非紧凑弹性叶片噪声的机理及控制研究

The phenomenon of flow induced noise around non-compact elastic blades exists widely in all kinds of fluid machineries and aircrafts. Due to the vibration of the elastic boundary and the scattering and diffraction of the non-compact boundary, the sound intensity and the directivity patterns of the radiated noise are quite different from those around compact rigid boundaries. This project is planned to be conducted from four aspects as the generation and propagation mechanism of the noise, the identification of noise source, the methods of advanced prediction and noise control. Based on the two methods of source analogy, the mechanism, efficiency and propagation characteristic of the transformation of turbulent kinetic energy to acoustic energy are explored under the boundary conditions of different vibration velocities and Helmholtz numbers of the blades and geometric features of edges. And according to the principle of "binaural effect" in locating the noise source, a new method of reversely calculating the fluctuation pressure and the vibration velocity of the elastic boundary from the measured sound pressure and then identifying the noise source is proposed. Moreover, an integrated innovation algorithm based on the retractable series expansion method for the frequencies, the multi-pole expansion method for the observers and parallel computation is applied to promote the operation efficiency of predicting the noise and identifying the noise source. Also, a new theory and method for controlling the noise of fluid-structure interaction by matching the pressure and the vibration velocity of the boundary is proposed, which breaks through the limitation of reducing the noise by directly reducing the vibration and the pressure. The achievements of this project reveal the generation and propagation mechanism of the fluid-structure interaction noise of the non-compact elastic blade and establish a new method for noise control.

流体与非紧凑弹性叶片耦合作用诱发的噪声现象广泛存在于各类流体机械及飞行器当中。弹性边界的振动和非紧凑边界的散射、衍射使得辐射噪声的声功率和指向性特征与刚性紧凑边界存在极大的不同。本项目从噪声的产生和传播机理、声源识别、先进预测和控制方法四个方面开展研究：基于两种比拟声源方法探讨叶片振动速度、Helmholtz数以及边缘几何特征等边界条件下湍动能转化为声能的机理、效率以及传播特性；借鉴"双耳效应"定位声源的原理提出一种基于测量声压逆向推算弹性边界脉动压力和振动速度并识别声源的方法；采用基于频率的收缩变换级数展开方法、基于观察点的多极展开方法及并行计算的集成创新算法提升噪声预测和声源识别的运行效率；突破"减振降噪"和"减压降噪"的分界，提出一种匹配边界压力和振动速度的流固耦合噪声控制理论及方法。项目研究成果揭示非紧凑弹性叶片流固耦合噪声的产生和传播机理并建立一种新型的噪声控制方法。

本项目针对工程应用领域叶片的声学非紧凑、弹性和旋转特征，开展叶片噪声的产生和传播机理、声源识别方法、噪声控制技术以及相关加速算法四个方面的研究。研究成果主要包括以下几个方面。一、非紧凑叶片(边界)噪声的机理和控制研究。开展了边界元和等效源方法预测非紧凑边界散射声，建立矢量声学方法直接显示非紧凑边界散射对声能量传播的影响。特别的，当叶片(边界)为阻抗边界时，可以直观观察出主要的吸声部位和直接计算吸声声功率，为进一步降噪控制提供指导。针对旋转叶片和边界散射组合的情形，拓展上述方法提出了一种全频域的声辐射和散射计算方法。二、弹性叶片(边界)噪声的机理和控制研究。研究证实对于薄壳体弹性叶片辐射噪声，叶片振动速度对噪声的贡献几乎可以忽略，而作用在叶片表面作用力(压力差)则是噪声的主要贡献来源。提出了一种基于声学信号非接触测量边界振动的方法，授权国家发明专利1项。三、旋转叶片(声源)噪声的机理和控制研究。提出了频域数值方法和球谐级数展开方法两类预测旋转叶片辐射噪声的方法，并将其均拓展到考虑均匀来流对噪声传播的影响。四、叶片声源识别方法的研究。提出了从声能量角度直接、快速识别叶片声源在空间和频域上分布特征的方法。五、噪声预测的加速算法研究。分别提出了静止叶片(边界)辐射宽(多)频噪声的快速预测方法和旋转非紧凑叶片(边界)向周围多观察点辐射噪声的快速预测方法。六、叶片式流体机械噪声控制的技术应用研究。基础研究成果应用于离心和轴流风机的噪声控制，通过实验验证了其良好的降噪效果。该技术目前已应用于我国某大型宽工况风洞用多级轴流压缩机的降噪设计。项目负责人作为第二完成人，荣获2015年度中国产学研合作创新成果奖一等奖。.基于本项目的资助，在本领域国际知名期刊上录用/发表SCI论文16篇，在国内期刊发表论文3篇、国际学术会议论文2篇，授权发明专利1项。开发完成了多套与叶片噪声相关的计算程序；培养6名博士生其中1名已答辩，3名即将进行博士学位论文答辩。