航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲近場(chǎng)測(cè)試研究

杜 軍，文 璧，徐仁偉

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 綿陽(yáng) 621010)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是飛機(jī)最主要的噪聲源[1]。對(duì)于民用飛機(jī)的大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇噪聲是其主要聲源，將影響民用飛機(jī)的舒適性及適航性。而對(duì)于軍用飛機(jī)的小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，噴流噪聲是其最主要的噪聲源，直接與發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性、隱身性及飛行安全息息相關(guān)。特別是對(duì)于艦載飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其噴流噪聲還直接關(guān)系到航母甲板上工作人員的健康[2]，以及會(huì)引發(fā)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和艦上各種設(shè)備的聲疲勞，造成戰(zhàn)斗力下降。因此，進(jìn)行噴流噪聲研究，降低噴流噪聲，對(duì)于軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)是必要的，也是必需的。

美國(guó)軍方很早就考慮到噴流噪聲對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。早在1985 年，美軍標(biāo)MIL-E-87231《渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)軍用規(guī)范》就將噪聲作為發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要設(shè)計(jì)原則[3]。此后，美國(guó)軍方對(duì)其多種高性能戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行了噪聲測(cè)試研究[4]，以支持其噴流噪聲的降噪改進(jìn)設(shè)計(jì)。其中，最典型的就是美國(guó)海軍的航母艦載機(jī)F/A-18E/F，針對(duì)該機(jī)裝配的兩臺(tái)F404 發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的噴流噪聲計(jì)算設(shè)計(jì)、測(cè)試，對(duì)噴流降噪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)，研究出了獨(dú)特的鋸齒型噴口[5]、擴(kuò)張密封片及內(nèi)嵌射流等多種降噪技術(shù)，取得了明顯的降噪效果。此外，國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)(如NASA、GE 公司)及大學(xué)，應(yīng)用傳聲器陣列進(jìn)行了噴流噪聲源定位測(cè)試研究[6-8]，驗(yàn)證了傳聲器陣列技術(shù)在噴流噪聲源定位中的可行性。美國(guó)空軍還對(duì)F-22 戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行了噴流噪聲測(cè)試研究[9]，為噴流降噪設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)支撐。國(guó)內(nèi)在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，由于舒適性及適航性的原因，進(jìn)行了一定程度的噪聲問(wèn)題研究，但對(duì)于軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲問(wèn)題關(guān)注度不夠。雖然《航空渦輪噴氣和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》[10]及《航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性指南》[11]，均明確指出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲問(wèn)題，但工程上對(duì)其的研究很少，對(duì)占比最重要的噴流噪聲的研究更是少見(jiàn)。北京航空航天大學(xué)對(duì)噴流噪聲進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究，得到了一些噴流降噪的方法，但只是停留在基礎(chǔ)研究上[12-13]。徐悅等[14]針對(duì)艦載機(jī)噴流噪聲研究的重要性及相關(guān)降噪技術(shù)進(jìn)行了闡述說(shuō)明。

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲研究的不足，利用某型小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)戶外露天靜態(tài)地面試驗(yàn)開(kāi)展了噴流噪聲的近場(chǎng)測(cè)試研究，獲得了噴流噪聲的近場(chǎng)特性，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲研究奠定了一定的工程技術(shù)基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)測(cè)試方案

2.1 試驗(yàn)環(huán)境及內(nèi)容

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噴流噪聲測(cè)試，需要在特定的測(cè)試環(huán)境(只有直達(dá)聲，沒(méi)有反射聲，一般是大型全消聲室或戶外露天試車臺(tái))中進(jìn)行。本文借助某型小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)戶外露天靜態(tài)地面試驗(yàn)，進(jìn)行噴流噪聲近場(chǎng)測(cè)試。為了提高噴流噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)的純潔度，需減少發(fā)動(dòng)機(jī)其他部件噪聲的影響，為此在發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管處安裝了遮擋板(圖1)，進(jìn)行一定的隔音處理。試驗(yàn)主要完成了發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速=85%，87%，88%，90%，93%，94%等狀態(tài)下的噴流噪聲測(cè)試內(nèi)容。

圖1 遮擋板位置Fig.1 The location of the shield

2.2 測(cè)試方案

噴流噪聲測(cè)試采用在地面布置麥克風(fēng)的形式進(jìn)行。麥克風(fēng)倒置安裝在專門設(shè)計(jì)的麥克風(fēng)安裝座上，如圖2 所示。根據(jù)小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，測(cè)試傳聲器選擇高聲壓級(jí)預(yù)極化麥克風(fēng)(不低于160 dB 動(dòng)態(tài)范圍)，并采用雙弧形麥克風(fēng)陣列的方式進(jìn)行噴流噪聲的近場(chǎng)輻射特性測(cè)試，如圖3 所示。雙弧形麥克風(fēng)陣列離發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口中心點(diǎn)的距離分別為7 m 和9 m；考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的高速、高溫尾噴氣流會(huì)對(duì)麥克風(fēng)及測(cè)點(diǎn)造成破壞，雙弧形陣列采用了90°至150°的布置形式，各測(cè)點(diǎn)間隔10°。

圖2 麥克風(fēng)安裝座Fig.2 The mounting base for microphone

圖3 弧形麥克風(fēng)陣列測(cè)試布局圖Fig.3 The test layout of arc microphone array

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 噴流噪聲特性

測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，雙弧形麥克風(fēng)陣列各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)大小與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的變化均呈現(xiàn)一致性，各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)均隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，且趨勢(shì)線一致，只是7 m 弧形陣列測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)聲壓級(jí)值比9 m 弧形陣列的高。圖4 為7 m 弧形陣列150°測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)隨發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的變化趨勢(shì)?？梢?jiàn)，噴流噪聲聲壓級(jí)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的增大而增大，且這種變化近似于線性變化；在發(fā)動(dòng)機(jī)各狀態(tài)下，該測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)均高于140 dB。圖5 示出了發(fā)動(dòng)機(jī)各試驗(yàn)狀態(tài)下噴流噪聲的頻譜結(jié)構(gòu)特性?？梢?jiàn)，各試驗(yàn)狀態(tài)下噴流噪聲的頻譜結(jié)構(gòu)具有高度的一致性，噴流噪聲的頻譜結(jié)構(gòu)與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)變化無(wú)關(guān)，只是頻率幅值隨發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的增大而增大。整個(gè)頻譜顯示，其主要成分為寬帶低頻噪聲，頻率大致集中在100～1 000 Hz 范圍。

圖4 7 m 弧形陣列150°測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)隨發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的變化趨勢(shì)Fig.4 The trend of sound pressure level changing with engine state of 150° measuring points on 7 m arc array

圖5 各狀態(tài)頻譜結(jié)構(gòu)特性Fig.5 The spectrum structure under different state

3.2 噴流噪聲近場(chǎng)輻射特性

圖6、圖7 分別給出了7 m 和9 m 弧形陣列各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)。可看出，7 m 與9 m 弧形陣列測(cè)試數(shù)據(jù)在發(fā)動(dòng)機(jī)各狀態(tài)下的趨勢(shì)一致。同一發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下，隨著測(cè)點(diǎn)角度的增加，聲壓級(jí)呈增大趨勢(shì)，但當(dāng)測(cè)點(diǎn)角度增加到140°時(shí)，聲壓級(jí)達(dá)到了最大值；隨著角度的再次增加，聲壓級(jí)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這表明噴流噪聲的近場(chǎng)輻射特性在一定角度范圍內(nèi)具有明顯的指向性，且該指向性在偏離發(fā)動(dòng)機(jī)軸線40°左右方向。

圖6 7 m 弧形陣列各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)Fig.6 The sound pressure level of 7 m arc array measuring points

圖7 9 m 弧形陣列各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)Fig.7 The sound pressure level of 9 m arc array measuring points

為進(jìn)一步研究噴流噪聲的近場(chǎng)輻射特性，運(yùn)用2 個(gè)弧形陣列測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了聲壓級(jí)衰減分析，結(jié)果見(jiàn)圖8。發(fā)動(dòng)機(jī)各試驗(yàn)狀態(tài)下，聲壓級(jí)衰減在各角度測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律一致，均在120°測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)衰減至最小，在140°測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)達(dá)到最大。這說(shuō)明噴流噪聲在偏離發(fā)動(dòng)機(jī)軸線60°左右方向的近場(chǎng)聲壓級(jí)衰減并不明顯；在偏離發(fā)動(dòng)機(jī)軸線40°左右方向，雖然噴流噪聲具有強(qiáng)烈的指向性，但是該方向的聲壓級(jí)衰減也較為突出。

圖8 聲壓級(jí)衰減變化Fig.8 The attenuation change of sound pressure level

3.3 噴流噪聲成像識(shí)別

噴流噪聲源分布特性對(duì)于噴流噪聲研究具有重要意義，可直觀表達(dá)噴流噪聲產(chǎn)生區(qū)域，以支持相關(guān)噴流降噪設(shè)計(jì)改進(jìn)。噴流噪聲成像識(shí)別是獲得噴流噪聲源分布特性的主要方法，而B(niǎo)eamforming 技術(shù)是噪聲成像的經(jīng)典傳統(tǒng)技術(shù)。根據(jù)噴流噪聲頻譜分析結(jié)果，進(jìn)行了以低頻100 Hz 為下限頻率至10 kHz 范圍內(nèi)的噴流噪聲成像識(shí)別。圖9 給出了n2r=85%，88%，93%時(shí)，采用Beamforming 技術(shù)獲得的噴流噪聲一維(沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向)成像識(shí)別結(jié)果，圖中位置“0”為尾噴管中心點(diǎn)?？煽闯?，噴流噪聲主要聲源區(qū)域沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向具有相似性，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，噴流噪聲主要聲源區(qū)域基本不變，為尾噴管下游約3.5 m 軸線范圍內(nèi)區(qū)域，且低頻寬帶噪聲成分幅值逐漸增大，并逐漸向1 kHz 以上高頻成分移動(dòng)、拓寬。

圖9 n 2r=85%，88%，93%時(shí)噴流噪聲的一維成像結(jié)果Fig.9 One dimensional imaging results of jet noise under n2r=85%，88%，93%

4 結(jié)論

對(duì)某型小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展了近場(chǎng)噴流噪聲測(cè)試，主要得到以下結(jié)論：

(1) 該小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲近場(chǎng)聲壓級(jí)高于140 dB，且以寬帶低頻噪聲為主，頻率集中在100～1 000 Hz 范圍。

(2) 噴流噪聲的近場(chǎng)輻射在偏離發(fā)動(dòng)機(jī)軸線40°左右的方向具有強(qiáng)指向性，且該方向的近場(chǎng)聲壓級(jí)衰減也最為突出。

(3) 噴流噪聲沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向的主要聲源區(qū)域隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高基本不變，為尾噴管下游約3.5 m 軸線范圍內(nèi)區(qū)域。