周期隔振设计用于直升机舱内噪声抑制的研究
宋玉宝 李征初 黄奔
摘要： 通过对主减速器支撑结构进行周期隔振设计，开展舱内噪声抑制研究。首先，设计了两种周期隔振结构，建立了周期隔振结构的声振分析模型以及作封闭腔体简化的直升机舱室模型;其次，开展了周期隔振结构与均匀连续隔振结构对比研究，分析了周期性设计对隔振结构自身振动传递、单层隔振系统声振响应以及舱内噪声的抑制效果。研究表明：相对于采用非周期隔振设计的情况，周期性设计使结构振动与噪声得到了显著抑制;通过周期隔振结构优化设计，可以在不增加附加质量的情况下，取得更好的减振降噪效果。
关键词： 噪声控制; 直升机; 舱内噪声; 周期结构
中图分类号： TB535 ?文献标志码： A ?文章编号： 1004-4523（2020）04-0764-08
DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.04.015
1 概 述
直升机以其独特的飞行能力，在军用民用领域均有着广泛的应用。但直升机在运行中通常存在突出的振动与噪声问题，这也是直升机等旋翼类飞行器的主要缺点之一[1-2]。其中，舱内噪声不仅影响乘坐舒适性，还会对乘员工作效率等产生影响，不利于各项任务的高效执行[3-4]。目前，舱内噪声已成为影响其市场競争性的重要指标[5-6]。
直升机舱内噪声主要来源包括：旋翼/尾桨、主减速器及传动系统、发动机以及机载设备等。主要传递路径包括两类：一是结构声传递，即主减速器、发动机以及旋翼/尾桨等部件的振动，通过主支撑杆等连接件传递到舱室壁板，引起壁板振动并向舱内辐射噪声;二是空气声传递，即旋翼/尾桨、主减速器等噪声源所产生的噪声，通过壁板、风挡、舱门等结构传递进入舱室[1， 3， 6-7]。其中，主减速器所产生的中高频噪声通常被认为对舱内噪声环境具有重要影响，而其支撑结构则被认为是振动与噪声传递的关键环节[8-12]。主减速器的振动特性以及由主减速器所引起的舱内噪声通常为宽频成分与多个谐频成分的叠加，但对不同型号的直升机，频谱特性也会存在差异，如文献[13]中给出的减速器主要振动频段在500-4000 Hz，文献[8]中舱室振动噪声主要频段为500-4000 Hz，而在文献[9-10]中这一频段则是500-2000 Hz，具体频谱曲线可参考相关文献。
为了实现直升机舱内噪声抑制，通常从噪声源控制与传递路径控制两方面入手。其中，针对直升机主减速器支撑结构这一传递路径，主要措施是采用隔振设计。在传统隔振中，为获得较好的隔振效果，通常要求隔振器的刚度要低，这就使得静变形太大，对正常工作不利，甚至是不允许的。在直升机主减速器隔振工程中，为解决这一矛盾，主要采用了动力反共振隔振器（DAVI）与主动隔振两种措施[14-15]。如Mcguire[16]在直升机主减速器隔振研究中，设计了基于动力反共振原理的高刚度液弹隔振系统，相关的实际安装及三维模型如图1所示[17]。冯志壮等[18]也开展了液弹隔振器的理论与实验研究。Hoffmann等[8]开展了利用主动式支撑连杆结构进行直升机声振抑制的研究。就上述两种措施而言，动力反共振隔振主要用于低频段，且减振频段通常较窄;主动隔振通常用于主减速器谐频噪声控制，而宽频抑制研究及应用较少。此外，主动控制的作动器设计、系统鲁棒性等也待进一步改善。
在上述典型控制方法以外，近年来基于周期性设计的直升机振动与噪声抑制以其特有的优势受到了一些学者的关注。周期结构具有禁带特性等特殊的弹性波调控效应，通过合理设计，有望实现宽频段、大幅度的声振抑制。Szefi等[9]、Hen等[10]开展了利用周期性设计进行隔振的系列研究，其以一维周期层状结构为对象，首先开展了禁带分析与设计，进而通过引入质量放大单元以及压电主动控制等手段，对振动抑制频段进行了拓展。图2所示为Szefi等利用周期隔振设计来抑制主减速器振动传递的设想图[11]。王目凯[19]也进行了周期减振支撑杆的研究，并分别考虑了轴向振动与横向振动情况。王凤娇、陆洋[12]针对直升机同时承受较大的拉伸载荷的情况，设计了一种周期层状结构撑杆，分析了其主要设计参数对振动传递特性、刚度及强度的影响。此外，Autran等[11]、Asiri等[20]针对直升机减振降噪问题，通过对齿轮箱支撑结构、轴承座等进行周期化设计，开展了利用禁带进行振动抑制的探索性研究。温激鸿等[21]、郑玲等[22]开展了周期层状隔振结构振动传递抑制的实验测试与验证工作，考虑了结构中的橡胶材料杨氏模量随频率的变化以及阻尼的影响等。总体而言，在利用周期性设计进行舱内噪声控制方面，仍有很多研究工作待于进一步深入，包括降低结构附加质量、拓宽作用频段、结构优化设计以及舱内噪声抑制效果的综合验证等。
本文基于周期结构理论，通过对振动与噪声传递路径上的关键部件主减速器支撑结构进行隔振设计，开展舱内噪声抑制研究。首先，设计了两种周期隔振结构，建立了将其用于单层隔振系统声振响应与舱内噪声控制研究的物理模型;进而通过与非周期的连续隔振结构对比，开展了周期性结构振动传递抑制研究，分析了将其用于单层隔振系统与舱内噪声控制时所取得的声振抑制效果。
2 周期隔振结构及其减振降噪分析模型2.1 周期隔振结构模型 ?在本文的研究中，将主减速器支撑结构简化为一维杆状结构，通过使用弹性软材料，使其可以起到隔振作用。图3（a）给出了两种周期隔振支撑结构。其中，周期结构-Ⅰ为由两种材料交替排列构成的周期层状结构;周期结构-Ⅱ通过在基体软材料上周期性附加共振单元构成，且每个周期中有2个共振单元。为便于对比，也考虑了采用连续均匀隔振支撑结构的情况。
3 周期隔振结构的减振降噪效果分析
3.1 周期隔振结构的禁带与振动传递特性 ?周期隔振结构的重要特性就是弹性波禁带的存在。图5（a）所示为周期隔振结构-Ⅰ与-Ⅱ的波传播与禁带特性，图5（b）所示为由2个周期单元构成的有限长周期结构的振动传递特性曲线。为了便于观察禁带频段及其本身所产生的衰减，图5（a）在计算中设置软材料结构阻尼为0，图5（b）计算中阻尼为0.02。为便于对比，也给出了连续结构中的波传播常数与振动传递曲线。
由图可见，在所考虑的频段内，周期结构-Ⅰ（12.5 kg）所产生的禁带频段分别为440-2140 Hz与2240-4000 Hz，周期结构-I（1.3 kg）的禁带为1170-2150 Hz和2620-4000 Hz，周期结构-Ⅱ的禁带为1100-3770 Hz。而由有限长周期结构的振动响应可见，振动的衰减频段与禁带范围吻合良好，并且振动传递的衰减幅度与波传播常数的幅值大小相对应。
还可发现，对周期结构-Ⅱ，虽然其附加质量成本与周期结构-Ⅰ（1.3 kg）相同，但其禁带特性相对得到了有效改善。一方面，周期结构-Ⅰ（1.3 kg）为分离的两个禁带，而周期结构-Ⅱ形成了一个联合的宽禁带，且其禁带的总宽度也略大;另一方面，周期结构-Ⅱ在禁带内的波传播常数幅值更大，减振效果也更好。可见，通过结构形式和结构参数的合理设置，可以调节禁带范围，增强振动抑制效果，使同等附加质量成本情况下的禁带得到有效改善。
此外，虽然结构阻尼也使振动传递产生了衰减，但阻尼所引起的衰减远小于禁带所产生的衰减。例如，由图5（b）可见，对连续隔振结构，阻尼虽然使中高频段的振动传递峰值得到了抑制，但抑制幅度和作用频段都明显小于周期结构禁带;周期结构自身而言，其在禁带内的振动衰减也明显大于禁带外的阻尼作用频段。
3.2 基础板的振动与声辐射抑制分析
进一步对单层隔振系统中周期隔振设计所取得的基础板振动和声辐射的抑制效果进行分析。图6所示分别为使用周期隔振结构-Ⅰ和-Ⅱ以及使用连续隔振结构时，基础板的振动均方速度与辐射声功率曲线。图中的阴影区域、虚线框以及实线框所示分别为不同周期结构的禁带范围。
由图可见，相对于采用连续隔振结构的情况，通过周期隔振设计，使基础板的振动响应与辐射声功率在禁带频段内显著降低，并且，即使在部分通带频段，振动与声辐射也得到了一定的抑制。相对于采用周期结构-Ⅰ（12.5 kg）的情况，采用周期结构-Ⅰ（1.3 kg）所产生的基础板振动和声辐射降低程度显著减小，且频段明显变窄。这是由于硬材料组元质量变小，使周期结构禁带内的弹性波衰减幅度和禁带宽度相应减小所致。相对于周期结构-Ⅰ（1.3 kg），虽然周期结构-Ⅱ的附加質量成本相同，但总体而言，其对振动与声辐射的降低幅度以及频段宽度均得到了有效拓展。通过对比还可以发现，采用周期隔振结构所取得的对基础板振动、声辐射的抑制频段和降低幅度，与周期隔振结构自身的振动传递衰减频段和降低幅度总体上可以实现较好的对应。
3.3 舱内降噪效果分析
图7（a）和（b）所示为力激励作用下，客舱地板振动位移以及舱室内部声压的平均值曲线，分别考虑了采用周期隔振结构-Ⅰ（12.5 kg）与采用连续隔振结构两种情况。图中阴影区域所示为周期隔振结构的禁带范围。
由图可见，相对于采用连续隔振结构的情况，通过引入周期性设计，舱室振动与内部噪声在禁带频段内均得到了显著抑制。这是由于在禁带内，激振力在从主减速器向舱体传递的过程中被显著抑制，从而导致施加于舱体的激励作用减小，进而使壁板振动和噪声辐射大幅降低。而在低于禁带的频段，两种隔振结构的声振抑制效果相当。
为了更直观地显示不同隔振结构对激振力的传递特性差异，图8给出了理想、连续以及周期三种隔振结构的力传递率曲线。计算中采用一端固支、一端自由这一常见力传递率分析边界条件设置。由图可见，对理想结构，力在传递过程中，既无放大、也无衰减;对连续结构而言，施加于其输入端的激励力，在传递过程中，在整个频段均未发生衰减，反而在其自身共振频率附近频段被显著放大;对周期隔振结构而言，激振力在传递过程中，虽仍然受到结构共振影响，使在通带内也出现被放大的情况，但在禁带内及其附近频段，总体上出现了显著的衰减。
构而言，激振力在传递过程中，虽仍然受到结构共振影响，使在通带内也出现被放大的情况，但在禁带内及其附近频段，总体上出现了显著的衰减。
图9给出了800 Hz频率处（禁带内），采用两种不同的隔振结构时的舱室结构振动响应与舱内舱外辐射声压分布图。由图9（a）和（b）可见，当采用连续隔振结构时，舱室壁板存在较强的振动响应（部分壁板振动还强于振动的来源主减速器），进而产生了较强的向舱内的噪声辐射。由图9（c）和（d）可见，当采用周期隔振结构时，振动传递得到了显著抑制。较强的振动仅存在于主减速器部分，并且主减速器的振动也远小于采用连续隔振结构时的舱体振动。相应的，舱室内部与外部的噪声均被显著降低。
还可发现，对采用连续隔振结构的情况，舱室内部声压明显高于外场声压。这是由于舱室外部是一个开放声场，而舱室内部是封闭声腔，受声腔模态的影响，内部声压显著增强。但对采用周期隔振结构的情况，较强的噪声辐射主要存在于舱室外部主减速器附近的区域，内部噪声则显著降低。
需说明的是，本文采用了理论计算/数值模拟方法所建立模型也是经过了系列简化。实际应用中，所面临的问题更为复杂，将受到多方面影响，主要包括：系统中各子结构及其耦合共振、隔振结构阻尼、隔振结构弯曲振动-轴向振动的耦合等方面，而实际结构参数通常也难以完全准确获取。这些因素将会使实际降噪效果相对于计算结果发生变化，例如减振降噪幅度的降低、作用频段的偏移等，也使减振降噪设计变的更为复杂。但通过合理的结构设计，基本作用规律、总体抑制效果是一致的。文献[21-22]对一维周期隔振结构的仿真结果与测试结果进行了对比分析。在工程应用中，针对不同情况，也需要对具体设计问题做更多考虑。例如，对承受拉力的情况，需考虑周期隔振结构内不同组元的连接及其安装形式，以在取得减振降噪效果的同时保证结构的安全稳定性;有时还会面临严苛的附加质量限制，这也将会增加设计难度。
4 结 论
本文设计了两种周期隔振结构，开展了其减振降噪对比研究，分析了其振动传递特性以及将其用于单层隔振系统与舱内声振响应抑制的效果。
（1）開展了周期性设计对隔振结构减振降噪效果的影响研究。研究表明，相对于连续隔振结构，周期隔振结构的振动传递在禁带内被显著抑制。用其做隔振器，可以使隔振系统中的基础板振动与声辐射在较宽的频段内明显降低，并且，降低的频段和幅度大小与周期结构禁带特征基本一致。此外，通过结构形式和结构参数的合理设置，可以在同等附加质量成本下实现禁带调节与拓展，进而增强减振降噪效果。
（2）开展了基于主减速器支撑结构周期隔振设计的舱内噪声抑制研究。研究表明，相对于采用连续支撑结构的舱室结构，周期隔振支撑设计使由主减速器振动传递引起的舱室振动和内部噪声在较宽的频段内得到了非常显著的抑制。
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Abstract： The noise level inside modern helicopter cabins has become one of the major indices to evaluate its performance. The noise transfer path control is an important approach to reduce the noise in cabin. Gearbox struts are one of the key transfer paths for the noise and vibration inside helicopter cabin. Based on the periodic theory， the isolation structure for gearbox vibration is designed， and the reduction of the cabin noise is studied. Firstly， two types of periodic isolation structures are designed. A single layer vibration isolation system and a simplified cabin model which is considered as a closed cavity are built. Next， the vibration and sound properties of the periodic isolation structure are analyzed and compared. The effect of periodic design on the vibration transmission of the isolation structure， the vibration and noise of the single layer isolation system and the cabin are studied. The numerical results demonstrate that the vibration and noise of these structures are effectively suppressed by periodic design. In addition， via the optimal design of the periodic structure， the vibration and noise can be reduced more， while the added mass is not increased.
Key words： noise control; helicopter; cabin noise; periodic structure
