雙螺旋漿干涉降噪試驗(yàn)研究

王龍，燕群，薛東文，衛(wèi)凱

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

螺旋槳是飛機(jī)最早的動(dòng)力裝置，由于螺旋槳具有 低耗油率、高飛行效率的優(yōu)點(diǎn)，因此，到現(xiàn)在它仍是最主要的軍、民用飛機(jī)動(dòng)力裝置之一[1-3]，但同時(shí)也并存有較嚴(yán)重的噪聲問(wèn)題。目前，降低螺旋槳噪聲主要有三種途徑：綜合考慮螺旋槳?dú)鈩?dòng)、噪聲性能的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)[4-5]；機(jī)體艙壁結(jié)構(gòu)采用被動(dòng)隔聲、吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6-7]；采用同頻、等幅、反相的二次聲源進(jìn)行聲波相消的主動(dòng)噪聲控制方法[8-10]。這幾種方法各有其局限性：螺旋槳的氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法需要在保證螺旋槳?dú)鈩?dòng)性能、槳葉強(qiáng)度的前提下降低噪聲，目前的研究多圍繞槳葉的旋轉(zhuǎn)噪聲預(yù)測(cè)展開(kāi)，且優(yōu)化后的槳葉降噪量有限；被動(dòng)隔聲技術(shù)多采用隔層板、具有吸聲材料的機(jī)體壁板，增加了機(jī)體質(zhì)量，同時(shí)隔聲技術(shù)僅對(duì)高頻噪聲有較好的效果，而螺旋槳噪聲主要包含其旋轉(zhuǎn)基頻噪聲及各次諧波頻率，隔聲、吸聲方法對(duì)降低螺旋槳的基頻噪聲收效甚微；主動(dòng)噪聲控制方法能有效降低飛機(jī)艙內(nèi)的噪聲，但需要在機(jī)體安裝額外的揚(yáng)聲器、控制器，各種設(shè)備復(fù)雜，給飛機(jī)帶來(lái)了較大的質(zhì)量附加，且有可能增加機(jī)體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)[11]。

對(duì)于渦槳飛機(jī)，其各個(gè)螺旋槳都是單獨(dú)噪聲源，機(jī)體結(jié)構(gòu)在多螺旋槳噪聲源同時(shí)作用下，各噪聲幅值會(huì)相互抵消或疊加加強(qiáng)。若通過(guò)控制螺旋槳運(yùn)行狀態(tài)，控制螺旋槳噪聲在指定范圍內(nèi)互相抵消，不僅能達(dá)到降噪的目的，而且不會(huì)對(duì)機(jī)體帶來(lái)額外的附加質(zhì)量，無(wú)需改變機(jī)體現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，極具研究?jī)r(jià)值。文獻(xiàn)[12]通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)化的試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯苛寺菪龢辔徊畈煌瑫r(shí)，聲壓級(jí)的分布規(guī)律，從而給出一種通過(guò)控制槳葉相位差實(shí)現(xiàn)降噪的方法。文獻(xiàn)[13]研究了以降低給定區(qū)域噪聲為目標(biāo)的槳葉相位差優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[14]通過(guò)給出一種改進(jìn)的噪聲向量模型，研究了四組螺旋槳相位差優(yōu)化，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果。文中以雙螺旋槳飛機(jī)的布局結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，搭建模擬螺旋槳、機(jī)體結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)試驗(yàn)研究雙螺旋槳同時(shí)運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)螺旋槳聲源在干涉狀態(tài)下對(duì)機(jī)體表面噪聲分布的影響，以及雙槳噪聲對(duì)消狀態(tài)下機(jī)體的降噪?yún)^(qū)域，為后續(xù)的雙槳對(duì)消降噪技術(shù)提供研究基礎(chǔ)。

1 雙槳干涉降噪原理

螺旋槳發(fā)出的噪聲主要為旋轉(zhuǎn)噪聲和寬頻噪聲兩部分：旋轉(zhuǎn)噪聲是螺旋槳與周期性來(lái)流相互作用產(chǎn)生的，寬頻噪聲則是葉片與周圍流場(chǎng)的隨機(jī)脈動(dòng)相互作用產(chǎn)生的。與寬頻噪聲相比，旋轉(zhuǎn)噪聲是螺旋槳的主要聲源，旋轉(zhuǎn)噪聲頻率是槳葉的通過(guò)頻率及其各次諧波。若螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度為ω，葉片數(shù)為B，則槳葉的通過(guò)頻率為ωB/2π。

當(dāng)兩副螺旋槳在機(jī)體兩側(cè)對(duì)稱布置時(shí)，在螺旋槳噪聲輻射范圍內(nèi)，可用簡(jiǎn)化的向量P1表示點(diǎn)O 處的噪聲，如圖1 所示。左側(cè)螺旋槳產(chǎn)生的噪聲向量，可表示為：

右側(cè)螺旋槳產(chǎn)生的噪聲向量為P2，可表示為：

式中：P1,i為左側(cè)螺旋槳在O 點(diǎn)處噪聲的i 次諧波；A1,i為其幅值；t 為時(shí)間變量；P2,i為右側(cè)螺旋槳在O 點(diǎn)處噪聲的i 次諧波；A2,i為其幅值；b1,i與b2,i是與兩側(cè)螺旋槳槳葉相位角、O 點(diǎn)空間位置相關(guān)的不變量。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)

雙槳同時(shí)作用下，O 點(diǎn)處的噪聲總向量為Pm，Pm為P1與P2的向量和。兩側(cè)螺旋槳同向、同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，P1、P2的i 次諧波頻率同為iωB/2π，則Pm的各次諧波頻率亦為iωB/2π，Pm的各次諧波向量為P1、P2的i 次諧波向量矢量和，可表示為：

式中：Pm,i為O 點(diǎn)處總噪聲的i 次諧波；Am,i為其幅值；θi是P1,i與P2,i兩個(gè)i 次諧波的相位差。

此時(shí)，O 點(diǎn)處的聲壓級(jí)為：

由式（5）可知，O 點(diǎn)處的聲壓級(jí)與噪聲向量幅值成對(duì)數(shù)關(guān)系，噪聲向量幅值越小，聲壓級(jí)越小。

兩側(cè)螺旋槳同向、同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其在O 點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的噪聲向量P1,i與P2,i的頻率相等，則P1與P2的i 次諧波相位差θi為（b1,i-b2,i），θi與O 點(diǎn)的空間坐標(biāo)以及兩側(cè)螺旋槳的槳葉角差值有關(guān)，A1、A2與O點(diǎn)的空間坐標(biāo)相關(guān)。因此，兩側(cè)螺旋槳以一恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，兩側(cè)螺旋槳槳葉相位差不會(huì)發(fā)生變化，噪聲輻射空間內(nèi)各點(diǎn)處的聲壓級(jí)僅與其空間坐標(biāo)相關(guān)。在不同觀測(cè)位置，由于雙槳產(chǎn)生的噪聲向量相位差不同，雙槳干涉降噪效果也不同。

2 試驗(yàn)

文中采用試驗(yàn)測(cè)量的方法，對(duì)雙槳干涉降噪狀態(tài)下不同位置的降噪效果進(jìn)行研究。

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

搭建試驗(yàn)平臺(tái)的目的是盡量模擬螺旋槳與機(jī)體結(jié)構(gòu)布局，通過(guò)控制機(jī)體兩側(cè)螺旋槳的運(yùn)行狀態(tài)，使兩側(cè)槳葉產(chǎn)生的聲波發(fā)生破壞性干涉，從而降低機(jī)體表面一定區(qū)域內(nèi)的噪聲。

搭建的試驗(yàn)平臺(tái)如圖2 所示，以圓形框段作為機(jī)體假件，在機(jī)體假件兩側(cè)對(duì)稱位置布置兩臺(tái)螺旋槳試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)。機(jī)身模擬件直徑為1260 mm，測(cè)試螺旋槳為JXF3295PRO，旋轉(zhuǎn)直徑為820 mm，機(jī)身模擬段外側(cè)與螺旋槳中心距離為820 mm。兩側(cè)螺旋槳位置對(duì)稱，同向旋轉(zhuǎn)。為保證噪聲測(cè)量準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)行。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)

2.2 噪聲測(cè)點(diǎn)布置

在機(jī)體假件與螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面相交橫截面布置5個(gè)傳聲器，進(jìn)行機(jī)身表面噪聲的測(cè)量，如圖3 所示。分別在單側(cè)螺旋槳單獨(dú)運(yùn)行狀態(tài)與雙側(cè)螺旋槳同時(shí)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行機(jī)體假件表面噪聲測(cè)量，以研究雙槳同時(shí)運(yùn)行時(shí)，對(duì)機(jī)體表面噪聲的影響。

圖3 測(cè)點(diǎn)分布

3 結(jié)果及分析

3.1 單側(cè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)

由于各點(diǎn)的聲壓級(jí)與其距聲源位置的距離直接相關(guān)。按試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置，1#、2#測(cè)點(diǎn)與4#、5#測(cè)點(diǎn)關(guān)于機(jī)體假件中心對(duì)稱。當(dāng)左側(cè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，按各測(cè)點(diǎn)的空間位置變化，1#—5#測(cè)點(diǎn)與聲源位置的距離逐漸增加，各測(cè)點(diǎn)噪聲幅值則逐漸下降，各點(diǎn)的聲壓級(jí)也逐漸降低。當(dāng)右側(cè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，1#—5#測(cè)點(diǎn)與聲源位置的距離逐漸減小，各測(cè)點(diǎn)噪聲幅值則逐漸上升，各點(diǎn)的聲壓級(jí)也逐漸增大。在左側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速為1650 r/min 時(shí)，進(jìn)行機(jī)體假件表面噪聲測(cè)量，各測(cè)點(diǎn)的頻譜如圖4 所示。

從圖4 數(shù)據(jù)可知，1#—5#測(cè)點(diǎn)的基頻噪聲幅值分別為88.1、77.5、67.8、58.6、55.4 dB，呈逐漸下降的趨勢(shì)，各點(diǎn)處聲壓級(jí)也逐漸降低。在右側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速為1650 r/min 時(shí)，進(jìn)行機(jī)體假件表面噪聲測(cè)量，各測(cè)點(diǎn)的頻譜如圖5 所示。

從圖5 數(shù)據(jù)可知，1#—5#測(cè)點(diǎn)的基頻噪聲幅值分別為59.1、60.6、68.1、74.7、80.5 dB，呈逐漸上升的趨勢(shì)，各點(diǎn)處聲壓級(jí)也逐漸增加。從圖4、圖5 中各測(cè)點(diǎn)的頻譜圖看，各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)最大的頻率均為55 Hz，該頻率為雙葉片螺旋槳的通過(guò)噪聲基頻，與其理論值55 Hz 相符。各測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)出葉片通過(guò)噪聲基頻的倍頻特性，峰值頻率主要集中在通過(guò)噪聲基頻及其諧波上，且隨著諧波階次提高，其對(duì)應(yīng)聲壓級(jí)降低。

3.2 兩側(cè)螺旋槳同時(shí)旋轉(zhuǎn)

在兩側(cè)螺旋槳同時(shí)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1650 r/min 時(shí)，進(jìn)行機(jī)體假件表面噪聲測(cè)量，各測(cè)點(diǎn)的頻譜如圖6 所示。兩側(cè)螺旋槳均處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，在機(jī)體假件表面測(cè)點(diǎn)處，兩側(cè)螺旋槳產(chǎn)生噪聲發(fā)生干涉疊加，使各測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)發(fā)生變化。由圖6 可以看出，由于兩側(cè)轉(zhuǎn)速均為1650 r/min，各測(cè)點(diǎn)測(cè)得聲壓級(jí)最大的頻率均為55 Hz，與葉片通過(guò)噪聲基頻一致。同時(shí)，兩側(cè)螺旋槳同時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)，各測(cè)點(diǎn)亦均表現(xiàn)出明顯的倍頻特性。

雙槳同時(shí)運(yùn)行時(shí)，機(jī)體假件兩側(cè)表面聲壓級(jí)分別受左、右兩側(cè)兩個(gè)螺旋槳聲源的影響。為對(duì)比雙槳干涉狀態(tài)下，機(jī)體假件表面聲壓級(jí)的變化，取左側(cè)單獨(dú)旋轉(zhuǎn)時(shí)1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)與雙槳同時(shí)運(yùn)行工況進(jìn)行對(duì)比，取右側(cè)單獨(dú)旋轉(zhuǎn)時(shí)3#、4#、54#測(cè)點(diǎn)與雙槳同時(shí)運(yùn)行工況進(jìn)行對(duì)比。具體對(duì)比數(shù)值見(jiàn)表1。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，雙槳噪聲干涉狀態(tài)下，機(jī)體假件頂端3#測(cè)點(diǎn)基頻幅值略有增加。對(duì)比左側(cè)單臺(tái)工況，幅值增加0.59 dB；對(duì)比右側(cè)單臺(tái)工況，幅值增加0.29 dB。雙槳臺(tái)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，機(jī)體假件側(cè)面測(cè)點(diǎn)基頻幅值均有所下降，1#、2#、4#、5#點(diǎn)基頻幅值分別下降0.68、1.47、1.84、1.58 dB。

4 結(jié)論

圖4 左側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速為1650 r/min 時(shí)各點(diǎn)的基頻噪聲幅值

圖5 右側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速1650 r/min 時(shí)各點(diǎn)的基頻噪聲幅值

圖6 兩側(cè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)速1650 r/min 時(shí)各點(diǎn)的基頻噪聲幅值

表1 雙臺(tái)同轉(zhuǎn)與單臺(tái)運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)單側(cè)螺旋槳與雙側(cè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)體假件表面噪聲進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)雙側(cè)螺旋槳同時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于雙槳聲源聲波干涉，與單側(cè)螺旋槳單獨(dú)旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)比，機(jī)體表面靠近螺旋槳旋轉(zhuǎn)中心區(qū)域及側(cè)上方區(qū)域聲壓級(jí)有所降低，機(jī)體頂部區(qū)域聲壓級(jí)略有增加。綜上所述，通過(guò)控制雙槳運(yùn)行狀態(tài)能達(dá)到機(jī)體降噪的目的。