，与传递矩阵法相比，散射矩阵法更为直观地描述
竞争力，各大飞机制造商纷纷研究并采用各种噪声
控制技术，如应用新型声学材料、发展发动机静音 了结构的声学特性，其各个元素能够直接表示结构
技术等，希望能获得更好的民机舱内声学设计效果。 的反射系数和透射系数，从而可以快速获得不同入
射方向的吸声系数和隔声量。
由于舱内噪声水平直接影响乘客的乘机感受，同时
本文首先从民用飞机舱内噪声评估入手，以某
密切关系到客户和乘客对客机舒适性的主观评价，
型尾吊发动机飞机为例，利用统计能量法分析该飞
目前已成为民机设计要求的关键指标之一。在民用
机各主要噪声源贡献量及传入舱内噪声的主要传
飞机设计过程中，舱内噪声设计主要从控制噪声源
递路径。针对主要传递路径的飞机壁板结构进行声
强度 (发动机噪声、附面层噪声 (TBL)、振动引起的
学优化，并采用散射矩阵法预计飞机壁板结构隔声
噪声等) 和优化噪声传递路径 (吸声、隔声、隔振等)
特性，获得飞机壁板结构、隔声隔热层、内饰板及它
这两个方面着手。由于噪声源强度控制从操作和工
们的组合结构的声学性能，快速地对壁板结构隔声
程实现上来说难度更大、涉及范畴更广，因此优化
性能进行有效便捷的预测。针对尾吊飞机客舱后部
噪声传递路径这一被动的控制方法往往是声学设
噪声过大问题，根据噪声频谱分析，通过增加铺设隔
计人员首选的降噪方案之一。
热隔声层以及部分区域优化安装阻尼层等一系列
对于飞机来说，舱外噪声源传递到舱内，离不
被动降噪处理方法，降低客舱后部噪声水平，同时考
开飞机壁板结构这一传递路径，因此针对飞机壁板
虑民机适航要求，分析重量成本与降噪效果，优化降
进行声学性能分析，并对主要传递路径上的壁板结
噪设计方案，并进行试验验证。
构进行优化设计，是降低舱内噪声水平直接有效的
方法。常用的噪声分析方法有有限元法、边界元法
2 民用飞机舱内噪声分析
和统计能量方法。对于确定性结构，有限元法和边
界元法的分析结果比较精确，尤其是低频频带，但频 2.1 舱内主要噪声源
率较高时，受到网格划分的影响，计算数据非常庞 民用飞机舱内噪声的 70% 来自于外部噪声，外
大，时间冗长，甚至于无法进行计算。因此常采用统 部噪声源主要包括：发动机噪声、附面层噪声、发动
计能量分析方法 [1−3] (Statistical energy analysis, 机振动引起的振动辐射噪声、辅助动力装置 (APU)
SEA) 解决大型结构中高频噪声问题。SEA 基于能 噪声；另外，舱内还存在一些噪声源，主要包括：环控
量平均的原理，对结构细节可模糊处理，计算速度 系统产生的噪声、结构声、液压系统产生的噪声、电
快，其精确度取决于子系统的划分、敏感参数的获 子设备噪声，如图 1 所示。由于液压系统产生的噪
取以及外部声源的输入。飞机舱内噪声在分析过程
ᬄ᭧ࡏ٪ܦ
中，往往需要首先建立 SEA 模型，进行主要噪声传
递路径分析，然后针对主要传递路径的壁板进行降
噪处理，从而获得较好的舱内噪声水平。当确定需 ᬄ᭧ࡏ٪ܦ ဗ଍٪ܦ
要噪声优化的飞机壁板结构后，可采用精度高、力
学概念清晰、编制程序容易的传递矩阵法对壁板结 ૝ү ԧү఻٪ܦ
构进行隔声性能分析。传递矩阵法是用于工程结构
ႃߕ᝺
的，可用于静态、动态及稳定性分析的一种简便计算 ๯ԍ٪ܦ ܬ٪ܦ
方法，它认为线性系统的输入与输出之间的关系可 ૝ү
以用矩阵的形式来表示。对于蒙皮 -隔热隔声层 -内 ᬄ᭧ࡏ٪ܦ
饰板组合形式的典型夹层结构，尤其是含有多孔材 图 1 舱内主要噪声源
料的隔热隔声层，计算简便有效。但传递矩阵不能 Fig. 1 The major noise sources in aircraft