關于航空發動機試車臺噪聲的聲功率譜技術研究

一、噪聲信號分析

聲波與振動緊密相關，任何機械振動都會激發周圍既有彈性又有慣性的空氣做疏或密交變的壓縮波向外傳播，形成聲波。人耳接收到這種空氣壓力的擾動，由聽覺神經傳至大腦使人聽到的聲波稱為聲音。人耳聽覺范圍為20Hz～20KHz，低于20Hz的聲波叫次聲，高于20KHz的聲波叫超聲。

人耳對聲音有很高的靈敏度和極大的動態范圍。從聽覺心理上講，人們可以把不想要的聲音都列為噪聲。它與聽者的主觀要求密切相關。比如舞者可以把一首歌視為樂音，而想要入睡的人可能認為這是一種噪聲。因此噪聲與聲波本身的特性并沒有必然的關系。

二、發動機試車噪聲分析

試驗與研究中采用的測量分析系統主要由NI-DAQ6024E采集卡、日本RION公司生產的NI-60型聲級計和計算機組成該系統。由于風吹到傳聲器上時，傳聲器膜片上壓力會產生變化，從而引起風噪聲。為了降低風噪聲的影響，選用一種用多孔尼龍細網做成的風罩，將風罩套在電容傳聲器頭上，就可以大大衰減風噪聲，而對于聲音卻無衰減，從而提高了在有風環境下測量的準確性。

在實現數據采集過程中，采用NI一DAQ6024E便攜式采集卡，這款采集卡最大采樣率可達200kS/s，輸入電壓為±0.05V到±10V，采集速度快，滿足噪聲采樣的要求且體積很小，可以直接插入筆記本電腦中，將聲級計與計算機方便的聯系起來，對于實地采集非常有利。

在實際測量中，將聲級計前端探頭和后邊的數字顯示表用30米的延長線連接，使和計算機連接的顯示表部分與試驗人員一起，而讓前端的探頭在延長線的移動范圍內活動，這樣不僅利于室內的安裝也利于室外噪聲的移動測量。

除了混響聲場的影響，還要考慮其它聲源的存在而產生的背景噪聲對測量結果的影響。背景噪聲的存在對噪聲測量的影響是：它增加了我們要測量的噪聲。背景噪聲會影響測量的準確性。例如測量某發動機噪聲，當機器未開動時，測量背景噪聲為76dB，開動機器測得總噪聲級（包括機器噪聲和背景噪聲）為83dB，兩者之間相差7dB，查圖曲線，修正值為1dB，于是機器的噪聲值為82dB。

比較粗略的修正方法是：兩者之差為3dB時，應在總噪聲級中減去3dB；兩者之差為4～5 dB時，應減去2 dB；兩者之差為6-～-9dB時，應減去1 dB；當兩者之差大于10 dB時，則背景噪聲的影響可以忽略。事實上，對于本次測量的環境，試車間內的試車噪聲遠遠大于本底噪聲10dB以上，所以在試車間內的測量可以不考慮本底噪聲的影響。

三、WP-7發動機噪聲實測數據分析

本次試車類型為工廠試車，對額定、慢車這兩個狀態進行了實時監測。采樣長度為8192，采樣率為20K，當時的大氣壓力為99.14Pa，大氣溫度為30℃。

根據空氣動力性噪聲的產生機理及氣動聲學，作用于氣體單位體積的廣義力對空間發生變化，引起空氣振動和壓力變化，從而產生具有偶極子輻射效應的旋轉離散噪聲。其頻率實質上就是在單位時間內對空氣質點的打擊次數或氣流的脈動次數，也稱為葉片通道頻率：

其中，B為轉子葉片數，n為發動機轉子轉速，k為諧波數（1， 2， 3。。。）

則轉子葉片數為：

被測發動機葉片數如下：

一級壓氣機葉片24片

二級壓氣機葉片53片

三級壓氣機葉片51片

四級壓氣機葉片66片

五級壓氣機葉片72片

WP-7發動機試車間內各種狀態下聲功率譜分析（線性計權）：

1、在額定狀態下（119dB ），低壓轉子轉速為10369r/min，高壓轉子轉速為11367r/min。

基頻：低壓轉子旋轉頻率f1=10369/60=172.8Hz，

高壓轉子旋轉頻率f2=11367/60= 189.5Hz

1/ 2倍頻程：

2階諧頻：2f1=345.7 Hz， 2f2=378.9 Hz

3階諧頻：3f1=518.5 Hz， 3f2=568.3Hz

4階諧頻：4f1=691.3 Hz， 4f2=757.8 Hz

峰值最高點對應頻率為f=378.7Hz，是高壓壓氣機二階諧頻，此頻率對應高壓壓氣機二階諧波；頻率f=756.8Hz時，為高壓壓氣機四階諧頻，此頻率對應高壓壓氣機四階諧波；當f = 4109Hz，n=10369r/min，k取1，頻率f=4109Hz處為低壓壓氣機一級葉片產生的旋轉噪聲。

2、在慢車狀態下（106dB ），即低壓轉子轉速為3780r/min，高壓轉子轉速為6055r/min.渦噴發動機最主要的旋轉部件是壓氣機和渦輪。發動機在經過良好的動、靜平衡后，旋轉可能出現的固體噪聲會被抑制，但工作葉片高速旋轉，加上靜止葉片的影響，造成了發動機內部的紊流和大量渦流，這種在局部概念上的不穩定流動所產生的劇烈氣體壓力變化，是一個占顯著地位的氣動噪聲源，它僅次于噴氣噪聲。渦噴發動機地面試車產生噪聲的最主要聲源為排氣射流噪聲，而排氣噪聲具有寬頻帶特性，聲譜上特征頻率不明顯。但壓氣機旋轉產生的離散音則在聲譜上表現為現狀，較易識別。

此次試驗的WP一7發動機在試車間內起發吹風狀態下的背景噪聲為86. 4dB，通過對WP一7在額定和慢車這兩個狀態下噪聲功率譜分析，可以得到壓氣機旋轉噪聲分量，它具有高頻離散特性，在高頻部分出現的峰值頻率為壓氣機各級葉片通過頻率，這部分高頻離散純音主要指壓氣機葉片產生的旋轉噪聲，在低頻部分是寬帶噪聲，主要指噴流噪聲，最大峰值的頻率幾乎都出現在發動機壓氣機基頻或者諧頻附近。

結語：隨著人們環保意識的加強，在以人為本、追求工農業可持續發展的今天，研究和治理噪聲問題引起了更加廣泛的重視。以計算機為核心，基于虛擬儀器技術的發展，為開發新型通用的噪聲分析儀器創造了條件，豐富了噪聲分析系統的功能，并且集成化的體系結構也降低了噪聲分析系統的開發和維護成本，可以看出，利用計算機技術對噪聲進行采集、分析是一項很有意義的工作。