航空发动机噪声问题及管道声模态测试技术

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　　航空发动机噪声开始引起人们关注是从20世纪50年代开始的。第一代涡轮喷气发动机产生的巨大喷流噪声引起了强烈的社会反响，同时也引起了科研人员的关注。从20世纪60年代开始，国际民用航空运输市场迅速发展，巨型喷气式民用客机开始发展并普及，带来了巨大的噪声污染。为了控制噪声污染，1969年国际民航组织(ICAO)召开了由主要航空运输发达国家参加的国际飞机噪声会议，并成立了专门负责处理噪声问题的飞机噪声委员会(CAN)。随后，发布了关于噪声的标准“Annex 16”。同期，美国联邦航空管理局(FAA)也发布了新的航空规章“FAR Part 36”，从此，民机噪声作为飞机适航取证的强制性指标。目前，国内外的著名航空公司和航空研究机构，都投入了巨大的科研力量，为未来民用飞机能够满足更严格的噪声要求而努力。NASA在1994-2001年开展的先进亚声速飞机噪声研究计划，实现了民机降噪目标8 dB，之后又启动了安静飞机技术(QAT)研究计划，进一步降低5 dB。欧盟则在FP4和FP5规划基础上启动了FP6和FP7规划，以使民机噪声进一步大幅降低。国内相关的研究计划仍然落后于国外先进水平。按照ICAO的要求，从2006年开始，执行第四阶段噪声限值，同时将在2020年要求再降低7 dB。NASA的“N+1”和“N+2”目标规范还要在ICAO的第四阶段基础上降低10到15 dB，下一阶段飞行器需要满足这些更加严格的规范。每一次标准的提高都会强制一部分不达标的飞机、发动机淘汰，噪声要求仍然是国产新机型适航的一道难关。

　　航空发动机在提供飞机动力的同时，也是飞机最主要的噪声源。目前民机广泛采用的涡轮风扇发动机的主要噪声源有四个，分别是：风扇/压气机噪声、燃烧噪声、涡轮噪声和喷流噪声。其中，风扇、压气机和涡轮是典型的旋转机械，周期性旋转会与气流相互作用，产生较大的单频噪声，同时也有一部分湍流产生的宽频噪声。高速空气喷流流入外部流速较慢的气流时会在边界层中形成强烈的湍流脉动，以及在燃气燃烧过程中会产生强烈的湍流脉动，表现为较强的随机宽频噪声。对于早期涡轮喷气发动机和低涵道比涡扇发动机而言，由于喷流流速很高，喷流噪声为最强的噪声源。通过提高涵道比降低排气速度，可以有效地抑制喷流噪声，对于目前广泛采用的高涵道比发动机而言，喷流噪声占比下降，风扇噪声成为了主要的噪声源。

　　无论是针对机体噪声还是发动机噪声，研究手段均可分为三类，理论分析、数值仿真计算和实验。理论研究一般针对理想模型进行，可以揭示各个部分噪声的产生机理和特性，但是很难针对实际复杂情况进行定量预测。计算气动声学(Computational aeroacoustic, CAA)技术最近发展较为迅速，但是由于航空发动机噪声源声学机理复杂，声波辐射与流场结构和流场气动力密切相关，而涉及的流场往往是三维复杂非定常流场，所以发动机声场的计算仍然面临许多挑战。因此，实验研究在航空发动机气动声学研究领域显得尤为重要。通过对各个声源成分进行实验测量和分析，可以明确发动机内部流动和声辐射的基本规律，研究发动机内各个部件的流动噪声辐射的物理机制，进而为降噪设计奠定基础。同时，还可以为理论模型的发展和数值仿真计算提供依据，互相验证。

　　根据研究目的，航空发动机的噪声测试实验可以分为实际发动机或部件的声学特性实验，以及气动噪声机理研究的实验。前者主要目的是分析具体产品声学特性，并为飞机声学设计提供原始数据，也用于评估发动机降噪设计效果，后者主要通过实验测量数据找出声源位置，分析声源和声辐射的机理，为发展理论模型和降噪设计提供依据。

　　飞行测试和发动机整机地面测试所需的设备体积大、价格昂贵，同时系统复杂，不便于具体分析声源位置和产生的机理。在进行声源分析和降噪方法相关研究时，通常采用发动机简化或抽象模型，一般在室内小消声室即可进行测试，系统搭建方便且干扰较少。不足之处是远场测量不便，一般仅测量管内和近场声场。如果想要直接测量远场，需要有巨大体积的消声室。

　　(德国AneCom公司的发动机声学测试台)

　　通过分析管内或近场测量的声场，可以分析声源产生的机制，进而采用主动或者被动的控制方法降低噪声，评估噪声降低的效果。通过声场测量值来分析声源的方法有多种，比较常见方法大致可以分为三类，分别是模态检测(mode anaylsis, mode detection)、成像方法(beamforming，near field acoustic holography)和反演法(inverse method)等。这些方法中，最重要的方法就是模态检测方法。从理论分析角度，管道声场一般可以表示为一系列模态的线性叠加，每一阶模态都是波动方程的一个特征解，通过测量估计每一阶模态的幅值就可以得到管道声场。同时，模态的产生和风扇及压气机的叶片对流动的扰动直接相关，也具有一定的物理意义，所以模态检测一直是管道声场测试的一个主要手段，相关的测试方法仍然在不断的发展之中。

　　(4阶周向模态声场示意图)

　　为了观测高阶周向模态，往往需要在周向大量布置传感器，导致实验成本过高，系统过于复杂。目前针对这个问题的解决方法主要有两类，一类是采用旋转探针耙(rotating rake)，该方法需要较复杂的机械旋转装置，同时测量方法和数据后处理较复杂，另一种是采用非均匀采样，优化阵元的位置，该方法可以稍稍提高模态观测阶数，提高模态检测抗混叠的能力。

　　(AneCom测试方案)

　　(OptiNavi喷流噪声试验台)

　　上述方法仍然无法解决实际试验中高阶模态检测问题，因为机械旋转结构复杂，且干扰主流流场，自身也是声源。同时传感器的数量仍然很高，不仅成本高，而且在试验准备阶段校准时间较长，出现损坏通道的情况概率更高，试验成功率受到影响。为了解决这个问题，压缩感知模态检测方法是一个好的选择，可以参考本公众号的相关文章。

　　在目前的设计水平下，试验验证和迭代设计仍然是业界采用的主流方式，所以，针对航空发动机的各主要声源的试验测试技术仍然十分重要。为了满足设计需求，需要简化测试流程，提高测试精度和可靠性。单纯通过提升硬件条件有很多时候并不可行，无法达到目的。另一方面，提出创新的测试技术和测试方法，往往会达到事半功倍的效果。