一种超构声衬及其设计方法

本发明属于航空发动机领域，涉及一种超构声衬及其设计方法。

背景技术：

1、航空发动机的噪声过高会导致无法满足国际适航条例的噪声规范等严重后果。随着航空发动机的尺寸逐步增大，带来的低频宽频噪声问题日趋突出，同时消声短舱的直径和长度比的变大也使得声衬的设计难度加大。传统的声衬通常由多个金属穿孔板(mpps)和蜂窝腔组成，它们在相对较窄的噪声频段内具有显著的抑制效果。然而，上述声衬解决宽带噪声的能力较差，为了实现较宽频噪声的抑制，通常会增加多层mpp和蜂窝腔，导致结构厚重。此外，单独的多孔材料介质除存在低频缺陷外，常见的吸音棉等材料往往还不能适应高流速和高温等复杂噪声环境。

技术实现思路

1、本发明提供一种超构声衬及其设计方法，制备得到的声衬结构轻薄且工作带宽更宽。

2、本发明提供一种超构声衬，包括：阻性介质、金属穿孔板和共振器模块；

3、所述共振器模块内包括多个相互并联耦合的共振器；所述共振器的数量小于等于九个；

4、各个所述共振器内均设置有一内嵌管，所述共振器模块、所述阻性介质和所述金属穿孔板依次层叠设置。

5、进一步的，所述共振器为九个。

6、进一步的，所述阻性介质包括金属泡沫和岩棉。

7、进一步的，所述共振器的开口处设有一内嵌管。

8、进一步的，所述共振器的长度范围为10.0-24.8mm，宽度范围为9.9-18.8mm，各个所述共振器的腔深相同。

9、进一步的，所述内嵌管的高度小于等于所述共振器腔深的90％。

10、进一步的，所述内嵌管的边长与所述内嵌管的壁厚之和小于所述共振器长或宽中较短的一边的边长。

11、进一步的，所述金属穿孔板的穿孔孔径为0.5mm-3mm，穿孔率为5％-25％，厚度范围为0.5mm-3mm。

12、本发明还提供一种超构声衬设计方法，设计上述的并联式声衬，根据表面声阻抗和边界条件计算所述超构声衬接收的声压，并根据所述声压与所述边界条件计算声压幅值，根据所述声压幅值计算吸声系数，根据所述吸声系数及优化计算，获取所述超构声衬的最优结构参数。

13、进一步的，定义金属穿孔板上方的空气域为区域ⅰ，金属穿孔板所处区域为区域ⅱ，阻性介质所处区域为区域ⅲ，共振器模块为区域ⅳ；计算当入射角为θi的平面波入射时，各区域的声压以及相应的速度，根据边界条件，声压和法向质点振速在金属穿孔板的上下交界面和共振器模块的表面处是连续的，从而确定各个界面处的声压和速度的限制情况，最终得到所述超构声衬的吸声系数。

14、相比于现有技术，本发明至少具有以下技术效果:

15、本发明采用小于等于九个的共振器并联耦合成的共振器模块、金属泡沫和金属穿孔板相层叠而构成声衬，结构简单，更易制备，且吸声频带更宽。其中，阻性材料中的金属泡沫和岩棉可以调节吸声系统的本征损耗，有助于声衬结构以更加简单的构型实现低频宽带的高效吸声性能，且金属泡沫和岩棉相比传统多孔材料吸声棉的机械性能更加优越，能够适应高流速或高温等工况，对复杂环境的适应性更强。

技术特征：

1.一种超构声衬，其特征在于，包括：阻性介质、金属穿孔板和共振器模块；

2.如权利要求1所述的一种超构声衬，其特征在于，所述共振器为九个。

3.如权利要求1所述的一种超构声衬，其特征在于，所述阻性介质包括金属泡沫和岩棉。

4.如权利要求3所述的一种超构声衬，其特征在于，所述共振器的开口处设有一内嵌管。

5.如权利要求3所述的一种超构声衬，其特征在于，所述共振器的长度范围为10.0-24.8mm，宽度范围为9.9-18.8mm，各个所述共振器的腔深相同。

6.如权利要求4所述的一种超构声衬，其特征在于，所述内嵌管的高度小于等于所述共振器腔深的90％。

7.如权利要求6所述的一种超构声衬，其特征在于，所述内嵌管的边长与所述内嵌管的壁厚之和小于所述共振器长或宽中较短的一边的边长。

8.如权利要求1所述的一种超构声衬，其特征在于，所述金属穿孔板的穿孔孔径为0.5mm-3mm，穿孔率为5％-25％，厚度范围为0.5mm-3mm。

9.一种超构声衬设计方法，设计如权利要求1-2任一项所述的并联式声衬，其特征在于，根据表面声阻抗和边界条件计算所述超构声衬接收的声压，并根据所述声压与所述边界条件计算声压幅值，根据所述声压幅值计算吸声系数，根据所述吸声系数及优化计算，获取所述超构声衬的最优结构参数。

10.如权利要求9所述的超构声衬设计方法，其特征在于，定义金属穿孔板上方的空气域为区域ⅰ，金属穿孔板所处区域为区域ⅱ，阻性介质所处区域为区域ⅲ，共振器模块为区域ⅳ；计算当入射角为θi的平面波入射时，各区域的声压以及相应的速度，根据边界条件，声压和法向质点振速在金属穿孔板的上下交界面和共振器模块的表面处是连续的，从而确定各个界面处的声压和速度的限制情况，最终得到所述超构声衬的吸声系数。

技术总结本发明提供一种超构声衬及其设计方法，包括：阻性介质、金属穿孔板和共振器模块；共振器模块内包括多个相互并联耦合的共振器；各个共振器开口处均设置有一内嵌管，共振器的数量小于等于九个；共振器模块、阻性介质和金属穿孔板依次层叠设置。相较于现有技术中的金属穿孔板加蜂窝型背腔的声衬结构，本发明设计的声衬结构更加轻薄，工作带宽更宽。且金属泡沫比传统多孔材料吸声棉的机械性能更加优越，能够适应高流速或高温等工况，对复杂环境的适应性更强。技术研发人员：李勇,丁华,王能银,周志凌受保护的技术使用者：同济大学技术研发日：技术公布日：2024/2/21