连续型和非连续型蜂窝芯材的共振吸声结构性能研究_刘杰.pdf

宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期连续型和非连续型蜂窝芯材的共振吸声结构性能研究刘杰1 纪双英1 焦丽娟2 杨进军1（1 中国航空制造技术研究院复合材料技术中心，北京 101300）（2 中国飞机强度研究所，西安 710065）文摘 以芳纶纸蜂窝、内嵌树脂隔板和微穿孔面板为原料，制备了连续和非连续双自由度共振吸声结构，对两种共振吸声结构的力学性能和吸声系数进行对比研究。结果表明：连续蜂窝芯材所制备共振吸声结构的压缩和拉伸性能高于非连续型共振吸声结构，其中非稳定型压缩强度和拉伸强度高19%，稳定型压缩强度高32%，稳定型压缩模量高43%，剪切性能基本相当；两层蜂窝芯材容易出现孔格错位（非连续型共振吸声结构），引起错位区域的微孔堵塞，使该结构的共振吸收峰与理论值出现较大差异。关键词 蜂窝，共振吸声结构，吸声系数，微穿孔，双自由度中图分类号：TB132 DOI：10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.011Research on the Performances of Resonant Sound-absorbing Structure Based on Continuous and Discontinuous Honeycomb Core MaterialsLIU Jie1 JI Shuangying1 JIAO Lijuan2 YANG Jinjun1（1 Composite Center，AVIC Manufacturing Technology Institute，Beijing 101300）（2 Aircraft Strength Research Institute of China，Xian 710065）AbstractContinuous and discontinuous dual degree of freedom resonance sound absorption structures were prepared by using aramid paper honeycombs，embedded resin partitions and micro-perforated panels.The mechanical properties and sound absorption coefficients of the two resonance sound absorption structures were compared.The results show that：the compression and tensile performances of the resonance absorption structure of the continuous honeycomb core material are higher that of discontinuous honeycomb core material.Among them，the unstabilized compressive strength and tensile strength are 19%higher，the stable compressive strength is 32%higher，the stable compressive modulus is 43%higher，and the shear performance of the structure is basically equal.At the same time，the two-layer honeycomb core material is prone to cell dislocation（discontinuous resonance sound absorption structure），which causes the micropores blocking in the dislocation area，and the peak of the resonance absorption structure is greatly different from the theoretical value.Key words Honeycomb，Resonant sound-absorbing structure，Sound absorption coefficients，Micro-perforation，Double degrees of freedom 0 引言蜂窝夹层结构具有轻质、高强、耐腐蚀、隔热等优点，在航空航天、轨道交通等领域均得到了广泛的应用1-2。将一定厚度的蜂窝与微穿孔板及背板结合可制成共振吸声结构，针对共振吸声结构，国内外研究人员开展了大量研究3-10。单自由度共振吸声结构在共振频率附近有很好的吸声效果，但是在共振频率以外的频段吸声效果不佳，为拓宽噪声吸收频段，研究人员提出了组合微穿孔共振吸声结构的概念11-12，组合结构又分为耦合结构和并联结构两种。耦合结构是指通过增加共振吸声结构空腔数量和穿孔板数量的方式拓宽吸收频带，双层耦合结构不是简单的单层结构组合，与单层结构相比，双层结构的两个主要共振频率分别向高频和低频移动13，而三层微穿孔共振吸声结构的吸声系数和吸声频带可在双层结构基础上进一步提高14，但是三层微穿孔共振吸声结构制备工艺复杂，工业化收稿日期：2022-04-06基金项目：国家重点研发计划（2021YFB3703900）第一作者简介：刘杰，1985年出生，硕士，高级工程师，主要从事特种功能性蜂窝芯材研制的工作。E-mail：liu_ 75宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期难度较大。并联结构仅一层微穿孔板，但板上有多组穿孔，孔径和孔间距不同，分别与空腔形成共振吸声结构，研究人员对该结构也进行了理论研究15，发现并联后结构在交点位置的吸声系数高于两组吸声系数的数值平均。单层、双层和三层微穿孔共振吸声结构示意图见图1。共振吸声结构在航空领域的主要应用部位是飞机发动机短舱内壁、入口或后通道中的声学衬垫，以减少发动机造成的风扇宽频噪音16-18。最初的设计是采用具有微孔面板的单自由度共振吸声结构，显然，单自由度共振吸声结构吸收频带窄，难应对航空发动机所产生的宽频噪声，逐渐被淘汰。现在更为常见的设计是采用双自由度共振吸声结构，通过结构参数的变化以实现对噪声的宽频吸收。双自由度共振吸声结构在制备工艺上又从最初非连续蜂窝芯材结构逐步发展为连续蜂窝芯材结构，如A320系列飞机所使用的IAE研制的V2500发动机，其声学衬垫就采用了非连续蜂窝芯材结构，如图2所示。针对非连续蜂窝芯材和连续蜂窝芯材所制备的共振吸声结构在力学性能、声学性能上的具体差异，国内外的相关研究报道较少，本文分别采用非连续蜂窝芯材和连续蜂窝芯材制备双自由度共振吸声结构，对该结构的力学性能和声学性能进行对比研究，结合两种结构的具体制备工艺，分析造成两种结构性能差异的主要原因。1 实验1.1 原材料与仪器1.1.1 原材料主要原材料见表1。1.1.2 仪器主要仪器设备见表2。1.2 试验过程与方法1.2.1 共振吸声结构设计参数对于微穿板吸声结构来说，其吸声性能是由穿孔率、孔径、板厚和空腔深度来决定，因此为获得理想的吸声效果，需要对这结构参数进行优化设计。在前期工作的基础上，采用遗传算法进行多目标参数优化，得出表3中的设计参数，该设计参数主要针对的频率范围是1.54.5 kHz。根据优化参数结果，以芳纶纸蜂窝、碳纤维面板、热破胶膜和微穿孔内隔板为原材料，分别制备非连续型和连续型两种双自由度共振吸声结构，双自由的共振吸声结构示意图及实物见图3。注：（a）单层；（b）双层；（c）三层。图1共振吸声结构示意图Fig.1Schematic diagram of resonance sound absorption structure表1主要原材料Tab.1Main raw materials序号1234名称芳纶纸蜂窝，NRH-5-48热破胶膜，J-402微穿孔内隔板，J-401碳纤维面板厂家中航复合材料有限责任公司黑龙江省石油化学研究院黑龙江省石油化学研究院中航复合材料有限责任公司 图2V2500发动机声学衬垫解剖后的非连续蜂窝芯材Fig.2Discontinuous honeycomb core of V2500 engine acoustic line after dissection表3双自由度共振吸声结构参数Tab.3Parameters of resonance sound-absorbing structure of double degree freedom穿孔率1/%3.4穿孔率2/%2孔径1/mm0.5孔径2/mm0.2板厚1/mm0.61板厚2/mm0.60空腔深度1/mm10空腔深度2/mm14注：（a）结构示意图；（b）非连续型；（c）连续型。图3双自由的共振吸声结构示意图及其实物Fig.3Schematic diagram of double-free resonance sound absorption structure and its physical object表2主要设备Tab.2Main equipment设备名称电子拉力试验机热压机BK阻抗管BK多通道数据分析仪规格Instron5566FDY-404206Pluse 3160设备信息美国Instron公司上海颐中橡塑机械有限公司丹麦BK丹麦BK 76宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期1.2.2 性能测试方法采用Instron5566电子万能实验机对蜂窝进行非稳定型压缩性能、稳定型压缩性能和L向、W向剪切性能测试，测试标准分别按照GB/T 14532005和GB/T 14552005进行；采用阻抗管法，对所制备共振吸声结构的吸声系数进行了测试，测试频率范围06.4 kHz。2 结果与讨论2.1 力学性能结果讨论两种双自由度共振吸声结构的各项强度性能对比见图4（a），各项模量性能对比见图4（b）。从图4（a）可以看出，采用连续型蜂窝所制备的共振吸声结构的非稳定型压缩强度、稳定型压缩强度和平面拉伸强度高于非连续型，其中非稳定型压缩强度和拉伸强度高19%，稳定型压缩强度高32%，而剪切强度基本相当；同样可从图4（b）看出，采用连续型蜂窝所制备的共振吸声结构的稳定型压缩模量比非连续型高42%，而剪切模量基本相当。造成两种结构的力学性能出现以上差异的主要原因是芳纶纸蜂窝的连续性。当连续型的共振吸声结构在受到压缩、拉伸和剪切载荷作用时，由于蜂窝壁连续，载荷可从上面板完整的传递至下面板，在无胶接质量的情况下，共振吸声结构的压缩、剪切和拉伸性能与蜂窝本身的性能相当；当非连续型共振吸声结构在受到压缩载荷和拉伸载荷作用时，由于蜂窝非连续，结构内部蜂窝的受载情况则会发生变化，非连续型蜂窝芯材截面形貌和压缩载荷传递情况见图5。从图5可以看出，当结构受到压缩载荷时，上面板和下面板受到的载荷均会通过蜂窝壁传递至微穿孔内隔板（该材料主要体现功能性，强度较低），使微穿孔内隔板受到弯曲载荷而发生破坏，随后蜂窝局部失稳后发生破坏，最终造成蜂窝的压缩性能结果偏低，同理当结构受到拉伸载荷时，上面板和下面板受到的拉伸载荷均会通过蜂窝壁传递至微穿孔内隔板，微穿孔内隔板受到弯曲载荷而发生破坏，造成蜂窝的拉伸强度结果偏低。而结构受到剪切载荷时，虽然剪切载荷同样会传递至微穿孔内隔板，但微穿孔内隔板的抗剪切性能远高于蜂窝（室温下，内隔板的剪切强度15 MPa），剪切载荷通过内隔板在上下两层蜂窝之间传递时不会发生破坏。当剪切载荷达到一定程度时，结构则会在性能相对较低的蜂窝上发生破坏，故两种双自由度共振吸声结构的剪切强度和剪切模量性能结果基本相当。2.2 吸声系数测试结果讨论两种双自由度共振吸声结构在06.4 kHz范围内的吸声系数测试结果如图6（a）所示。图中非连