● 摘要
随着越来越严格的适航噪声标准的颁布，降低飞机噪声成为飞机设计中迫在眉睫的任务，风扇噪声是涡扇飞机主要噪声源之一，本文所发展的边界元管道声学预测方法为研究管道风扇噪声的传播和辐射，以及涡扇发动机声衬的设计提供了一条新的途径。本文首先回顾了管道噪声传播和辐射模型的发展及应用，发现已有的用于声衬参数优化设计的间接边界元管道声学模型存在某些缺陷。本文应用直接边界元方法发展了有限长管道声学模型，并基于两种不同的边界积分公式进行了模型求解，模型适用于周向非均匀情况，周向均匀情况可以用模态方法简化，通过将周向均匀的指向性与参考文献的计算结果进行对比，验证了模型的正确性。在此基础上推导了无限长管道边界元匹配模型，并应用于后面所发展的真实叶型声源模型的数值验证和周向非均匀声衬声散射现象的研究，该模型避免了解析方法中特征值的求解。为完善边界元计算中的声源模型发展了计算实际非紧致旋转叶片自由声场的一种新的频域方法，并用基于时域自由空间螺旋桨公式的亚音指向性结果进行对比验证，进一步将其作为前面所发展的无限长匹配模型的入射声源，与旋转叶片无限长管道声场模型的解析结果对比，验证非紧致叶片声源的频域公式。通过对比简化的近似旋转点声源和真实叶型声源的自由声场及有限长管道声场，发现在高频时用旋转点声源代替真实叶型声源会产生很大误差，给出了是否可以用旋转点声源代替真实叶型声源的判断标准。本文发展的有限长管道模型适用于周向非均匀情况，应用该模型分别针对内壁面敷设周向非均匀声衬和斜切口管道两种情况进行了声场计算。对于周向非均匀声衬产生的声场由于周向边界条件的非均匀性，在轴向附近激起了不小的声压，同时由于周向非均匀性，造成管内传播声场的模态散射，然后用无限长管道匹配模型对这一现象进行了研究，揭示了周向周期性分布的硬壁条所产生的周向模态散射规律。通过对斜切口管道声场的数值模拟，指出了斜切口管道单独作用以及和声衬共同作用的降噪效果。应用边界元声场计算进行了声衬参数的优化设计，研究了优化半径、声衬长度、声衬位置和不同声源模型对声衬优化设计产生的影响，并将声阻抗计算程序和管道声场计算程序联合起来对两种风扇进行声衬结构参数的优化设计。所设计的降噪效果和实验测量结果的趋势基本一致，证明了本文模型工程应用的潜力。