Page 26 - 《应用声学》2025年第2期

286 2025 年 3 月

1.2 设计工况(2100 r/min)的频谱分析 噪量的高低，由多物理场仿真软件有限元声传播模
2100 r/min 时的风扇的噪声频谱如图 2 所示。 型扫描计算某个区域内的所有声阻、声抗得到。声
由图 2 可知压气机主要噪声为离散噪声，明显高于 传播损失最大的点对应的声阻抗值即为该频率下
附近的宽频噪声，具有倍频特点。根据该单级风扇 的最优声阻抗。每个 BPF 的最优声阻抗云图计算
结构和设计工况可知，离散噪声一倍叶片通过频率 结果如图3所示。
(Blade passing frequency, BPF)为700 Hz。 根据云图的结果得各个频率的最优声阻抗，列
于表2。
110
105 表 2 每个 BPF 下的最优声阻抗
100 Table 2 The optimal acoustic impedance
95 of each BPF
ܦԍጟ/dB 90 1 BPF 2 BPF 3 BPF 4 BPF 5 BPF 6 BPF
85
80 700 Hz 1400 Hz 2100 Hz 2800 Hz 3500 Hz 4200 Hz
R 0.44 2 0.78 0.21 0.21 0.21
75
X −0.83 −0.77 −1.1 0.31 0.93 1.5
70
65 超构表面声衬的声阻抗模型
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 2.2
ᮠဋ/Hz
声阻抗模型是设计降噪声衬的基础，本文采用
图 2 单级压气机噪声频谱 (2100 r/min) 的降噪声衬基本单元是由圆柱形颈部和背腔组合
Fig. 2 Noise spectrum of the single-stage fan com- 而成的内插管式亥姆霍兹共鸣器。其原理可以类
pressor (2100 r/min)
比于弹簧谐振子，颈部提供振动的质量抗与阻碍
振动的声阻，而背腔内部空气提供弹性抗，二者共
2 声阻抗模型及声衬参数设计
同决定共鸣器的共振频率。其中，颈部的深度显著
降噪声衬设计以单级压气机 2100 r/min 时的 影响质量抗，而背腔的体积显著影响弹性抗。为了
噪声频谱作为输入条件。单级风扇压气机降噪方案 实现低频宽带噪声控制，通过并联多个内插管式
的设计分为两大步骤：(1) 在关注的工况下计算阻 共鸣器来构建超构表面声衬。另外，共鸣器阵列的

抗壁面的最优声阻抗，即在壁面满足该声阻抗条件 上方设置穿孔板，通过穿孔板和共鸣器阵列间的
时，通过降噪段的声传输损失取最大值；(2) 确定降 串联耦合效应可以进一步降低声衬的工作频率，并
噪声衬的结构参数，使降噪模块的声阻抗尽可能地 且可以保持较光滑的气动形面，避免次噪声的产
接近最优声阻抗，从而使得实际安装该模块后，达到 生。最终的超构表面降噪声衬示意图如图 4 所示。
接近最优的降噪效果。 本设计采用 20 个不同规格的内插管式共鸣器，背
2.1 确定最优声阻抗边界条件 腔深度为 33.8 mm，穿孔板的穿孔率为 10%，孔径
1 mm，厚度 1 mm，空气层厚度 26 mm，模块横截面
本次设计针对转速为 2100 r/min 的工况，此
为50 mm×50 mm。
时 存 在 的 1∼6 个 BPF 分 别 为 700 Hz、1400 Hz、
超构表面降噪声衬的表面阻抗分析如下 [18] 。
2100 Hz、2800 Hz、3500 Hz、4200 Hz。考虑管道
对于超构表面的单个内插管式共鸣器，声阻抗率可
内流动的影响，采用线性势流物理场，在理想的阻
表示为
抗边界条件下，通过多物理场仿真软件仿真计算可
(
得各个频率下的最优阻抗云图。在仿真计算中，假 Z i = A − ρ 0 c 0 √ 2j sin(k ca l a /2)
设背景流为非黏无旋背景平均流，声场与背景流动 S a (γ − (γ − 1)Ψ ha )Ψ va
jS a ρ cc c cc τ Ω
之间的耦合不包含任何预定义的流致噪声，只考虑 − cot(k cc L)
S c
2100 r/min 工况对应的流速 (马赫数为 0.04)。在云 )
√
图中，X 轴表示声阻，Y 轴表示声抗，其颜色代表降 + 2ωρ 0 η + jωρ 0 δ Ω , (1)