一种用于风扇/增压级气动噪声试验的消声室

摘要

本发明公开了一种用于风扇/增压级气动噪声试验的消声室，属于消声室设计领域。消声室为非对称性结构，消声室一个角落的相邻墙壁向内侧偏置，其偏置部分一墙壁呈竖直状，与其相连的墙壁呈倾斜状，在竖直状的墙壁内侧安装风扇/增压级试验件，墙壁的外侧设置有内、外涵排气系统和试验器，在远离风扇/增压级试验件进口的距离不小于15倍的风扇/增压级试验件直径处设置有远场传声器阵列；湍流控制屏设置在风扇/增压级试验件的迎风面方向，进气系统与消声室的进气口连接，内、外涵排气系统通过风扇增加级试验件与消声室连接，试验器与所述风扇/增压级试验件连接，本发明实现了工程级风扇/增压级噪声试验研究所需满足的条件。

说明书

技术领域

本发明属于消声室技术领域，具体涉及一种用于风扇/增压级气动噪声试验的消声室。

背景技术

风扇/增压级试验件作为飞机的主要噪声源之一，对其开展试验研究是检验风扇/增压级低噪声设计与降噪效果的必要手段，也是发动机噪声试验研究体系中的重要环节。

国内目前已建设或正在建设的用于风扇气动噪声机理试验研究的实验室，仅有3-4个，基础十分薄弱；且这些实验室的风扇尺寸相对小(风扇直径一般小于0.5m)、消声室尺寸相对小(高度一般小于7m，长度和宽度小于10m)，只能进行单级风扇噪声源产生、传播和抑制的基础性和定性实验研究，无法满足大型消声室(风扇直径一般大于0.8m、消声室高度大于8m、长度和宽度大于20m)试验验证需求。

现有消声室设计方法应用于风扇/增压级气动噪声试验的大型消声室设计，将存在以下缺陷：

1)现有技术中缺少对声场对称性和相应特殊设计方法的考虑，会导致建筑面积巨大，成本极高；

2)现有技术中缺少对大尺寸、大功率、复杂试验器的特殊隔振设计技术，会在保障大型消声室良好声振品质方面存在技术难题；

3)现有技术中缺少对大跨度屋顶设计及消声尖劈安装技术，会导致大型消声室设计存在难题。由于对全自由声场的需求，消声室内需要无立柱支撑结构，加之大量屋顶和尖劈的自重，这对开展大面积消声室屋顶结构设计带来难题；

4)现有技术中缺少高频声波受空气吸收和温湿度影响的考虑，当消声室尺寸变大后，会导致传播路径变长时，噪声受空气吸收和温湿度影响不可忽略，进而造成噪声测试精度下降甚至测试数据无法使用的情况；

5)因现有消声室多为封闭结构、或存在很小的空气流通，设计时不需要考虑设计专用的低噪进气塔。因此现有技术中缺少适用于开放式、大空气流量、高降噪效果、低噪声反射的进气系统设计方法，不能对大型消声室的设计形成支撑；

6)现有技术中缺少对消声室内温度梯度控制的手段，无法避免消声室尺寸变大后其内部温度梯度变化对噪声测试的影响；

7)现有技术中缺少对进气湍流控制的方法，无法避免消声室尺寸变大后，其内部会由地面进气而客观存在进气湍流，无法模拟发动机高空飞行状态下的进气条件，进而引发二次噪声源的存在，导致测试结果存在错误；

8)缺少适用于高频噪声测试环境下使用的低噪声反射传声器支架及其高定位精度方法，无法满足频率范围20k-40kHz大型消声室的噪声测试需求。因消声室尺寸变大后，因此如何精确布置传感器并保证具有较低的反射影响是大型消声室建设所必须积累的关键技术。

9)缺少对消声尖劈和全消声室开展20kHz以上频率吸声性能的检验方法，无法满足针对全尺或缩比风扇/增压级部件噪声的精确测试需求。

发明内容

本发明的目的：为了解决上述问题，本发明提出了一种用于风扇/增压级气动噪声试验的消声室，消声室采用非对称性布局及大跨度钢混结构屋顶设计，试验器采用隔振设计，进气系统采用开放式及低噪声反射设计，温湿度梯度影响控制采用屋顶隔热设计及实时监控设计，测试支架采用高定位精度及低噪声反射设计，高频检定采用自行研发的检定系统及检定技术，满足了大型消声室的噪声测试需求。

本发明的技术方案：一种用于风扇/增压级气动噪声试验的消声室，包括：试验器、内、外涵排气系统、进气系统、湍流控制屏；

所述消声室为非对称性结构，消声室一个角落的两相邻墙壁向消声室方向偏置，形成安装空间，所述偏置的两相邻墙壁中的其中一墙壁内侧安装风扇/增压级试验件，墙壁的外侧设置有内、外涵排气系统和试验器，在远离风扇/增压级试验件进口处设置有远场传声器阵列，所述远场传声器阵列距风扇/增压级试验件进口处的距离不小于15倍的风扇/增压级试验件直径；所述湍流控制屏设置在所述风扇/增压级试验件的进口处，用以对所述风扇/增压级试验件的进口流场进行整流，控制进口流场进气畸变，抑制“额外”噪声产生的问题；

所述试验器、内、外涵排气系统、风扇/增压级试验件沿同一轴线布置，各系统轴心保持一致；

所述进气系统与消声室的进气口连接，所述内、外涵排气系统与风扇/增压级试验件连接，风扇/增压级试验件位于消声室内，所述试验器通过内外涵排气系统中的传动轴与所述风扇/增压级试验件连接，为其提供动力；

所述内、外涵排气系统和试验器与所述消声室之间采用墙壁隔离，所述消声室的墙体为双层墙体，其墙体间预留有空腔或填充辐射吸声材料，所述消声室的中心高度设置为风扇/增压级试验件直径的5-8倍；

所述远场传声器阵列以风扇/增压级试验件进口处为中心呈圆弧状均布，每个传声器之间的角度间隔不大于5°，测试角度范围为5°-120°，且所述远场传声器阵列到消声室的墙壁的距离不小于3-5m；

所述消声室内安装消声尖劈，所述消声尖劈截止频率为消声室测试噪声最低频率的70％以上，且所述消声尖劈在所测试噪声的频率范围内吸声系数不低于0.99。

优选地，所述消声室屋顶设置有大跨度自承力钢架支撑结构，所述支撑结构的顶部设置有保护结构，所述保护结构通过三角交互式连接结构与所述支撑结构连接，所述支撑结构的下表面安装有消声尖劈；

所述保护结构包括：由上及下设置的页岩保护层、聚酯胎带保护层、找平层及憎水珍珠岩保温层，用来避免消声室内部因日光直射而产生温度梯度。

优选地，所述内、外涵排气系统由内涵道、外涵道和排气消声塔组成，所述内涵道和外涵道的后端与排气消声塔连接，所述内涵道和外涵道的前端与风扇/增压级试验件相连接；

优选地，所述试验器由电机、齿轮箱及扭轴组成，且所述试验器通过扭轴及传动轴与风扇/增压级试验件连接，所述电机、齿轮箱、扭轴依次连接，共同设置在同一混凝土平台上，所述混凝土平台与消声室隔离；

所述混凝土平台由上层基础、下层基础及位于两者之间的减振垫组成。

优选地，所述进气系统由进气导流装置和进气消声塔组成；

所述进气导流装置设置在进气消声塔内，所述进气消声塔设置有进气装置、过滤装置及消声器，气流经进气装置依次进入过滤装置和消声器，经所述进气导流装置进入消声室内；

所述过滤装置设置在进气装置内，由进气百叶、不锈钢防护网、电动卷帘门及G4级过滤器组成；

所述不锈钢防护网靠近所述进气装置的气流入口的外侧，所述G4级过滤器设置在所述进气装置气流入口的内侧，所述进气百叶设置在所述不锈钢防护网远离所述G4级过滤器的一侧，所述电动卷帘门设置在所述G4级过滤器靠近所述不锈钢防护网的一侧；

所述不锈钢防护网与所述G4级过滤器之间设置有封闭空腔，所述封闭空腔内设置有监控装置。

优选地，所述湍流控制屏个湍流控制单元组成，用以解决地面噪声试验过程存在较大的进气湍流，造成地面噪声测试结果无法反映空中飞行状态下的噪声问题；另一方面用以解决采用非对称消声室布局设计后，造成进气流场非对称、进气湍流度进一步增加、产生“额外”噪声的问题。

优选地，所述消声室内部设置有温湿度检测点，所述温湿度检测点呈六点位分布，用以进行温度、湿度检测、温度梯度监控；

所述温湿度监测点位选取基于CFD流场的计算结果为依据，以风扇/增压级试验件为中心，三个不同的半径及两个不同角度进行均布，能够对高频声波受空气吸收和温湿度影响进行分析，可以解决消声室尺寸变大后噪声受空气吸收和温湿度影响、导致噪声测试不准的技术难题。

优选地，所述消声室还包括消声尖劈和消声室声学特性检测系统；

所述消声尖劈和消声室声学特性检测系统包括：中/高频声源、声波导管、测试支架、传声器、拉线钢丝、数据采集装置及控制装置；

进行所述消声室声学特性检测时，需将所述声波导管穿过所述消声室与中/高频声源连接，所述声波导管安装轴线与所述消声室中心线位于同一高度上，所述中/高频声源通过所述声波导管向所述消声室内传递声波；当中/高频声源辐射声场具有良好的均匀特性时，可不使用声波导管，而直接将中/高频声源放置于所述消声室内，并使得中/高频声源安装轴线与待检的所述消声室中心线位于同一高度上，所述中/高频声源直接向所述消声室内传递声波；

进行所述消声尖劈声学特性检测时，需将所述声波导管穿过消声室与中/高频声源连接，所述声波导管安装轴线与所述待检尖劈及消声室中心线位于同一高度上，所述中/高频声源通过所述声波导管向消声室内传递声波；当中/高频声源辐射声场具有良好的均匀特性时，可不使用声波导管，而直接将中/高频声源放置于消声室内，并使得中/高频声源安装轴线与待检的消声尖劈样件及消声室中心线位于同一高度上，所述中/高频声源直接向消声室内传递声波；

所述测试支架设置在所述声波导管与尖劈样件或所述消声室之间，所述测试支架前端安装所述传声器及数据采集装置，所述测试支架在所述控制装置控制下，能够沿所述拉线钢丝在所述尖劈样件或所述消声室和所述声波导管之间移动；

所述消声尖劈和消声室声学特性检测系统，能够获得声音在传播路径上声压随传播距离的衰减变化特性，在考虑空气温湿度对声音传播的衰减影响修正后，并与理论衰减曲线进行比对，可以获得吸声尖劈在中、高频段的吸声特性。

优选地，所述测试支架包含传感器支架、升降测量头、激光定位器,所述传感器支架由底座、下支杆、上支杆、滑轮钢索机构以及工业万向脚轮组成；

所述底座呈方形，四个底角分别安装工业万向脚轮，底座由下及上依次垂直安装有下支杆和上支杆，所述上支杆顶端轴线方向安装有滑轮钢索结构，垂直于上支杆轴线的方向设置有激光定位器和升降测量头。

本发明的技术效果：本发明在传统消声室设计的基础上，针对原尺或缩比风扇/增压级试验件气动声学试验所需的大型消声室设计的独特性，并综合考虑经济性和使用性的需求，在形状尺寸、声振品质控制、温湿度数据影响及修正、进气湍流控制、低噪进气塔设计方面进行专有设计，形成一种用于风扇/增压级气动噪声试验的大型消声室。

附图说明

图1为本发明一种用于风扇/增压级气动噪声试验的消声室的一优选实施例的结构示意图；

图2为图1所示实施例的消声室的大跨度自承力钢架支撑结构示意图；

图3为图1所示实施例的试验器隔振设计示意图；

图4为图1所示实施例的进气系统设计示意图；

图5为图4所示实施例的过滤装置结构示意图；

图6为本发明一种用于风扇/增压级气动噪声试验的消声室的消声尖劈和消声室声学特性检测系统一优选实施例的结构示意图；

其中，1-消声室，2-进气系统，3-远场传声器阵列，4-消声尖劈，5-湍流控制屏，6-风扇/增压级试验件，7-电机，8-齿轮箱，9-扭轴，10-外涵道，11-排气消声塔，12-内涵道，13-支撑结构，14-保护结构，15-三角交互式连接结构，16-上层基础，17-下层基础，18-减振垫，19-进气导流装置，20-进气消声塔，21-进气装置，22-消声器，23-进气百叶，24-不锈钢防护网，25-电动卷帘门，26-G4级过滤器，27-监控装置,28-中/高频声源，29-声波导管，30-测试支架，31-传声器，32-拉线钢丝，33-数据采集装置，34-控制装置。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明，请参阅图1至图6；

一种用于风扇/增压级气动噪声试验的消声室，包括：试验器、内、外涵排气系统、进气系统2、湍流控制屏5；

消声室1为非对称性结构，消声室一个角落的两相邻墙壁向消声室方向偏置，其偏置部分其中一墙壁呈竖直状，与其相连的另一个的墙壁呈倾斜状，形成安装空间，在竖直状的墙壁内侧安装风扇/增压级试验件6，墙壁的外侧设置有内、外涵排气系统和试验器，消声室1采用非对称结构设计，解决了大型消声室建筑面积大的难题，最大程度的节省消声室建设面积，节省成本。

消声室1的墙壁为双层墙体结构，墙体间预留空腔或者填充吸声材料，保证墙体足够的隔声和隔振效果。

基于声场对称性原理，将进内、外涵排气系统轴线放置在消声室的一侧，且位于消声室中心标高平面。进排气轴线与消声室中心线保持较大的距离，最大程度的节省消声室建设面积，但需考虑进气湍流控制、进排气轴线距离消声室墙壁的距离等因素的影响，保证消声室内测试的噪声数据不受空间非对称的影响。

消声室高度应综合考虑风扇/增压级试验件进口直径，使得风扇前传噪声不会因消声室高度过小导致声场畸变，消声室的中心高度为风扇/增压级试验件直径的5-8倍，本实施例中，消声室的中心高度优选为试验件直径的8倍。

试验器、内、外涵排气系统、风扇/增压级试验件6沿轴线一一布置，各系统轴心保持一致，且所述内、外涵排气系统和试验器与消声室之间采用厚重墙壁隔离，并辅以其他隔声隔振措施，最大限度的避免试验器运行噪声传入消声室。

试验器由电机7、齿轮箱8及扭轴9组成，且试验器通过扭轴9与风扇/增压级试验件6连接，电机7、齿轮箱8、扭轴9及排气蜗壳依次连接，共同设置在同一混凝土平台上，混凝土平台由上层基础16、下层基础17及位于两者之间的减振垫18组成，充分利用各振源之间的相互影响，尽最大可能消耗和吸收振动能量；混凝土平台与消声室隔离,避免发生接触和刚性连接，或采用专用隔振措施进行连接。

湍流控制屏5设置在风扇/增压级试验件6的进口，用以对进口流场进行整流，控制进口流场和进口气流畸变，解决在地面静态试验期间进入涡扇发动机进口的气流中存在的稳态、非稳态畸变或湍流的问题，达到模拟飞行中发动机进气条件、消除“额外”噪声产生的目的。

在远离风扇/增压级试验件6进口的距离不小于15倍的风扇/增压级试验件6直径处设置有远场传声器阵列；每个传声器之间的角度间隔不大于5°，测试角度范围为5°-120°，满足远场传声器阵列3到风扇/增压级试验件6进口的距离应满足风扇声源的远场辐射条件，远场传声器阵列3距离消声室墙壁应保持一定距离，不小于3-5m；避免消声室墙壁及消声尖劈对传声器测试造成影响。

消声室1屋顶设置有大跨度自承力钢架支撑结构13，支撑结构的顶部设置有保护结构14，保护结构14通过三角交互式连接结构15与支撑结构13连接，支撑结构13的下表面安装有消声尖劈4；

保护结构14包括：由上及下设置的页岩保护层、聚酯胎带保护层、找平层及憎水珍珠岩保温层。该部分结构一方面保证了消声室屋顶的隔热、防水等常规功能；满足无立柱支撑、具有较强的自承力结构、能够支撑大面积尖劈的敷设、良好的隔声量、良好的防水特性等要求。

支撑结构的下表面安装有消声尖劈4，消声尖劈4截止频率为消声室测试噪声最低频率的70％以上，消声尖劈表面为非金属面板材料，避免存在对高频消声失效，消声尖劈应在所测试噪声的频率范围内吸声系数不低于0.99，采用轻质量、高性能的尖劈，并采用新型的安装支架结构设计，形式新颖，轻便灵活，在保证安装便利的条件下有效地解决了尖劈定位的难题，并充分保证了消声尖劈具有足够的背腔，提高尖劈对低频声波的吸声能力。

内、外涵排气系统由内涵道12、外涵道10和排气消声塔11组成；内、外涵排气系统包含排气蜗壳，内涵道12和外涵道10的后端与排气消声塔11连接，内涵道12和外涵道10的前端与风扇/增压级试验件6相连接

进气系统2由进气导流装置和进气消声塔组成，进气导流装置19设置在进气消声塔20内，进气消声塔20设置有进气装置21、过滤装置及消声器22，气流经进气装置21依次进入过滤装置和消声器，经进气导流装置19进入消声室内；

过滤装置设置在进气装置21内，由进气百叶23、不锈钢防护网24、电动卷帘门25及G4级过滤器26组成；

不锈钢防护网24靠近进气装置21的气流入口的外侧，主要防止落叶等杂物进入；

G4级过滤器26设置在所述进气装置21气流入口的内侧，对实验过程中的进气气流进行最后的过滤，过滤掉灰尘等；

进气百叶23设置在所述不锈钢防护网24远离所述G4级过滤器26的一侧，主要防止飞鸟、风沙、雨雪等进入进气消声塔20；

电动卷帘门25设置在G4级过滤器26靠近所述不锈钢防护网24的一侧；用于在非试验期间保证进气消声塔20不受任何外界杂物的污染；

不锈钢防护网24与G4级过滤器26之间设置有封闭空腔,封闭空腔内设置有监控装置27，用于检查过滤装置的外表完好性。

上述进气系统2满足开放式、大空气流量、低噪声反射的消声室进气系统设计要求，保证进气气流具有均匀、通畅的流道，降低气流畸变及流动损失。

消声室内部设置有6个温湿度监测点，在消声室内部布置六点位进行温度、湿度监测、温度梯度监控，避免温度梯度等变化对噪声测试结果的影响。

温湿度监测点位选取是基于CFD流场的计算结果为依据，以风扇/增压级试验件6为中心，三个不同的半径及两个不同角度进行均布；经优化选取后确定的。选取的原则是并根据计算结果中可能存在较大温度梯度的位置布置温湿度一体传感器。同时，为在不影响声学测量的前提下准确测量温度沿纵向的温度梯度，特定采用可升降的电葫芦来安装温湿度传感器，并将电葫芦隐藏于屋顶的尖劈中，减少声波反射面。同时，结合测试频率范围开发了一种温湿度修正程序，达到准确得出缩比风扇/增压级试验件高频噪声辐射规律及特性的能力。

消声室还包括消声尖劈和消声室声学特性检测系统，消声尖劈和消声室声学特性检测系统包括：中/高频声源28、声波导管(可选)29、测试支架30、传声器31、拉线钢丝32、数据采集装置33及控制装置34；

进行消声室声学特性检测时，需将声波导管29穿过消声室1与中/高频声源28连接，声波导管29安装轴线与所述消声室中心线位于同一高度上，中/高频声源28通过声波导管29向消声室内传递声波；当中/高频声源28辐射声场具有良好的均匀特性时，可不使用声波导管29，而直接将中/高频声源28放置于消声室1内，并使得中/高频声源28安装轴线与待检的消声室中心线位于同一高度上，中/高频声源28直接向所述消声室内传递声波。

进行消声尖劈声学特性检测时，需将声波导管29穿过消声室1与中/高频声源28连接，声波导管29安装轴线与待检尖劈及消声室中心线位于同一高度上，中/高频声源28通过声波导管29向消声室内传递声波；当中/高频声源28辐射声场具有良好的均匀特性时，可不使用声波导管29，而直接将中/高频声源28放置于消声室1内，并使得中/高频声源28安装轴线与待检的消声尖劈样件及消声室中心线位于同一高度上，所述中/高频声源28直接向消声室内传递声波。

测试支架30设置在声波导管29与尖劈样件(或所述消声室)之间，测试支架30前端安装传声器31及数据采集装置33，测试支架30在控制装置34控制下，能够沿所述拉线钢丝32在尖劈样件(或所述消声室)和所述声波导管29之间移动。

消声尖劈和消声室声学特性检测系统，能够获得声音在传播路径上声压随传播距离的衰减变化特性，在考虑空气温湿度对声音传播的衰减影响修正后，并与理论衰减曲线进行比对，可以获得吸声尖劈在中、高频段的吸声特性。

消声尖劈和消声室声学特性检测系统针对现有中/高频声源普遍具有声场均匀性差的缺点。基于声波在合适直径管道内部传播时损耗小、波阵面为平面的特点，形成了一种中/高频声源与声波导管相结合的、具有良好声场均匀性的中/高频声源系统，解决了消声尖劈和消声室中/高频检测的声源问题。

测试支架30包含传感器支架、升降测量头、激光定位器所述传感器支架由底座、下支杆、上支杆、滑轮钢索机构以及工业万向脚轮组成；

底座呈方形，四个底角分别安装工业万向脚轮，底座由下及上依次安装有下支杆和上支杆，上支杆顶端轴线方向安装有滑轮钢索结构，垂直于上支杆轴线的方向设置有激光定位器和升降测量头；上述测试系统可实现纵向高度可调、横向无级可调、位置误差小、反射系数低的功能。符合高频(最高可达40kHz)噪声测试环境下对测试支架低噪声反射、高定位精度要求。

本发明提出了一种用于风扇/增压级气动噪声试验的消声室，采用非对称性布局及大跨度钢混结构屋顶设计，试验器采用隔振设计，进气系统采用开放式及低噪声反射设计，试验件进口采用湍流控制技术，监控并采用修正方法抑制温湿度影响，传感器支架采用高精度测试支架，满足了大型消声室的噪声测试需求，克服现有技术消声室建设成本过高的问题及高频检定等问题。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。