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[航空航天] 怎样设计一架叫“静静”的飞机

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发表于 2018-5-7 09:07 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  众所周知,超音速客机“协和号”因为“音爆”、起飞噪声太大等因素,最终退出了市场。据估算,一架在16000米高空以两倍音速飞行的“协和号”客机产生的音爆对地面产生的压强高达100帕,相当于给一块一平米左右的玻璃窗施加10公斤的力;如果把压强换算成声强,100帕大约相当于133分贝,这大概就是你恰好处于某重金属摇滚音乐会的大音箱旁边的感受。

  那么,如何才能设计出一架安静且令人舒适的飞机呢,这正是本文想要给大家介绍的内容。

  开展飞机噪声设计的原因及原则
  人体对于声音的耐受度是有限制的,且人在不同声压级的环境中允许待的时长也是不一样的。当噪声在130~140分贝(dB)时,人的听力就会受损,超过150分贝时就有可能瞬间致聋。
  飞机噪声一般可分为内部噪声和外部噪声两大类,外部噪声主要指的是发动机噪声和湍流边界层噪声,而内部噪声则主要有环控噪声和设备噪声。

  早期的飞机设计并未考虑噪声问题,后来发现噪音不仅影响飞行员和乘客的身体健康,常常使得人产生疲劳、心跳加快、血压升高等不舒适现象,而且还会因为噪声使得飞机内部的设备仪器发生失稳和灵敏度降低等问题。

  据有关报道称,高铁列车在时速300km时,火车内噪声水平不超过66分贝。那么让我们来对比一下,飞机一般巡航时速大约为1000km/h,仅按照“空气动力引起的机体噪声大约正比于运行速度的7次方”的关系来推算,飞机的噪音就已经远远和高铁不在一个量级,更何况还有需要更大推力的发动机噪音等。而实际上,A380飞机头等舱的噪声水平,其官方宣传为67分贝,机尾为75分贝。和高铁比起来,包括该飞机在内的不少民用飞机的噪声控制已经可以说是很牛了。
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  高速行驶中的列车及A380的舱内噪声分布

  事物都有两面性,太安静也是个问题。阿联酋航空的机长曾抱怨飞行中的A380实在太安静,身处机组休息区,他可以听到客舱婴儿的啼哭声,大人的鼾声和冲水马桶的声音,不甚其扰。

  其实,人类对噪声的敏感程度不仅与噪声的大小有关,还与噪声发生的频率有关,换句话说,就是与飞机的背景噪音相比,人们更容易受到说话声,关门声,鼾声,哭声这种人为噪音的影响。因此,波音公司设计飞机时致力于把背景噪音控制在合适的水平,并将这些人为噪声“过滤”掉。

  可见,噪声设计并不是简单地不断降噪,而是控制噪声分布,并使人处于相对舒适的环境,声压级的控制及声音的频率分布都是设计的要点。对噪声源采用改变结构构型等方法进行抑制,在传播过程中则需要采取相关措施,改变声音的指向性及声音强度。

  气动噪声的控制与设计
  据统计,对于喷气式飞机,当气流速度到达高亚音速时,机身外部的TBL(Turbulent Boundary Layer 湍流边界层)激励水平高达107分贝。在飞机设计时,如果在设计初期就考虑噪声控制,比如增升装置通过改变表面形状来改变流场的流动特性,就是很好的方法。据了解,某型民机对缝翼凹面进行了填充,同时引入了声衬技术,做到了多管齐下。

  针对发动机噪声,增大涵道比,降低风扇转速,优化设计风扇翼型等都可以有效降低风扇噪声和喷流噪声。波音777则采用了“碎蛋壳”锯齿边设计降低喷流噪声。NASA称,发动机喷管V形罩的使用将外部噪声降低了2分贝,座舱噪声降低多达6分贝。而采用复合材料降低机体重量,则可以使得发动机推力更加有效,从某种程度上说,这种方法既能实现更高的油耗比,提升其经济性,也能间接降噪。
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  波音777技术验证引擎上的V型后缘

  通过采用多孔蜂窝结构,使声音在内部进行反复摩擦增加阻尼,从而达到能量耗散的目的,也是降低噪声的有效手段。目前大型客机基本采用这一方法。

  舱内噪声来源及控制方法
  飞机的舱内噪音主要受动力系统噪声、机体噪声和舱内其它系统噪声影响。

  动力系统的噪声主要取决于选择的发动机类型。发动机及辅助动力装置因其高速转动及气流压缩、燃烧等产生的噪声是飞机的主要声源之一,当然还有尾喷气流产生的声噪。如果是螺旋桨飞机,则还有螺旋桨噪声,通常称之为谐频噪声。当桨叶旋转速度很高,尖端达到跨音速和超音速时,这种噪声尤为显著。其次是机体噪声,当机身细长体及机翼等结构件穿越气流时,会因为气体压缩而产生越过结构表面的气动噪声,在专业上通常称为湍流噪声或者附面层噪声。另外还有其他的噪声来源,如系统部件的风扇旋转噪声、管道噪声,因密封问题产生的噪声等。
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  动力装置和附面层噪声传递路径

  当然如果隔音吸声效果做的比较好,在舱内的感觉还是很舒适的。目前的高档小轿车设计基本上能够达到静音的效果。

  通常降噪的方法主要有三种,第一种是对声源进行控制,比如改善转子叶片的构型等。第二种是从传播路径进行控制,“切断”或者“改变”声音的传播途径,比如增加厚吸声层隔声层,在靠近螺旋桨区域的机身结构,增设高密度的声衬材料和隔声层,好比在人员和声源之间增加了一层屏障。第三种则是在人耳接收处进行防护,比如增加降噪耳机等。在声源及声音受众已经确定的情况下,上述第二种为目前常用的降噪方法,但是这样做会大幅增加了飞机的重量,在能源紧缺及环保并重的时代,增加重量则意味着更大的耗油量和经济性损失。

  此外,需要说明的是,第二种和第三种方法基本上是属于被动降噪,主动降噪则需要在设计初期就介入声音设计程序,了解声源的频谱分布及声波长度等,然后再制定相应的方案,比如引入螺旋桨相位同步控制技术等。

  飞机噪声设计发展趋势
  1971年,国际民航组织(ICAO)通过了飞机噪声标准及推荐实施办法,这是最早的关于飞机噪声的设计标准。2018年1月1日,美国联邦航空管理局(FAA)对新提交适航审查的飞机采用新的噪声标准,要求新设计的亚音速飞机噪音降低7分贝。而我国目前民用飞机的设计,则主要参考CCAR 36部。

  截至目前,二代涡轮风扇发动机噪声已经比60年代的涡轮喷气发动机降低了约20分贝。欧盟更是提出来,到2020年,飞机要实现的十大环境目标,噪声占其中两项:飞机噪声要降低到2000年噪声水平的一半;2020年彻底消除机场周边的噪声扰民。很显然,目标很远大,道路很曲折。

  随着技术的进步,主动噪声控制在飞机设计中取得了长足进展,有源噪声控制技术在飞机上的应用取得了突破。如英国的Ultra Electronics公司的有源噪声控制系统已经在SAAB 2000和Q400 DASH 8飞机上安装了800多套。波音公司更进一步提出“流动墙纸”半主动控制概念,即利用微工艺在很薄的纸板上设计流体自适应放大器。而发动机短舱的有源噪声控制研究已经进入实用化阶段。罗-罗公司的发动机设计初期考虑噪声控制技术时,不仅仅采用了吸音板装置,更是通过改变声音走向“囚禁”声音,以达到降噪的效果,通过对叶片的构型设计修正以便降低尖端产生的超音速旋转噪音
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  噪声地图

  飞机的噪声设计是个系统工程,目前一飞院的设计师们大胆采用新的材料、装饰及更改构型,使得某型飞机的降噪工作取得了不俗的成绩。同时,他们正在努力突破技术壁垒,在型号研制中实现噪声正向设计与控制。也许在不远的将来,他们设计的飞机就会拥有内部噪声地图及飞行噪声地图,这些地图所涵盖的信息不仅包括声音的强度与频率分布,还会作出提示:尊敬的乘客您好,在起飞阶段,您的乘坐舒适度等级为几级……
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  结束语
  我掬一缕风,轻抚你的皮肤,若吹气如兰,而不闻其声。

  我脚踩祥云,掠过碧海蓝天,若游龙在舞,而不受其扰。

  未来,飞机设计师们是这样想的,设计一架叫“静静”的飞机吧!

  来源:航空工业一飞院公众号,文字:党晓艳,图片:来自网络

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