大飞机噪声问题研究的首要任务：了解噪声源

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　　大飞机噪声问题研究首要任务是了解其主要的噪声源。大型民机主要噪声源可分为：(1)动力系统噪声，即发动机部件(风扇、压气机、涡轮、燃烧室和喷管等)产生的噪声;(2)无动力(机身)噪声，包括湍流边界层、展开的起落架、起落架舱门和盖板绕流、展开的副翼和活动辅助翼绕流、展开的阻力板绕流、机翼和机身绕流、发动机安装与机身相互干扰等产生的噪声。

　　风扇噪声
　　大尺度大气湍流进入发动机入口，不均匀轴向气流进入风扇叶片。叶片旋转时，由于攻角变化，不均匀流引起叶片上的不稳定载荷。这个风扇转子叶片尾迹撞击下游叶片组产生的非定常压力脉动，是风扇噪声的主要噪声源。这些不稳定载荷辐射叶片通过频率谐波的偶极噪声。由于叶片载荷幅值和相位的随机脉动，它也产生宽带噪声。噪声强度与风扇叶梢速度有关。

　　针对风扇噪声的特性，第二代涡扇发动机如JT9D、CF6R 和B211 在设计中消除了导向叶片，选择转子和定子叶片数目，有意最小化亚音速转子翼梢的叶片基础通过频率声的幅值，转子和定子叶片间保留较大的空间，使得风扇噪声能量得到衰减。

　　喷流噪声
　　飞机降落和爬升时喷管出口湍流流入大气，产生喷流噪声。喷流噪声研究起源于二十世纪五十年代的英国。M.J. Lighthill 发展了声类比理论，用对流湍流的密度和速度脉动描述喷流噪声。如今，Lighthill 理论仍是研究喷流噪声发声的基础。飞机降落时喷流噪声占主导，因此，降低飞机降落时的发动机喷流噪声十分重要。

　　喷流噪声抑制通常采用如V 形喷嘴修正等方法减小喷流噪声幅值，并最小化发动机性能损失。当飞机陡直爬升副翼收回时，涡喷发动机的喷管出口速度为200~400m/s，此时可用吹气副翼、喷嘴混频器和喷嘴声学线纹路排气口等喷流噪声抑制设备减小吹气副翼噪声和喷流噪声。当装备涡扇发动机的飞机降落时，可用安装较大的单组风扇代替两组风扇，较大风扇从涡轮吸取更多的能量，相同的推力下有较小的喷流速度和喷流噪声。

　　发动机核心噪声
　　研究发现，喷气发动机在低喷流速度(<300m/s)时，噪声谱慢于Lighthill 预示的速度八次方法则，而在喷流速度高于300m/s 时测量结果遵循这个趋势。暗示着存在一个额外的不依赖于速度特性的噪声位势源，称作发动机的核心噪声。核心噪声可以通过从测量的低频发动机噪声中扣除喷流噪声和无动力噪声得到。

　　发动机核心噪声源包括：(1)燃烧室中伴随燃烧的非定常压力，(2)燃烧室和涡轮转子/定子相互作用产生的速度和温度脉动，(3)涡轮排气支柱与下游湍流和/或旋涡作用产生的噪声，(4)喷嘴唇口处脉动力影响喷管周围介质产生的噪声。核心噪声发声机理还有待于深入研究，通常采用吸音衬垫抑制核心噪声，由于核心噪声的低频谱特性，吸音衬垫要求有较大厚度。

　　涡轮噪声
　　涡轮噪声受涡轮叶片高频通过声支配。除了通过频率声之外，在通过频率附近还集中有宽频“haystack”噪声。P&WA 证实，“haystack”噪声是由于叶片通过频率处与涡轮声相关的脉动压力、排气喷流与环境大气的边界层湍流的相互作用产生的。

　　涡轮噪声预示主要依赖试验数据的经验方法，有待发展描述涡轮噪声产生机理的数学模型。增加转子和定子间的距离可以减小涡轮噪声。转子或定子尾迹可能是主要的离散噪声源，选择合适的转子/定子叶片数目，在噪声源处使用吸音衬垫可以减小涡轮噪声。

　　无动力(机身)噪声
　　无动力噪声是飞机进场时的一个主要的噪声源。它源自湍流边界层、展开的起落架、起落架舱门和盖板绕流、展开的襟翼副翼和阻力板绕流、机翼和机身的尾流和发动机安装与机身的相互干扰(图1)。

　　图1 无动力噪声源

　　当飞机是流线型时，主要噪声源是机翼湍流尾迹与机翼表面的相互作用。湍流尺度很大时，在整个机翼表面出现升力阻力脉动，产生低频噪声;湍流尺度与机翼弦长可以比拟时，在尾缘出现小尺度压力脉动，产生高频噪声。当起落架、副翼和阻力板展开时，主要的噪声源是突出部分的当地流动。

　　无动力机身噪声是商用飞机履行噪声标准的障碍。一般公认的噪声标准估计比FAR-36 低10dB。如果无动力机身噪声源达到或高于FAR 36-10dB 等级，这个称作FAR 36-10 的噪声标准就不能只通过处理动力噪声源实现。起落架展开时噪声增加，但是不同类型飞机的气动结构辐射噪声趋势不完全一致，因此需要理解机身噪声对不同参数响应的细节。

　　无动力噪声预示可以采用部件法，预示机翼、副翼、支柱、起落架、挂架和发动机引擎舱等飞机每个部件产生的噪声，再合并各部件噪声得到飞机整体的无动力噪声。另一种预示方法称作“阻力元法”，Revell 设想无动力噪声是由于阻力引起的机械能耗散的副产品，飞机降落时主要是机翼剖面阻力噪声和机翼诱导阻力噪声。噪声产生机理是飞机各部件的尾缘偶极子分布，机身各部件辐射进远场的噪声与部件的阻力系数相关。

　　本文摘录自百度文库《大飞机噪声问题探讨》一文，该文为中国航空学会2007年学术年会文章，作者：赵磊，中国航天空气动力技术研究院第一研究部。