航空聲學(xué)風(fēng)洞的聲學(xué)設(shè)計(jì)研究

李 鵬,湯更生,余永生,呂 波

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展,噪聲指標(biāo)在軍用或民用飛行器以及地面交通設(shè)備的性能參數(shù)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位,關(guān)于這些設(shè)備的噪聲性能以及相應(yīng)的噪聲控制技術(shù)也逐漸成為空氣動(dòng)力學(xué)研究中的重點(diǎn)內(nèi)容。與此對(duì)應(yīng),需要具有滿足噪聲性能測(cè)試要求的空氣動(dòng)力地面試驗(yàn)設(shè)備。國(guó)外自上世紀(jì)70年代開(kāi)始就建設(shè)大型聲學(xué)風(fēng)洞,或者通過(guò)在已有風(fēng)洞基礎(chǔ)上增建聲學(xué)試驗(yàn)段。在這些風(fēng)洞中進(jìn)行的直升機(jī)噪聲、槳扇噪聲和汽車車身內(nèi)外噪聲等試驗(yàn)研究都取得了重要結(jié)果。

聲學(xué)風(fēng)洞設(shè)計(jì)的基本原理、性能及特點(diǎn)已有許多論述[1-3],本文主要給出航空聲學(xué)風(fēng)洞聲學(xué)設(shè)計(jì)的基本要求、應(yīng)考慮的主要問(wèn)題、聲學(xué)設(shè)計(jì)的方法等。并就一些問(wèn)題做必要的補(bǔ)充和部分的定性定量分析,為大風(fēng)洞的研制提供科學(xué)有效的指導(dǎo)。

1 航空聲學(xué)風(fēng)洞聲學(xué)設(shè)計(jì)的基本要求

適合聲學(xué)測(cè)量的風(fēng)洞至少應(yīng)滿足兩個(gè)要求[3]：

(1)背景噪聲應(yīng)足夠低;

(2)洞體的輻射噪聲不能破壞聲源產(chǎn)生的聲場(chǎng)。

具體到適合直升機(jī)系統(tǒng)噪聲,包括旋翼寬帶噪聲測(cè)量的航空聲學(xué)風(fēng)洞,應(yīng)當(dāng)滿足以下4個(gè)方面的要求[4]：

(a)流場(chǎng)品質(zhì)：要滿足氣動(dòng)聲源機(jī)理的研究,風(fēng)洞流場(chǎng)應(yīng)均勻,湍流度要低于0.5%。

(b)試驗(yàn)段尺寸：由于旋翼噪聲產(chǎn)生的機(jī)理以及模型和全尺寸旋翼之間的縮尺比例關(guān)系不是很清楚,全尺寸結(jié)果對(duì)縮尺比例有一個(gè)最低要求,通過(guò)考慮雷諾數(shù)及已知的噪聲產(chǎn)生機(jī)理,這個(gè)比例最小為1/5,這樣,最小的旋翼模型直徑大約為2m。1/5比例旋翼模型要求風(fēng)洞試驗(yàn)段均勻流場(chǎng)寬度至少為4m,保證模型周圍有足夠的流場(chǎng)邊界。

(c)背景噪聲：風(fēng)洞內(nèi)存在著許多噪聲源,必須考慮每個(gè)噪聲源,應(yīng)使其在試驗(yàn)段及試驗(yàn)大廳中產(chǎn)生的噪聲滿足背景噪聲試驗(yàn)要求。一個(gè)良好的聲學(xué)測(cè)試環(huán)境,應(yīng)當(dāng)是旋翼噪聲源產(chǎn)生的噪聲比所關(guān)心的頻率背景噪聲至少低6dB?？梢詮谋尘霸肼曋刑崛≥^低的噪聲源聲信號(hào),但很費(fèi)時(shí),而且要事先了解噪聲源的特性。

(d)大型消聲室：麥克風(fēng)靠聲源太近的話,聲場(chǎng)不具有遠(yuǎn)場(chǎng)傳播特性,測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)有誤差。要避免這種情況,要求麥克風(fēng)到聲源的距離至少為一個(gè)聲波長(zhǎng)和兩倍聲源尺寸[5]。

對(duì)于風(fēng)洞的消聲室,必須將壁面進(jìn)行吸聲處理,以滿足遠(yuǎn)場(chǎng)聲測(cè)量條件,如果消聲室表面反射聲波,那么,聲測(cè)量的結(jié)果就包括了直達(dá)聲及各種反射聲,這樣會(huì)使得測(cè)量數(shù)據(jù)的分析變得很復(fù)雜。

消聲室的一個(gè)好處是在氣流外聲學(xué)測(cè)量點(diǎn)位置具有低的噪聲水平,在氣流外測(cè)量,不存在麥克風(fēng)的氣流誘導(dǎo)自噪聲及風(fēng)洞回路噪聲輻射到測(cè)量空間的指向性問(wèn)題。

2 航空聲學(xué)風(fēng)洞聲學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要問(wèn)題

對(duì)航空聲學(xué)風(fēng)洞聲學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)有以下幾個(gè)值得注意的問(wèn)題：

(1)聲源及傳播路徑的分析;

(2)消聲室吸聲處理形式的選擇;

(3)低噪聲風(fēng)扇設(shè)計(jì);

(4)收集器的聲學(xué)設(shè)計(jì);

(5)第一擴(kuò)散段聲學(xué)處理;

(6)聲學(xué)處理的吸聲材料與吸聲結(jié)構(gòu)。

2.1 聲源及傳播路徑的分析

要達(dá)到所需的風(fēng)洞試驗(yàn)段背景噪聲級(jí),必須仔細(xì)分析聲源及傳播路徑。不同的風(fēng)速情況下,風(fēng)洞試驗(yàn)段背景噪聲的主要噪聲源是不同的;在60m/s以下時(shí),風(fēng)洞試驗(yàn)段背景噪聲主要來(lái)自風(fēng)洞的上游所產(chǎn)生的噪聲(包括噴管產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲和風(fēng)洞回路傳遞的噪聲,比如風(fēng)扇傳遞的噪聲)。在60m/s以上時(shí),風(fēng)洞試驗(yàn)段背景噪聲主要來(lái)自風(fēng)洞的下游所產(chǎn)生的噪聲(包括收集器產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲和風(fēng)洞回路傳遞的噪聲,比如第一拐角傳遞的噪聲)。其中,噴管噪聲產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲位于噴管出口;收集器產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲位于收集器周邊[6]。

2.2 消聲室吸聲處理形式的選擇

消聲室吸聲處理形式的選擇取決于試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行什么樣的聲學(xué)研究。如果只是進(jìn)行聲學(xué)的一般性研究(如主觀評(píng)價(jià),聲源定位等),那么吸聲處理采用平板式或尖劈式吸收體均可,如果要進(jìn)行聲學(xué)的物理特性研究(如純音特性,邊界層轉(zhuǎn)捩,聲疲勞等),則只能選取尖劈式吸收體。平板式吸收體所形成的消聲室自由場(chǎng)誤差取決于激勵(lì)信號(hào)的帶寬,激勵(lì)信號(hào)的帶寬越寬,則誤差越小[7],如圖1所示[8]。

圖1 全消聲室自由場(chǎng)純音信號(hào)與寬帶信號(hào)測(cè)試性能差異Fig.1 Deviation in pure-tone and increasing bandwidth signals for the free-field performance in the full anechoic chamber

2.3 低噪聲風(fēng)扇設(shè)計(jì)

風(fēng)扇作為風(fēng)洞的主要噪聲源之一,其設(shè)計(jì)、制作的好壞直接影響風(fēng)洞試驗(yàn)段背景噪聲的高低。軸流風(fēng)扇低頻離散噪聲是風(fēng)扇動(dòng)葉片與定葉片的氣動(dòng)干擾產(chǎn)生的,降低該噪聲最有效的方法之一就是利用管路聲傳播的截止特性,即在周向具有某一特定頻率的聲模態(tài)頻率低于所謂的截止頻率,那么聲模態(tài)就無(wú)法傳播,并且很快衰減;截止頻率取決于聲模態(tài)頻率、聲模態(tài)旋轉(zhuǎn)速度、氣流軸向速度;聲模態(tài)頻率由動(dòng)葉片數(shù)和定葉片數(shù)確定。第二個(gè)降低這種噪聲的方法是采用后掠角的葉片[9]。

除離散噪聲外,風(fēng)扇還產(chǎn)生寬帶噪聲,它是由湍流,翼尖掃過(guò)壁面邊界層產(chǎn)生的,氣流相對(duì)于葉片的速度決定了寬帶噪聲的大小,因此風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能低。

2.3.1 動(dòng)葉片-定葉片的干擾噪聲[10]

離散噪聲及其諧音是軸流風(fēng)扇這類設(shè)備的典型噪音(即過(guò)葉片噪聲)。

動(dòng)葉片-定葉片干擾的壓力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度為：

N為葉片軸的旋轉(zhuǎn)速度;

B為葉片數(shù);

V為定子數(shù);

n和k為正整數(shù);

只有q＜5時(shí)噪聲能傳播。q若太小,噪聲會(huì)很大,因此設(shè)計(jì)時(shí)q應(yīng)該取大值。

q階模態(tài)壓力場(chǎng)產(chǎn)生的噪聲頻率為n階諧音頻率：

2.3.2 降低噪聲的措施[10]

選擇較大的q階模態(tài)數(shù)：B和V不能相等,且數(shù)值不能太近,選擇的B和V要較大且相差較大。

截止因子δ的選?。哼x取的B和V,應(yīng)滿足截止因子δ≤1.05,這樣基頻噪聲可以降低8dB。截止因子δ由下式確定;

式中：MTR為翼尖馬赫數(shù)。

加大葉片-定子的距離：葉片-定子的距離不小于1.5倍葉片弦長(zhǎng)(翼尖)。

以上的降噪措施是針對(duì)離散噪聲的;對(duì)于寬帶噪聲,可以在風(fēng)扇段上下游及中心體采用多孔的吸聲材料進(jìn)行降噪。

2.4 收集器的聲學(xué)設(shè)計(jì)

收集器的設(shè)計(jì)通常要結(jié)合噴管的設(shè)計(jì),以達(dá)到以下要求[11]：

(1)應(yīng)降低試驗(yàn)段的能量損失;

(2)不能產(chǎn)生大的自噪聲;

(3)能消除在洞體及駐室可能產(chǎn)生的共振; (4)試驗(yàn)段軸向有良好的靜壓梯度;

(5)能抑制駐室內(nèi)的二次流動(dòng),因?yàn)橐M(jìn)行氣流外的聲學(xué)測(cè)試。

由于氣流撞擊收集器表面或渦(或湍流)與收集器的相互干擾,收集器會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲。收集器的聲學(xué)處理,目前有兩種方法：

收集器表面僅貼附一層纖維棉氈材料,它是一種軟質(zhì)的像皮毛的材料,大約10mm長(zhǎng),如圖2所示[7]。

圖2 降低氣動(dòng)噪聲的纖維棉氈材料Fig.2 Pile-fabric material applied for reducing aerodynamic noise

收集器為框架結(jié)構(gòu),內(nèi)填吸聲材料,外蒙復(fù)合穿孔板(由碳纖維氈、金屬穿孔板及無(wú)紡布復(fù)合而成),如圖3所示[12]。

圖3 收集器形式Fig.3 Type of collector

2.5 第一擴(kuò)散段聲學(xué)處理

第一擴(kuò)散段進(jìn)行聲學(xué)處理的主要目的：

(1)降低試驗(yàn)段背景噪聲;

(2)第一擴(kuò)散段有一部分結(jié)構(gòu)是伸入消聲室的,由于第一擴(kuò)散段截面較大,需要保證消聲室截止頻率的實(shí)現(xiàn);

(3)盡管第一擴(kuò)散段截面較大,高頻噪聲難以被吸收,但在降低風(fēng)扇段及風(fēng)洞回路上傳的混響噪聲方面起了很大的作用。

第一擴(kuò)散段進(jìn)行聲學(xué)處理的材料通常較厚,聲學(xué)材料的表面同收集器表面處理一樣,外蒙復(fù)合穿孔板,防止氣流撞擊第一擴(kuò)散段的表面產(chǎn)生噪聲。

相關(guān)研究顯示[13]：在100～5000Hz范圍,試驗(yàn)段背景噪聲在140km/h時(shí),降低1.5～3dB,混響時(shí)間降低50%～70%。

2.6 聲學(xué)處理的吸聲材料與吸聲結(jié)構(gòu)

為了滿足聲學(xué)風(fēng)洞的聲學(xué)處理需要,比較國(guó)內(nèi)的聚氨酯泡沫塑料和離心玻璃棉粘,聚氨酯泡沫塑料較普遍的缺點(diǎn)是不防火,易燃燒并存在老化的問(wèn)題,根據(jù)一些建筑物使用情況,在不直接照射陽(yáng)光的室內(nèi)可用10年。工藝上對(duì)不同批生產(chǎn)的泡沫塑料的透氣性控制不能做到完全一致。離心玻璃棉氈具有體積小、熱導(dǎo)率低、不燃燒、耐腐蝕、防潮和吸聲系數(shù)高、鋪裝較均勻、在有氣流情況下纖維不易飛散等優(yōu)點(diǎn),其內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)已由粘結(jié)劑固定下來(lái),從而大大提高了聲學(xué)性能的穩(wěn)定性,能夠按照設(shè)計(jì)要求,達(dá)到預(yù)期的效果[14]。因此通常選擇用于聲學(xué)處理的吸聲材料為離心玻璃棉氈。

吸聲結(jié)構(gòu)通常是將吸聲材料直接填入鋼結(jié)構(gòu)框架內(nèi),表面有復(fù)合穿孔板(視情形可以不要碳纖維氈),靠近壁面的部分留有空氣層,以改善低頻吸聲特性。

3 航空聲學(xué)風(fēng)洞聲學(xué)設(shè)計(jì)的方法

3.1 風(fēng)扇噪聲級(jí)的確定

風(fēng)扇作為主要的噪聲源之一,其噪聲級(jí)預(yù)估的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到降噪措施的可靠性、風(fēng)洞的壓力損失及制造成本。風(fēng)扇噪聲級(jí)預(yù)估的方法很多,不同公司的風(fēng)扇,其預(yù)估噪聲級(jí)的計(jì)算方法是不一樣的,且這些計(jì)算得到的預(yù)估噪聲級(jí)相差也很大。在確定某個(gè)計(jì)算方法的時(shí)候,一是通過(guò)引導(dǎo)性試驗(yàn),二是通過(guò)相關(guān)的文獻(xiàn)資料,三是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定風(fēng)扇噪聲級(jí)預(yù)估的公式。通過(guò)引導(dǎo)性試驗(yàn)驗(yàn)證了公式[15](1)的有效性,其計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值相差不超過(guò)6dB。

Kw為比聲功率級(jí),dB;

Q為體積流率,ft3/min;

P為壓升,inH2O;

BPF為過(guò)葉片頻率增量。

3.2 噴管出口噪聲級(jí)的確定

航空聲學(xué)風(fēng)洞在設(shè)計(jì)時(shí),需要預(yù)估一個(gè)最低的噪聲限值,這個(gè)噪聲限值是在沒(méi)有風(fēng)扇、收集器、換熱器等各種風(fēng)洞部件的情況下得到的,即只有自由射流的情況?？偟膩?lái)說(shuō),在風(fēng)速不高時(shí),噴管出口噪聲(所謂的唇音)由偶極子噪聲決定,即噴管出口噪聲級(jí)與氣流速度U6成正比。出口噪聲聲功率級(jí)由公式[11](2)確定。

AN為噴口面積,m2;

Ma為氣流馬赫數(shù)。

出口噪聲聲壓級(jí)由公式(3)確定：

r為測(cè)點(diǎn)距風(fēng)洞軸線的垂直距離,m;

L為測(cè)點(diǎn)距風(fēng)洞噴口出口的軸向距離,m。

引導(dǎo)風(fēng)洞噴管出口氣動(dòng)噪聲理論值和實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖4,理論值與實(shí)測(cè)值吻合得很好。

3.3 試驗(yàn)段背景噪聲A聲級(jí)的確定

風(fēng)洞進(jìn)行聲學(xué)處理后,試驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)位置的背景噪聲A聲級(jí)是需要預(yù)估的,這個(gè)預(yù)估值,主要取決于風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)形式、聲學(xué)處理方法、測(cè)點(diǎn)位置等因素。

通過(guò)引導(dǎo)風(fēng)洞試驗(yàn),獲得在測(cè)點(diǎn)處的A聲級(jí)計(jì)算公式：

U為噴口出口氣流速度,km/h;

r'為測(cè)點(diǎn)距風(fēng)洞軸線的垂直參考距離,m。

引導(dǎo)風(fēng)洞試驗(yàn)段背景噪聲 A聲級(jí)理論值和實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖5,理論值與實(shí)測(cè)值吻合得很好。

圖4 噴管出口氣動(dòng)噪聲理論值和實(shí)測(cè)值Fig.4 Measured and estimated aerodynamic noise value of the nozzle

圖5 測(cè)點(diǎn)噪聲A聲級(jí)與速度的關(guān)系Fig.5 Relationship between background noise A level and wind speed

3.4 風(fēng)洞回路沿程降噪措施降噪性能的預(yù)估

風(fēng)洞回路沿程降噪措施降噪性能預(yù)估所采用的方法同常規(guī)的片式消聲器降噪性能的預(yù)估方法相似。要注意的是,風(fēng)洞回路沿程降噪措施應(yīng)避免大的壓力損失,流場(chǎng)的性能破壞,特別是風(fēng)洞拐角導(dǎo)流片的長(zhǎng)度、厚度、間距的確定需要與拐角導(dǎo)流片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)相結(jié)合,在保證拐角導(dǎo)流片降噪性能的同時(shí),避免拐角導(dǎo)流片產(chǎn)生大的自噪聲以及拐角導(dǎo)流片的波導(dǎo)效應(yīng)(這會(huì)使聲波通過(guò)片式消聲器和風(fēng)洞壁)。

4 聲學(xué)風(fēng)洞設(shè)計(jì)實(shí)例

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心于2006年開(kāi)始設(shè)計(jì)了一座0.55m×0.4m聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞,如圖6所示。

圖6 0.55m×0.4m聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞輪廓圖Fig.6 0.55m×0.4m aeroacoustic pilot wind tunnel lay-out

總體降噪思路是將風(fēng)扇段產(chǎn)生的噪聲通過(guò)風(fēng)扇段及試驗(yàn)段前后兩端的回路進(jìn)行降噪處理,同時(shí)消除回路自身產(chǎn)生的噪聲;噴口產(chǎn)生的噪聲通過(guò)噴口、收集器及消聲室組合進(jìn)行降噪處理。具體措施是：風(fēng)扇段中心體表面及殼體貼附吸聲材料、4個(gè)導(dǎo)流片表面貼附吸聲材料、第二擴(kuò)散段內(nèi)布置十字消聲板、第一回流段洞壁上貼附吸聲材料、第二回流段布置片式消聲器、噴口內(nèi)外表面、收集器內(nèi)外表面及第一擴(kuò)散段內(nèi)外表面貼附吸聲材料、消聲室的設(shè)計(jì)。

已經(jīng)完成引導(dǎo)風(fēng)洞噪聲測(cè)試。得到了在開(kāi)口試驗(yàn)段風(fēng)速80m/s時(shí),氣流外 2m測(cè)點(diǎn)處背景噪聲76.5dB(A)的結(jié)果,如圖7所示。

圖7 氣流外背景噪聲譜(80m/s)Fig.7 Frequency spectrum of out-of-flow background noise(at 80m/s)

5 結(jié) 論

在吸收國(guó)內(nèi)外已有聲學(xué)風(fēng)洞研制、使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,闡述了航空聲學(xué)風(fēng)洞聲學(xué)設(shè)計(jì)的基本要求、應(yīng)考慮的主要問(wèn)題,提出了航空聲學(xué)風(fēng)洞聲學(xué)設(shè)計(jì)的方法等,并將這些研究成果應(yīng)用于引導(dǎo)風(fēng)洞研制中,達(dá)到了引導(dǎo)風(fēng)洞的噪聲設(shè)計(jì)指標(biāo)。將能夠?yàn)槲覈?guó)大風(fēng)洞的研制提供科學(xué)有效的指導(dǎo)。

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