摘要

為促進航空發(fā)動機噴流噪聲測試技術發(fā)展，利用小涵道比渦扇發(fā)動機戶外露天靜態(tài)地面試驗進行了噴流噪聲近場測試。運用弧形麥克風陣列測試技術，對噴流噪聲近場特性進行研究，獲得了發(fā)動機多個狀態(tài)下的噴流噪聲數(shù)據(jù)，分析整理得到了噴流噪聲的頻譜結構特性及近場輻射特性。最后運用Beamforming技術進行了噴流噪聲成像識別，對噴流噪聲的頻率-位置特性進行了顯示。為航空發(fā)動機噴流噪聲測試技術相關研究奠定了基礎。

關鍵詞

航空發(fā)動機；噴流噪聲；弧形麥克風陣列；近場測試；輻射特性；Beamforming技術

1

引言

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

美國軍方很早就考慮到噴流噪聲對航空發(fā)動機的影響。早在1985年，美軍標MIL-E-87231《渦噴渦扇發(fā)動機軍用規(guī)范》就將噪聲作為發(fā)動機結構設計的重要設計原則[3]。此后，美國軍方對其多種高性能戰(zhàn)斗機進行了噪聲測試研究[4]，以支持其噴流噪聲的降噪改進設計。其中，最典型的就是美國海軍的航母艦載機F/A-18E/F，針對該機裝配的兩臺F404發(fā)動機，經(jīng)過嚴格的噴流噪聲計算設計、測試，對噴流降噪結構進行了相應改進，研究出了獨特的鋸齒型噴口[5]、擴張密封片及內(nèi)嵌射流等多種降噪技術，取得了明顯的降噪效果。此外，國外相關研究機構(如NASA、GE公司)及大學，應用傳聲器陣列進行了噴流噪聲源定位測試研究[6-8]，驗證了傳聲器陣列技術在噴流噪聲源定位中的可行性。美國空軍還對F-22戰(zhàn)斗機進行了噴流噪聲測試研究[9]，為噴流降噪設計改進提供了數(shù)據(jù)支撐。國內(nèi)在民用航空發(fā)動機領域，由于舒適性及適航性的原因，進行了一定程度的噪聲問題研究，但對于軍用航空發(fā)動機的噪聲問題關注度不夠。雖然《航空渦輪噴氣和渦扇發(fā)動機通用規(guī)范》[10]及《航空發(fā)動機結構完整性指南》[11]，均明確指出了航空發(fā)動機的噪聲問題，但工程上對其的研究很少，對占比最重要的噴流噪聲的研究更是少見。北京航空航天大學對噴流噪聲進行過相關研究，得到了一些噴流降噪的方法，但只是停留在基礎研究上[12-13]。徐悅等[14]針對艦載機噴流噪聲研究的重要性及相關降噪技術進行了闡述說明。

本文針對國內(nèi)現(xiàn)有航空發(fā)動機噴流噪聲研究的不足，利用某型小涵道比渦扇發(fā)動機戶外露天靜態(tài)地面試驗開展了噴流噪聲的近場測試研究，獲得了噴流噪聲的近場特性，為航空發(fā)動機噴流噪聲研究奠定了一定的工程技術基礎。

2

試驗測試方案

2.1試驗環(huán)境及內(nèi)容

航空發(fā)動機整機噴流噪聲測試，需要在特定的測試環(huán)境(只有直達聲，沒有反射聲，一般是大型全消聲室或戶外露天試車臺)中進行。本文借助某型小涵道比渦扇發(fā)動機戶外露天靜態(tài)地面試驗，進行噴流噪聲近場測試。為了提高噴流噪聲測試數(shù)據(jù)的純潔度，需減少發(fā)動機其他部件噪聲的影響，為此在發(fā)動機尾噴管處安裝了遮擋板(圖1)，進行一定的隔音處理。試驗主要完成了發(fā)動機高壓轉子換算轉速=85%，87%，88%，90%，93%，94%等狀態(tài)下的噴流噪聲測試內(nèi)容。

2.2測試方案

噴流噪聲測試采用在地面布置麥克風的形式進行。麥克風倒置安裝在專門設計的麥克風安裝座上，如圖2所示。根據(jù)小涵道比渦扇發(fā)動機噪聲測試經(jīng)驗，測試傳聲器選擇高聲壓級預極化麥克風(不低于160dB動態(tài)范圍)，并采用雙弧形麥克風陣列的方式進行噴流噪聲的近場輻射特性測試，如圖3所示。雙弧形麥克風陣列離發(fā)動機尾噴口中心點的距離分別為7m和9m；考慮到發(fā)動機的高速、高溫尾噴氣流會對麥克風及測點造成破壞，雙弧形陣列采用了90°至150°的布置形式，各測點間隔10°。

3

測試結果分析

3.1噴流噪聲特性

測試分析發(fā)現(xiàn)，雙弧形麥克風陣列各測點聲壓級大小與發(fā)動機狀態(tài)的變化均呈現(xiàn)一致性，各測點聲壓級均隨轉速的增加而增大，且趨勢線一致，只是7m弧形陣列測點數(shù)據(jù)聲壓級值比9m弧形陣列的高。圖4為7m弧形陣列150°測點聲壓級隨發(fā)動機狀態(tài)的變化趨勢?？梢姡瑖娏髟肼暵晧杭夒S著發(fā)動機狀態(tài)的增大而增大，且這種變化近似于線性變化；在發(fā)動機各狀態(tài)下，該測點的聲壓級均高于140dB。圖5示出了發(fā)動機各試驗狀態(tài)下噴流噪聲的頻譜結構特性?？梢?，各試驗狀態(tài)下噴流噪聲的頻譜結構具有高度的一致性，噴流噪聲的頻譜結構與發(fā)動機狀態(tài)變化無關，只是頻率幅值隨發(fā)動機狀態(tài)的增大而增大。整個頻譜顯示，其主要成分為寬帶低頻噪聲，頻率大致集中在100~1000Hz范圍。

3.2噴流噪聲近場輻射特性

圖6、圖7分別給出了7m和9m弧形陣列各測點的聲壓級測試數(shù)據(jù)?？煽闯?，7m與9m弧形陣列測試數(shù)據(jù)在發(fā)動機各狀態(tài)下的趨勢一致。同一發(fā)動機狀態(tài)下，隨著測點角度的增加，聲壓級呈增大趨勢，但當測點角度增加到140°時，聲壓級達到了最大值；隨著角度的再次增加，聲壓級出現(xiàn)下降趨勢。這表明噴流噪聲的近場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)動機軸線40°左右方向。

為進一步研究噴流噪聲的近場輻射特性，運用2個弧形陣列測試數(shù)據(jù)進行了聲壓級衰減分析，結果見圖8。發(fā)動機各試驗狀態(tài)下，聲壓級衰減在各角度測點的變化規(guī)律一致，均在120°測點聲壓級衰減至最小，在140°測點聲壓級達到最大。這說明噴流噪聲在偏離發(fā)動機軸線60°左右方向的近場聲壓級衰減并不明顯；在偏離發(fā)動機軸線40°左右方向，雖然噴流噪聲具有強烈的指向性，但是該方向的聲壓級衰減也較為突出。

3.3噴流噪聲成像識別

噴流噪聲源分布特性對于噴流噪聲研究具有重要意義，可直觀表達噴流噪聲產(chǎn)生區(qū)域，以支持相關噴流降噪設計改進。噴流噪聲成像識別是獲得噴流噪聲源分布特性的主要方法，而Beamforming技術是噪聲成像的經(jīng)典傳統(tǒng)技術。根據(jù)噴流噪聲頻

4

結論

對某型小涵道比渦扇發(fā)動機開展了近場噴流噪聲測試，主要得到以下結論：

(1)該小涵道比發(fā)動機噴流噪聲近場聲壓級高于140 dB，且以寬帶低頻噪聲為主，頻率集中在100~1000 Hz范圍。

(2)噴流噪聲的近場輻射在偏離發(fā)動機軸線40°左右的方向具有強指向性，且該方向的近場聲壓級衰減也最為突出。

(3)噴流噪聲沿發(fā)動機軸線方向的主要聲源區(qū)域隨發(fā)動機轉速的升高基本不變，為尾噴管下游約

3.5m軸線范圍內(nèi)區(qū)域。