靜態(tài)無(wú)人機(jī)電機(jī)旋翼噪聲分析及試驗(yàn)*

夏 天，郭少杰

(1.天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350； 2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引 言

伴隨科技發(fā)展，越來(lái)越多的無(wú)人機(jī)正進(jìn)入人們的視野。從亞馬遜利用大型多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行社區(qū)快遞運(yùn)送，到全國(guó)成百上千的無(wú)人機(jī)愛(ài)好者協(xié)會(huì)，無(wú)人機(jī)正逐漸影響到社區(qū)的每一個(gè)人[1]。而無(wú)人機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速高，發(fā)出尖哨的噪聲，會(huì)對(duì)噪聲受體造成一定程度的影響。目前主流的無(wú)人機(jī)制造廠商已經(jīng)意識(shí)到測(cè)試和降低無(wú)人機(jī)噪聲的重要性，大疆創(chuàng)新公司利用多重構(gòu)槳葉造型、采用靜音馬達(dá)等等技術(shù)降低旋翼噪聲[2]。而實(shí)際上，對(duì)于無(wú)人機(jī)噪聲的測(cè)試方法目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有明確文獻(xiàn)有說(shuō)明。為此，筆者參考了國(guó)際民航組織的環(huán)境技術(shù)手冊(cè)第一卷：航空器噪聲合格審定程序[3]以及SAE-ARP1846文件[4]，以及國(guó)內(nèi)的中國(guó)民用航空規(guī)章第36部[5-6]，進(jìn)行多旋翼無(wú)人機(jī)在靜態(tài)下的，不同測(cè)試條件下的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)并計(jì)算出等效連續(xù)聲壓級(jí)，根據(jù)測(cè)試分析多旋翼無(wú)人機(jī)可進(jìn)行的噪聲優(yōu)化方案。

1 微小型多旋翼無(wú)人機(jī)噪聲

微小型多旋翼無(wú)人機(jī)噪聲主要來(lái)源于旋翼噪聲和電機(jī)噪聲。本研究所采用的電機(jī)為最常見(jiàn)的旋翼無(wú)人機(jī)所搭載的外轉(zhuǎn)電機(jī)，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)出嘯叫聲。某些旋翼無(wú)人機(jī)還利用電機(jī)通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋翼，齒輪機(jī)構(gòu)還會(huì)因?yàn)楦咚賴Ш习l(fā)出較為“尖哨”的傳動(dòng)聲音[7]。另外，微小型多旋翼無(wú)人機(jī)因其尺寸小，軸間距小，旋翼直徑較小，因此轉(zhuǎn)速會(huì)更高，因?yàn)槿~尖產(chǎn)生的激振頻率也越高。

2 旋翼電機(jī)組件噪聲測(cè)試

2.1 噪聲數(shù)據(jù)記錄方法

2.1.1 A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)

A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)是人類能聽(tīng)到聲音頻率的標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)。由于人類對(duì)于聲音的敏感程度隨聲音頻率的改變而改變，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)其加權(quán)頻率覆蓋了20-20000 Hz的人類聽(tīng)覺(jué)頻率范圍，更接近人類聽(tīng)覺(jué)的特性曲線，在人類聲學(xué)測(cè)量范圍內(nèi)利用非常廣泛，所以筆者在測(cè)試時(shí)記錄A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)以進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

2.1.2 等效連續(xù)聲壓級(jí)[8]

多旋翼無(wú)人機(jī)的電機(jī)旋翼機(jī)構(gòu)可穩(wěn)定工作于某一功率下，但飛控系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境條件隨時(shí)調(diào)整某個(gè)電機(jī)的功率，可能導(dǎo)致噪聲有細(xì)微的變化，為了考慮這種變化，在計(jì)算過(guò)程中利用連續(xù)等效聲壓級(jí)的影響，并且考慮到數(shù)據(jù)的可靠性，每種工況進(jìn)行6組試驗(yàn)，并進(jìn)行方差估算，若數(shù)據(jù)在95%置信區(qū)間內(nèi)，認(rèn)為數(shù)據(jù)為可靠的。等效連續(xù)聲壓級(jí)的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：LPA是某一時(shí)刻的瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，T是測(cè)量時(shí)間。若數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，利用如下公式進(jìn)行快速計(jì)算：

(2)

d=L10-L90

(3)

式中：L10，L50，L90為累計(jì)百分聲級(jí)，分別為測(cè)定時(shí)見(jiàn)內(nèi)10%，50%，90%的時(shí)間超過(guò)的噪聲級(jí)。

2.1.3 快速傅立葉分析(FFT)[9]

快速傅里葉變換(FFT)是離散傅里葉變換(DFT)的一種快速算法。利用SPECTRUM軟件，實(shí)時(shí)分析電機(jī)旋翼的FFT圖形，以此分析無(wú)人機(jī)電機(jī)旋翼組件在不同構(gòu)型和轉(zhuǎn)速下的頻率特性。

2.1.4 噪聲數(shù)據(jù)的有效性

每種測(cè)試條件進(jìn)行六組數(shù)據(jù)分析，若數(shù)據(jù)在95%置信區(qū)間內(nèi)，認(rèn)為測(cè)得噪聲數(shù)據(jù)有效。另外，所有測(cè)得的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)要高于環(huán)境A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)10 dB(A)以上，認(rèn)為電機(jī)旋翼噪聲沒(méi)有收到環(huán)境噪聲的干擾。數(shù)據(jù)有效測(cè)試時(shí)間為50 s，每0.5 s采樣一次A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，每次測(cè)試采樣100個(gè)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)數(shù)據(jù)。

2.2 電機(jī)旋翼噪聲測(cè)試方法

電機(jī)選用旋翼無(wú)人機(jī)最常用的XXD2212-1400 kV型無(wú)刷電機(jī)，最大轉(zhuǎn)速11800 r/min，搭載8045型螺旋槳(槳葉長(zhǎng)度20.32 cm，8inch)，該單電機(jī)旋翼組件能實(shí)現(xiàn)最大推力7 N。電機(jī)旋翼安裝為其旋轉(zhuǎn)軸線垂直于地面，旋翼頂部距地面高度為1.5 m，用于采集聲音的麥克風(fēng)頭部正對(duì)上方，切忌偏于電機(jī)旋翼方向。并且麥克風(fēng)頭部與電機(jī)旋翼在同一水平面上，距離多旋翼無(wú)人機(jī)中心距離4 m。如圖1所示，為所選用的兩組電機(jī)旋翼組件。

圖1 測(cè)試用電機(jī)旋翼組件

分別計(jì)算單一電機(jī)旋翼在3種不同轉(zhuǎn)速下的等效連續(xù)聲壓級(jí)(每次6組)，以及不同轉(zhuǎn)速下的FFT分析。在增加一組電機(jī)旋翼組件，讓其者在60%轉(zhuǎn)速下，分別記錄多組旋翼電機(jī)空轉(zhuǎn)以及加上螺旋槳后的FFT分析。

2.3 電機(jī)旋翼噪聲數(shù)據(jù)

20%轉(zhuǎn)速條件下測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算LAeq,T過(guò)程，見(jiàn)表1所列。20%轉(zhuǎn)速條件下的FFT噪聲頻譜如圖2。

表1 20%轉(zhuǎn)速條件下測(cè)試數(shù)據(jù)及LAeq,T

圖2 20%轉(zhuǎn)速條件下的FFT噪聲頻譜

60%轉(zhuǎn)速條件下測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算LAeq,T過(guò)程，見(jiàn)表2所列。60%轉(zhuǎn)速條件下的FFT噪聲頻譜如圖3。

圖3 60%轉(zhuǎn)速條件下的FFT噪聲頻譜

表2 20%轉(zhuǎn)速條件下測(cè)試數(shù)據(jù)及LAeq,T

最大功率轉(zhuǎn)速條件下測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算LAeq,T過(guò)程，見(jiàn)表3所列。最大功率轉(zhuǎn)速條件下的FFT噪聲頻譜如圖4。

表3 轉(zhuǎn)速條件下測(cè)試數(shù)據(jù)及LAeq,T

圖4 最大功率轉(zhuǎn)速條件下的FFT噪聲頻譜

60%轉(zhuǎn)速下，增加一組相同的電機(jī)旋翼組件，需要注意的是兩組電機(jī)組件的旋翼分別為正槳和反槳，以模擬真正多旋翼無(wú)人機(jī)的槳葉布置。通過(guò)改變布置形式，獲得的FFT分析如下：

(1) 單電機(jī)無(wú)旋翼的電機(jī)噪聲FFT圖像如圖5所示。

圖5 60%轉(zhuǎn)速條件下單電機(jī)無(wú)旋翼的電機(jī)噪聲FFT圖像

(2) 單電機(jī)加旋翼的電機(jī)旋翼組件噪聲如本文中圖3所示。

(3) 兩組電機(jī)(不帶旋翼)軸距相距33 cm，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，得出的FFT分析如圖6所示。

圖6 60%轉(zhuǎn)速條件下雙電機(jī)無(wú)旋翼的電機(jī)噪聲FFT圖像

(4) 將兩組電機(jī)旋翼組件軸距調(diào)整為33 cm，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，得出的FFT分析如圖7所示。

圖7 60%轉(zhuǎn)速條件下雙電機(jī)帶槳葉的噪聲FFT圖像

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)有效性

三組單電機(jī)旋翼機(jī)組噪聲數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)置信區(qū)間計(jì)算，所計(jì)算的50 s累計(jì)聲壓級(jí)均在置信區(qū)間內(nèi)，且數(shù)據(jù)均超出環(huán)境聲壓級(jí)10 dB(A)以上，認(rèn)為數(shù)據(jù)是有效的。60%轉(zhuǎn)速下，單裸電機(jī)、雙裸電機(jī)和電機(jī)旋翼組件的噪聲測(cè)試也符合上述條件。

3.2 轉(zhuǎn)速對(duì)于電機(jī)旋翼組件的影響

在60%轉(zhuǎn)速以下，轉(zhuǎn)速的提升對(duì)于累計(jì)聲壓級(jí)大小的影響并不明顯，主要影響了峰值頻率的大??；在60%轉(zhuǎn)速以上，轉(zhuǎn)速的提升對(duì)于連續(xù)等效聲壓級(jí)影響較大，峰值頻率也會(huì)提升。

特別是60%轉(zhuǎn)速條件下，出現(xiàn)了256 Hz的共振頻率，因此在該轉(zhuǎn)速下，需要特別注意避開(kāi)共振頻率。

3.3 電機(jī)和旋翼的噪聲比值分析

從電機(jī)(不帶旋翼)本身的FFT分析情況，結(jié)合帶旋翼的FFT分析，可以明顯看出帶旋翼后整個(gè)中高頻率范圍聲音波動(dòng)幅度較大，可以分析可能造成該問(wèn)題的主要原因是旋翼本身在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所引起的富裕振動(dòng)造成。

4 結(jié) 論

此次靜態(tài)旋翼噪聲測(cè)試受測(cè)試條件限制，沒(méi)有在室內(nèi)消音環(huán)境下進(jìn)行，在空曠室外進(jìn)行，對(duì)于研究數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)可能會(huì)有相對(duì)誤差，但同時(shí)也反映了真實(shí)的室外氣動(dòng)環(huán)境測(cè)試。選擇試驗(yàn)的環(huán)境條件滿足《中國(guó)民用航空規(guī)章第36部航空器型號(hào)和適航合格審定噪聲規(guī)定》中有關(guān)旋翼類飛機(jī)噪聲測(cè)試的環(huán)境要求。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，槳葉旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的氣動(dòng)噪聲會(huì)使得聲音變得更加“嘈雜”，槳葉的靜音設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)顯得尤為重要。由于轉(zhuǎn)速對(duì)于電機(jī)旋翼組件的影響在高轉(zhuǎn)速時(shí)影響效果較為明顯，因而旋翼無(wú)人機(jī)在起飛時(shí)的噪聲控制顯得尤為重要。并且應(yīng)該在將槳葉的共振頻率與無(wú)人機(jī)巡航時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速下的最高頻率岔開(kāi)。在進(jìn)行旋翼無(wú)人機(jī)載重飛行時(shí)，盡可能讓旋翼電機(jī)中等偏上轉(zhuǎn)速以下工作，這樣引起的噪聲變化較小，利于消聲的同時(shí)，對(duì)于環(huán)境會(huì)更加友好。