基于Clean-SC 的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噴流噪聲定位識(shí)別研究

杜 軍，劉元是，文 璧，劉 斌

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 綿陽(yáng) 621000)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴流經(jīng)過(guò)噴管高速排放沖擊外界空氣并急劇混合，形成非定常湍流運(yùn)動(dòng)而引起的噴流噪聲，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最主要的噪聲源之一。對(duì)于小涵道比的軍用發(fā)動(dòng)機(jī)，噴流噪聲更是最主要的噪聲源[1]。對(duì)于民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，在飛機(jī)起飛和降落過(guò)程中，噴流噪聲是影響飛機(jī)適航性和艙內(nèi)舒適性的關(guān)鍵因素；而對(duì)于軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，噴流噪聲直接影響相關(guān)工作人員健康、發(fā)動(dòng)機(jī)隱身特性及發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁結(jié)構(gòu)件的完整性。因此，噴流噪聲不僅是航空發(fā)動(dòng)機(jī)固有的目標(biāo)特征，而且也是社會(huì)普遍關(guān)注的公害之一，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噴流噪聲進(jìn)行研究，在軍用和民用方面均有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)外從噴氣式航空發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)世就開(kāi)始關(guān)注噴流噪聲帶來(lái)的相關(guān)影響，并為此開(kāi)展了諸多關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噴流噪聲理論、測(cè)試及降噪方面的研究[2-6]。如美國(guó)空軍為了研究其先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)F-22 的噴流噪聲特性，開(kāi)展了應(yīng)用傳聲器陣列結(jié)合多種聲成像方法的噴流噪聲源定位識(shí)別研究[7]；波音公司聯(lián)合GE 公司，通過(guò)應(yīng)用多種傳聲器陣列結(jié)合的方式對(duì)全尺寸航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試研究，全面闡述和展示了傳聲器陣列技術(shù)在噴流噪聲測(cè)試研究中的應(yīng)用[8]。國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)鄭克揚(yáng)[9]與莊家煜[10]等開(kāi)展了關(guān)于噴流噪聲控制方面的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了噴流噪聲的機(jī)理及不同噴管下的噪聲特性結(jié)果；南京航空航天大學(xué)單勇等[11]對(duì)比研究了不同結(jié)構(gòu)的冠狀鋸齒對(duì)噴流噪聲的抑制特性，驗(yàn)證了鋸齒冠狀結(jié)構(gòu)對(duì)分開(kāi)排氣式大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲有明顯抑制作用。但國(guó)內(nèi)在噴流噪聲研究方面主要還是集中在理論及實(shí)驗(yàn)室方面，相比國(guó)外，在噴流噪聲測(cè)試技術(shù)方面還存在欠缺。

本文從噴流噪聲測(cè)試方面，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噴流噪聲源的定位識(shí)別問(wèn)題，研究了基于Clean-SC結(jié)合線(xiàn)形傳聲器陣列的聲源定位識(shí)別方法，并以某型小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，通過(guò)測(cè)試分析獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲的主要聲源特性。

2 Clean-SC 聲源定位識(shí)別算法

Clean-SC 是航空聲學(xué)中最常用的基于反卷積的聲源定位識(shí)別技術(shù)，其不僅可以有效地移除聲源成像中旁瓣和主瓣間相干的斑點(diǎn)(假聲)，而且還可以提高聲成像的分辨率。關(guān)于Clean-SC 的算法過(guò)程，這里只做簡(jiǎn)要介紹，具體可以參考文獻(xiàn)[12]。Clean-SC 算法過(guò)程主要分為3 步：第1 步，通過(guò)經(jīng)典的Beamforing 算法[7]得到初步的聲源成像結(jié)果，稱(chēng)為“臟圖”；第2 步，搜尋找出“臟圖”中的峰值，從“臟圖”中移除掉由此峰值產(chǎn)生的波束旁瓣，更新“臟圖”；第3 步，經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代I步后，最后得到干凈的聲源成像圖：

式中：j表示成像掃描點(diǎn)數(shù)，Q稱(chēng)為潔凈波束，P為經(jīng)過(guò)迭代后剩余的“臟圖”。

3 噴流噪聲測(cè)試

3.1 實(shí)測(cè)試方案

為了準(zhǔn)確獲得航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噴流噪聲的主要聲源位置，測(cè)試環(huán)境應(yīng)該為自由聲場(chǎng)(只有直達(dá)聲，沒(méi)有反射聲)，一般是大型消聲室或戶(hù)外露天試車(chē)臺(tái)。同時(shí)，測(cè)試時(shí)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)周?chē)鷳?yīng)沒(méi)有高聲壓級(jí)聲源的影響，測(cè)試點(diǎn)環(huán)境噪聲的1/3 倍頻程聲壓級(jí)需要明顯低于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的1/3 倍頻程聲壓級(jí)。本文借助于某型小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)戶(hù)外露天靜態(tài)地面試驗(yàn)，進(jìn)行了噴流噪聲源定位識(shí)別測(cè)試。

傳聲器陣列測(cè)試技術(shù)是進(jìn)行聲源定位識(shí)別的重要方法，為了定位識(shí)別噴流噪聲在噴流方向的聲源特性，本次采用近場(chǎng)線(xiàn)形傳聲器陣列對(duì)噴流噪聲進(jìn)行聲源定位識(shí)別研究。其中近場(chǎng)線(xiàn)形傳聲器陣列由32 個(gè)駐極體預(yù)極化電容式麥克風(fēng)組成，麥克風(fēng)的動(dòng)態(tài)范圍不低于160 dB。陣列與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線(xiàn)平行，沿著發(fā)動(dòng)機(jī)噴流方向等間隔分布，從距離發(fā)動(dòng)機(jī)軸線(xiàn)d=9 m、測(cè)點(diǎn)位置90°處沿著發(fā)動(dòng)機(jī)噴流方向等間隔0.6 m 分布32 個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖1 所示。數(shù)據(jù)采集選擇帶寬不低于20 kHz 的高速動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)。測(cè)試前，高速動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)及傳聲器均經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)檢定以保證測(cè)試數(shù)據(jù)可靠。

圖1 噴流噪聲測(cè)試線(xiàn)形傳聲器陣列布局示意圖Fig.1 Layout of linear microphone array for jet noise test

本次，進(jìn)行了高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速n2r=82%，84%，87%，89%，92%下的噴流噪聲源定位識(shí)別測(cè)試。

3.2 聲源定位測(cè)試結(jié)果分析

3.2.1 聲源一維定位結(jié)果

圖2 為采用Clean-SC 聲源定位識(shí)別技術(shù)獲得的各狀態(tài)下噴流噪聲源一維定位結(jié)果。其中，橫坐標(biāo)代表發(fā)動(dòng)機(jī)軸線(xiàn)方向(軸方向)；縱坐標(biāo)代表頻率信息，單位為Hz；色卡顏色表示幅值大小，單位為dB；位置(10，0)為尾噴管中心點(diǎn)。從圖中可以看出：主要聲源區(qū)域集中在(10，0)至(4，0)的區(qū)域，也就是尾噴管出口至軸線(xiàn)方向6 m 處；主要為1 000 Hz 以下的低頻聲源；隨發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的增加，離尾噴管遠(yuǎn)處的高頻成分幅值明顯增加，而主要低頻成分在尾噴管出口表現(xiàn)得越來(lái)越明顯。

圖2 不同高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速狀態(tài)下聲源一維定位Fig.2 Sound source 1D location under different n2r

3.2.2 聲源二維定位結(jié)果

圖3 為采用Clean-SC 聲源定位識(shí)別技術(shù)獲得的各狀態(tài)下噴流噪聲源平面定位結(jié)果。其中，橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)分別代表發(fā)動(dòng)機(jī)軸線(xiàn)方向(x軸方向)及垂直于軸線(xiàn)且平行于地面的方向(y軸方向)；色卡顏色表示幅值大小，單位為dB；位置(-10，0)為尾噴管中心點(diǎn)。從圖上可以看出：各狀態(tài)下，噴流噪聲源的主要聲源區(qū)域具有相似性，主要聲源區(qū)域分布在沿發(fā)動(dòng)機(jī)噴流軸線(xiàn)方向及與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線(xiàn)呈一定角度的方向，且該角度不隨發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的變化而變化，為該發(fā)動(dòng)機(jī)的固有屬性。從發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲的主要產(chǎn)生源分析，這種特性與發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管結(jié)構(gòu)特性直接相關(guān)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的增加，噴流軸線(xiàn)方向上聲源特性越來(lái)越明顯，且傳播距離越來(lái)越遠(yuǎn)。

圖3 不同高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速狀態(tài)下聲源平面定位Fig.3 Sound source planar location under different n2r

4 結(jié)論

應(yīng)用Clean-SC 聲源定位方法，對(duì)某型小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲進(jìn)行了測(cè)試研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲在聲源一維定位結(jié)果上顯示，主要聲源區(qū)域集中在尾噴管出口至軸線(xiàn)方向6 m 處，主要為1 000 Hz 以下的低頻聲源。

(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲在聲源平面定位結(jié)果上顯示，噴流噪聲的主要聲源特性不隨發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的變化而變化，為發(fā)動(dòng)機(jī)的固有屬性，與噴管結(jié)構(gòu)特性相關(guān)；主要聲源區(qū)域分布在沿著發(fā)動(dòng)機(jī)的噴流軸線(xiàn)方向及與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線(xiàn)呈一定角度的方向。

(3) 基于Clean-SC 的聲源識(shí)別算法，結(jié)合線(xiàn)形傳聲器陣列的測(cè)試方法，能有效捕獲噴流噪聲的聲源特性，可以為今后航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲工程測(cè)試提供方法指導(dǎo)。