一种用于切向流作用下宽带声衰减的超薄高阶微穿孔板超构声衬

西安交通大学机械工程学院马富银教授课题组和西北工业大学航空学院周杰教授合作，提出了一种微穿孔板（MPP）与多个亥姆霍兹共振腔（HR）结合的超薄高阶微穿孔板（HMPP）超构声衬，实现了切向流作用下的宽带声衰减。针对声衬吸声带宽与结构厚度之间的局限，单胞结构参数的可调节性以及单胞阵列的非局部强耦合可以为宽带吸声设计提供良好的阻抗调谐条件，而HR的折叠通道也给声衬的超薄设计带来了更多空间。针对切向流对结构吸声的影响，建立了考虑流动的超构声衬等效阻抗理论模型，并通过数值模拟与流管实验成功预测了超构声衬在切向流作用下的传递损失和吸声特性。此外，MPP的细小开孔设计也有效抑制了声衬表面孔洞可能形成的啸叫声。HMPP超构声衬具有宽带声衰减性能、深亚波长厚度和对不同流速的良好适应性，在航空发动机、流动管道的噪声控制及相关工程领域具有广阔的应用前景。

相关研究成果以“一种用于切向流作用下宽带声衰减的超薄高阶微穿孔板超构声衬”（An ultrathin high-order micro-perforated meta-liner for broadband sound attenuation under grazing flow）为题，在线发表在《International Journal of Mechanical Sciences》[2025, 294, 110228]上。西安交通大学为第一作者单位，西安交通大学、西北工业大学为通讯单位，机械工程学院硕士生孙玉龙与刘崇锐副研究员为共同第一作者，马富银教授和周杰教授为共同通讯作者，西北工业大学航空学院博士生宋翔、徐枭枭对论文提供了重要贡献。

图1 一种用于切向流作用下宽带声衰减的超薄HMPP超构声衬设计总图

航空发动机噪声具有多频段、高强度的特点，其中的切向入射声波具有复杂的传播路径与多模式转换效应，是当前降噪技术研究中的一大难点。如何在不影响发动机性能的前提下有效降低切向入射声波的噪声，已成为航空降噪技术研究的核心问题之一。声衬作为一种可以有效吸收切向入射噪声的设备，被广泛应用于航空发动机以及各种通风系统的进排气口，通过在噪声传播中耗散声能以达到抑制管口辐射噪声的目的。然而，如何在满足工作状态稳定可靠的前提下，实现超薄声衬的宽带吸声，这是传统声衬结构一直面临的巨大挑战。

近年来，声学超结构的发展为声衬的突破带来了新的思路，许多超薄吸声超结构都以紧凑结构实现了准完美吸收，但是在切向流存在的情况下，超结构表面的声阻抗会随着流速的变化而变化，这给结构的高效宽带吸收带来了额外的困难。目前对于超构声衬的研究中，设计一种满足宽带高效吸声的超薄声衬，并通过建立考虑流动的有效阻抗模型来预测其声衰减性能，仍然具有巨大的挑战性。

论文提出的HMPP超构声衬整体结构如图2所示，声衬安装在流动管道的下方，用以模拟吸收航空发动机或各类管道中的传播噪声。构成超构声衬的混合结构阵列由多个三阶、二阶和一阶HMPP单胞组成。三阶HMPP单胞是基于传统的MPP超结构构建的，在传统MPP超结构的基础上，在盘绕通道中添加了两个分离板，盘绕通道由分离板分成三部分。三阶HMPP单胞的简化结构可以看作是一个MPP和两个HR的串联。

图2 HMPP超构声衬的总体结构及其组成单胞示意图

论文进一步分析了三阶HMPP单胞的静态吸收性能以及不同结构参数对吸收性能的影响，如图3和图4所示。MPP单胞在低于4500 Hz的频带中具有三个吸收峰，但高阶峰值从100%逐渐降低到60%。而三阶HMPP单胞在2500 Hz以下实现了三个近乎完美的吸收峰，这显著增强了500~3000 Hz范围内的吸收性能，使其更适合于针对航空发动机短舱声衬等应用的工作频率的降噪设计，且三个吸收峰的50%吸收带宽也相较于传统MPP单胞更宽，说明通过引入两个分离板结合额外的设计参数，两个更高阶的峰值表现出更宽的带宽，进一步改善了结构的整体吸收性能。在三阶HMPP单胞中，二阶峰处的第三层孔和三阶峰处的第二层孔都起到增强局域能量耗散的作用，并与第一层微穿孔协同工作，共同展宽二阶和三阶的吸收峰。

图3 三阶HMPP单胞与传统MPP单胞吸收性能的比较

图4 不同结构参数的三阶HMPP单胞的吸声性能

论文通过阻抗调制设计，进一步设计了多个HMMP单胞组成的多阶混合HMPP阵列，如图5所示。混合阵列由14个HMPP单胞组成，长宽均为50 mm，厚度为30 mm。通过反射系数的复平面分析，HMPP阵列反射系数的大部分零点落在实频率轴上，证明在谐振频率上完成了准完美的声能吸收。且随着频率的增加，泄漏率逐渐增加，因此吸收峰也逐渐变宽。在多阶混合HMPP阵列的基础上，沿x方向排列6个阵列即可得到长度L=300 mm的超薄HMPP超构声衬。

图5 阻抗调制得到的HMPP阵列及其声阻抗

接着，论文通过3D打印制作出了尺寸为300 mm×50 mm×30 mm的超构声衬品，并在西北工业大学航空学院的流动管道噪声实验平台中进行了切向流声衰减实验，实验装置及验证结果如图6和图7所示。在无流动时，超构声衬在700~2700 Hz的平均吸收系数为0.85，500~3000 Hz的平均传递损失为9.7 dB，当流速为30和60 m/s时，700~2700 Hz的平均吸声系数分别为0.84和0.81，500~3000 Hz的平均传递损失分别为8.8和7.5 dB。随着流速的增加，传递损失在10 dB以上的频带逐渐变窄，但超构声衬整体上仍保持较高的声衰减性能。此外，论文还分析了不同流速下超构声衬的计算声阻抗，如图8所示，结果表明超构声衬具有对不同流速的良好适应性。

图6 HMPP超构声衬流道实验示意图

图7 HMPP超构声衬声衰减性能验证结果

图8 HMPP超构声衬随变化流速的声阻抗分析

论文进一步通过数值模拟探究了声衬表面的流致噪声，如图9所示。速度分布结果表明，虽然穿孔板上方的流速很高，但穿孔内的流速接近于零，这说明HMPP超构声衬表面的微穿孔设计可以有效防止气流进入内部通道，从而最大限度地减少流动对声衬内部声阻抗的影响。噪声分布结果表明，与实验时120~140 dB的入射声压级相比，各频率流致噪声的声能都很微弱，因此超构声衬产生的流致噪声对整体降噪水平没有显著影响。

图9 超构声衬流致噪声模拟探究

最后，论文将HMPP超构声衬与其他超构声衬进行了对比，如图10所示。单纯靠HR进行吸声的超构声衬虽然厚度小，但HR自身结构的限制导致其工作频带较为狭窄；MPP超构声衬与折叠谐振腔超构声衬有效拓宽了吸声频带，但同时也带来了结构厚度的增加。与以上超构声衬相比，HMPP超构声衬同时集成了MPP的宽带吸收和HR的低频吸收的优点，大大拓宽了吸声频带，且折叠腔体设计使结构具有深亚波长厚度。与相同吸声带宽的声衬相比，HMPP超构声衬的厚度降低了1/3以上；与相同厚度的声衬相比，HMPP的吸声带宽拓宽了2.5倍以上。综上，HMPP超构声衬在吸声带宽与结构厚度的协调统一上具有显著的优势。

图10 HMPP与其他超构声衬的对比

                 供稿：课题组

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