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【听强度君说】航空声学专业中的“狮吼功”——声疲劳与噪声环境专业

文章来源:   发布时间:2020-07-29 02:38:00   点击量:0

故老相传,“狮吼功“是天下至刚至强的少林七十二项绝技之一。清啸之下,如迅雷疾泻声闻数里,令敌心惊胆颤,肝胆俱裂,拥有着不可思议的绝强威力。金庸笔下的神雕大侠杨过,曾凭借狮吼功慑服万兽山庄群兽,金毛狮王谢逊亦靠狮吼功扬威王盘山岛,吼晕一干武林群豪。然而,现实中真的存在“狮吼功”吗?说到这里,我们就不得不谈一谈声。

声是一种通过媒质传播的压力波,当它作用于人耳时,按照其强度和频率特征,人们往往会将它划分为不同的类型,如次声、可闻声、超声、乐声、噪声等等。对于我们日常生活中的各种声源,它们发出的噪声强度大多数都比较低,即使那些听起来较为吵闹的噪声,其噪声强度也远未达到造成物体破坏的程度。像我们的身体能够发出的噪声,或者其他动物所能发出的噪声,实际上都达不到武侠小说中“狮吼功”那样的威力。但是对于在天空中飞行的各类飞行器而言,由于它们的发动机会发出远超人耳承受能力的强噪声,这种强噪声就像武侠小说中“狮吼功”那样,足以对附近的物体产生破坏。

噪声对于物体的作用本质是一种空间分布的,而且往往是随时间变化的,具有一定频率分布特性的动态压力载荷。当这种载荷相对较小时,如一般人耳所能承受的声压级或者再稍大一些时,尚不会对结构产生影响。而当噪声的作用量值继续增大,如声压级超过140dB以上,它便可能在结构上产生一定的分布应力响应。特别是当噪声的频率分布特性和它所作用结构的动态特性互相耦合时,结构就会发生显著的应力响应。这种动态应力长时间作用下,结构上应力集中或者其他缺陷部位会产生疲劳裂纹,直至发展为疲劳破坏,这就是所谓的结构声疲劳问题。

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在声波作用下,飞机关键部位的声疲劳破坏

自从飞机诞生以来,多型飞机就暴露出了大量的噪声问题。飞机噪声问题不但是现代飞机设计、研制和使用中必须考虑的重要问题,而且随着飞机动力装置的发展、飞行速度的提高、新型材料的大量使用,以及飞机作为通用的运输工具使得公众对于安全性、舒适性与环境品质要求的不断提高,而受到越来越广泛的关注。事实上,自20世纪50年代末期开始,飞机结构声疲劳问题就已经成为飞机设计、分析、试验,以及使用维护中必须加以考虑的一个专门的技术问题。声疲劳破坏轻则缩短飞机的使用寿命,重则威胁乘客及司乘人员的生命安全,严重影响飞机的正常运营,飞机的开发研制必须进行抗声疲劳设计与分析技术研究。

另一方面,高超声速飞行器通常处在高温、高过载等复杂的环境下,以超声速、高超声速在大气层中飞行,结构面临着严重的气动加热现象,飞行器表面的气动加热热能是马赫数、雷诺数、普朗特数的复杂函数。同时,在高速气流作用下,结构表面处于高强噪声环境下,声疲劳寿命评估中需要考虑温度效应对结构动响应和材料疲劳性能退化的双重影响。高超声速飞行器在稠密大气层内高速飞行时,驻点温度可达千度以上。长时间的飞行造成结构和附面层气流温度很高,一方面影响结构强度,一方面增强气动噪声作用效应。而冲压发动机作为强噪声源,所产生的声场强度可达到180dB以上,甚至更高。燃烧产生的噪声以平面波的方式在进气道内向前传播,对产品造成严重影响。如此恶劣的载荷环境将对产品结构强度和飞行可靠性带来严峻的考验,因此必须对结构在复杂严苛载荷环境下的强度耐受性开展分析与验证技术研究。

2.png图2
高超声速飞行器受载严重部位与典型声载荷量级


中国飞机强度研究所航空声学研究室声疲劳专业,就是专业从事航空飞行器声疲劳分析与验证、多场耦合分析与验证研究的专门研究单元,拥有我国唯一的航空声学与振动航空科技重点实验室,现有70 m3、500 m3混响室各1间,各类行波管试验装置若干,纯噪声加载情况下可实现最大声压级165dB。在多场联合加载情况下可以实现最高温度1200℃,最大均方根振动加速度激励10.76g、最大声压级165dB、最大静力4t的同时加载。此外,实验室还拥有32通道噪声、振动采集、分析系统、M+P 8通道噪声采集、分析系统等各种专业试验设备近百台/套, 具备进行各种噪声环境试验、声疲劳适航验证试验、多场耦合验证试验的硬件能力。

声疲劳与噪声环境专业现有研究人员16名,其中研究员3名,高级工程师10名。近年来获得中国航空学会及航空工业科技进步奖10余项。1998年通过了GJB/Z 9001质量体系认证,2010年通过了GB/T 19001(idt ISO 9001)质量管理体系认证及GJB 9001B质量管理体系认证,2013年通过CNAS认证。在结构声响应分析、声疲劳寿命计算、声疲劳验证试验、严苛环境下多场耦合分析与地面验证等专业领域,声疲劳专业拥有着雄厚的技术实力和丰富的工程实践经验,先后完成了我国多个型号军民用飞机,高超声速飞行器和航空发动机的声载荷预计、声响应分析、声疲劳验证试验,可以为各类研究机构、企业、高校提供高质量的专业技术服务。

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图3-图6

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图7-图9

未来,随着中国经济的飞速发展以及全球经济一体化的不断深入,航空、航天产业必将迎来更为广阔的发展空间,支撑我国国民经济和社会的发展。声疲劳专业也将迎来良好的发展机遇,在航空工业“一心、两融、三力、五化”新时代发展战略引领下,在强度所“大所、强所、富所”发展目标指导下,努力提升专业能力建设,巩固国内领先优势,为我国航空航天事业的发展做出更大的贡献。