材料构件在多场耦合环境下的声载荷分析方法研究

The new-type aircrafts are easy to get sonic fatigue when working in the environment of noise and heat, which will seriously affect the service performance of them. Data of acoustic load on the surface of typical materials or components can be got in the multiphysics coupling environment module that consists of flow field, temperature field and sound field, and analysis of the data can provide gist for the evaluating of aircrafts’ sonic fatigue performance. The following points are studied in this research. First of all, in view of the interference problems brought by the reflected sound wave in the experiment module, the reflection suppression method based on the parameter-optimized minimum- phase-decomposition is proposed, which is advanced in self-adapting suppressing reflection without necessarily knowing the parameters of the environment. Then, aiming at the poor definition of correlated broadband sound sources location, the locating method based on the covariance matrix fitting in time domain is put forward. Finally, for the sound medium that is non-uniform or moving and the nonlinear problems with sound wave propagation, the method to restore the signal of acoustic load based on time-reversed mirror is proposed. And with this method, the signal of acoustic load in near field can be restored by microphone array signals in far field, as a result, the acoustic load map in every time step and the restoration of the acoustic load on surface of the material or component can be acquired. The achievement of the research can be applied in many fields including civil aviation, automobile and ship industry. Meanwhile, it is of great significance for researches in environment test and sound insulation of components both in theory and engineering.

新型飞行器在热噪声作用下，易产生声致疲劳现象，使其服役性能受到影响。因此，通过地面模拟实验，在流场、温度场和声场的多场耦合环境下，对典型材料构件进行声载荷数据分析，可为飞行器的声致疲劳评价提供依据。研究内容包括：针对实验舱中反射声波干扰的问题，提出基于参数寻优最小相位分解的反射抑制方法，在不依赖环境参数等先验知识的情况下，自适应地抑制反射声波成分；针对多个相关宽频声源的定位问题，提出基于时域协方差矩阵拟合的声源定位方法，弥补了在频域内因分频而导致的计算量激增和分辨率下降的不足，可准确定位出声载荷源的位置；针对运动的、不均匀的声传播介质和非线性声传播问题，提出基于时间反转镜的声载荷场还原方法，可在复杂介质中，通过远场的声信号测量，获得材料构件表面的声载荷场随时间变化的云图。课题的研究成果可推广到民航、汽车和轮船等领域，对开展声场环境测试和结构的隔声降噪等研究具有重要的理论和工程意义。

高速飞行器在服役过程中，外部结构与大气相互作用将产生高强气动噪声。在热噪声载荷作用下，结构极易产生疲劳现象。因此，通过地面模拟实验，获取结构在高速气流环境下所受到的准确噪声载荷场，对于结构降噪设计以及声疲劳性能评估具有重要意义。为此，本课题建立了一套气动噪声载荷场还原方法：首先，提出基于EEMD的气流背景噪声抑制方法(ABNS-EEMD)，降低气流背景噪声干扰，提高结构气动噪声的信噪比；其次，提出基于互谱矩阵拟合的气动噪声源定位方法（Amiet-IMACS），准确定位出气动噪声源的位置；最后，提出基于Amiet解析被动时间反转镜的气动声载荷信号还原方法（Amiet-AP-TR），实现气动噪声载荷信号的准确还原。将所提出的声载荷场还原方法，在超音速气流环境中进行应用，获得了不同结构气动噪声信号。在完成既定任务的基础上，分别对基于GE-TLBO算法的传声器三维空间位置优化方法、基于LES-FWH模型的锯齿尾缘翼型降噪设计、基于VonMises应力和多轴S-N曲线的疲劳寿命预测等内容展开了拓展性研究工作，可以提升机舱内多个声源的空间定位精度，降低飞行器尾缘翼型的结构噪声，实现典型材料的疲劳寿命准确预测。本项目通过对上述内容的深入研究，突破了复杂环境下背景噪声抑制、多相关宽频声源的高分辨率定位、传播介质运动条件下的声载荷场还原等关键技术，探明了气动噪声与气流背景噪声之间的内在联系，完善了气流环境下的声源信号还原机制，建立了复杂多场耦合环境下结构声载荷采集与分析系统，为气动噪声载荷的准确表征提供一套新的分析方法。上述研究成果不仅可以应用于气动声场的分析中，还可以推广到高速列车、汽车、变压器等声场环境中，对开展声场环境测试和结构的隔声降噪等研究具有重要的理论和工程意义。