鋸齒噴口參數對噴流噪聲特性的影響

劉興強， 黃文超， 延 浩， 李曉東

(1.航空噪聲與動強度航空科技重點實驗室， 西安 710065，2.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京 100191)

噴流噪聲是主要的飛機噪聲源之一，對飛機的適航噪聲水平和艙內的舒適性產生影響。雖然，大涵道比發動機有效地降低了噴流噪聲，但在飛機起飛到巡航的階段，發動機噴流噪聲依然非常顯著。噴流噪聲控制方法有很多種，如降低噴流速度、氣流屏蔽、噴流消聲、強制摻混等。發動機降噪措施要求十分嚴格，如附加質量、推力損失和安裝性等。強制摻混器[1-4]已經成為降低噴流噪聲的重要方法，得到了廣泛的研究和應用。強制摻混器通過增加高速氣流與低速氣流之間的摻混作用，降低速度梯度，從而達到降低噪聲的作用。主要的強制摻混器包括波瓣混合器、鋸齒摻混器、微射流強制摻混裝置等。波瓣摻混器可以形成渦體陣列，將核心氣流與周圍低速氣流強制摻混，起到降低噪聲的目的。波瓣摻混器突出的波瓣結構導致發動機的推力損失較大，而且加工難度大。微射流摻混裝置，采用高壓二次流射入核心區內，對核心區的氣流強行調制，并增加核心區與周圍氣流的摻混，達到降低噪聲的作用。微射流的設備復雜，高壓氣流的引入難度較大，尚未取得實際的應用。鋸齒噴嘴的原理與波瓣形摻混器的原理基本一致[5]，但鋸齒形噴口的加工難度較小，推力損失小，成為降低噴流噪聲的主要方法。

Callender等[6-7]研究了鋸齒個數和嵌入角度對單噴、同軸雙噴流的噪聲抑制作用，鋸齒主要是影響了噴流的低頻噪聲和下游的噪聲指向性，并取得了3～6 dB的總聲壓級降噪量。文獻[8-11]研究了鋸齒個數、長度、嵌入角度和軸對稱性對噴流噪聲和流動特性的影響，發現嵌入角度的增大，可以降低低頻噪聲，但增大了高頻噪聲；增加鋸齒的個數，有利于降噪。采用同軸雙噴流模擬高涵道比發動機噴流，發現鋸齒噴口可以改變噴流的激波分布，降低低頻激波噪聲，同時也誘導產生更高頻的激波噪聲。Khritov等[12]采用數值和試驗的方法，研究了鋸齒噴嘴對流場結構和噪聲輻射的影響。研究發現，鋸齒噴嘴可以有效抑制噴口嘯叫噪聲，并平滑其他頻段的噪聲。NASA(美國國家航空航天局)的相關研究[1]中，鋸齒形摻混器可以有效地降低噪聲2～3 dB，推力損失小于0.5%。美國的AST(Aircraft Silent Technology)計劃對鋸齒噴口開展了大量的研究，并開展了飛行測試。鋸齒形摻混器也在現有的機型中取得應用，如Boeing787、ARJ21等。中國在過去的幾年也開展了鋸齒形噴口的研究。單勇等[13]開展了內外涵分開式的鋸齒形噴嘴降噪方法的試驗和數值計算研究，研究認為，鋸齒噴口在降低噪聲的同時，可以將推力損失控制在1.7%以內。何儆玉等[14-15]對鋸齒形噴嘴開展了大量的研究，研究發現，鋸齒形噴嘴不僅能有效地降低噪聲，還可以很好地抑制唇口嘯叫現象。

針對鋸齒形摻混器開展試驗研究，主要研究鋸齒設計參數如鋸齒長度、鋸齒的個數、鋸齒的嵌入角度等對噪聲抑制效果的影響。

1 試驗設置

噴流噪聲實驗是在北京航空航天大學流體與聲學實驗室的全消聲室中進行的，試驗現場如圖1所示。全消聲室凈空間尺寸為8.9 m×6.8 m×4.65 m，低頻截止頻率為250 Hz。遠場測量點以噴口出口為原點，半徑為3 m，R/D=60(R為遠場測量點半徑，D為噴口直徑)。測量點從上游50°到下游150°，每隔10°一個測量點。

圖1 試驗現場Fig.1 Experimental site

采用B&K4948傳聲器，采樣率為60 kHz，采樣間隔為32 Hz，測量環境溫度為299.8 K，外界環境壓力為100.2 kPa，環境濕度為82%，噴口速度為0.8、0.9、1.0 Ma等3種噴流速度。

2 試驗件設計

噴嘴的幾何設計如圖2所示，出口直徑為50.8 mm，為了保證不同噴口出口的有效面積一致，噴口尾端40 mm采用等面積直管設計。噴口設計幾何參數是鋸齒個數、鋸齒長度和鋸齒嵌入角度，如表1所示。所有的鋸齒形噴嘴均采用軸對稱設計。

圖2 噴口草圖Fig.2 Sketch for nozzle

表1 噴口設計幾何參數Table 1 Nozzle geometric parameter

3 試驗結果分析

3.1 不確定影響分析

為了確保試驗結果的可靠性，首先對試驗的不確定性進行分析，實驗室的不確定因素如下：

(1)試驗件加工的誤差為±0.02 mm。

(2)實驗室的噴嘴壓力采用PID(比例微分積分控制)智能壓力變送器，氣流的壓力精度控制誤差小于1.5%。

(3)同種工況不同車次之間測量得到的頻譜曲線的關鍵頻段的誤差小于1 dB。

(4)遠場壓力壓力傳感器的位置誤差小于5 cm，相對于測量半徑的誤差小于1.6%。

(5)不同的車次的實驗室溫度差小于2 ℃。

圖3 NPR=1.89相同測點對比曲線Fig.3 Noise spectrum curves at same point for NPR=1.89

圖3所示是噴嘴壓力比(nozzle pressure ratio, NPR)為1.89基礎噴口3次試驗車次的對比曲線，由圖可以看出，3條曲線非常一致，證明了試驗的可重復性和可靠性。

3.2 鋸齒個數對噪聲抑制效果的影響

圖4所示是鋸齒個數對噪聲頻譜的影響對比曲線。當NPR=1.52時，鋸齒噴嘴并未改變噪聲頻譜形狀；400 Hz以下的低頻噪聲，3種噴嘴的噪聲控制效果基本一致；400 Hz以上的噪聲，鋸齒個數的增加，降噪量增加。NPR=1.69時，10鋸齒噴嘴可以降低整頻段的噪聲；6鋸齒噴嘴和8鋸齒噴嘴增加了9 000 Hz以上的高頻噪聲。NPR=1.89時，鋸齒噴嘴降低4 000 Hz以下的中低頻噪聲，4 000 Hz以上的噪聲增大；6 kHz到15 kHz頻段在譜線上出現了較高幅值的駝峰，8鋸齒駝峰幅值量較其他兩種鋸齒較低。駝峰噪聲的產生，可能是鋸齒結構誘導產生了激波，導致噪聲駝峰的出現。

圖4 鋸齒個數對噪聲頻譜的影響Fig.4 Effect of chevron count on the far field noise spectrum

圖5所示是鋸齒個數改變對遠場指向性影響的對比曲線,噴流噪聲指向下游，Chu與Kaplan[5]研究高亞聲速噴流時，指出噴流噪聲主要位于噴流下游核心區后面。NPR為1.52和1.69時，鋸齒個數的增加有利于降低噪聲；上游的噪聲水平抑制效果優于下游，NPR=1.52最大降噪3.12 dB，NPR=1.69最大降噪量2.62 dB。NPR=1.69時，6鋸齒和8鋸齒增加了100°到130°的噪聲強度。NPR=1.89時，遠場總聲壓級增大，最大聲壓級指向下游110°；8鋸齒噴嘴的總聲壓級增加量最小。

3.3 鋸齒長度對噪聲抑制效果的影響

Calkin等[9]在進行鋸齒噴口的試驗研究時，發現8鋸齒結構降噪效果最好。本試驗中8鋸齒結構噴嘴，在NPR=1.89時對高頻噪聲的影響最小。故，選擇8鋸齒噴嘴，改變鋸齒的長度，觀測對噪聲的影響。鋸齒的長度分別是15、25、35 mm 3種，鋸齒的嵌入角度均為0°。

圖6所示為鋸齒長度對噪聲頻譜的影響，NPR=1.52時，增加鋸齒的長度并未改善噪聲抑制效果，15 mm鋸齒與25 mm鋸齒的噪聲抑制效果相當；35 mm鋸齒降噪效果減弱，并增加高頻噪聲水平。NPR=1.69時，25 mm鋸齒和35 mm鋸齒誘導產生了激波噪聲，在6 kHz到18 kHz形成較高幅值的駝峰，高頻噪聲也有所增大。NPR=1.89時，鋸齒長度的增加，削弱了4 kHz以下的噪聲抑制效果，增大了6～15 kHz的駝峰的幅值。通過試驗，發現鋸齒長度的增大，不利于噴流的噪聲控制，最優的鋸齒長度還需要進一步的研究。

圖5 鋸齒個數對遠場指向性的影響Fig.5 Effect of chevron count on the far field noise directivity

圖6 鋸齒長度對噪聲頻譜曲線的影響Fig.6 Effect of chevron length on far field noise spectrum

圖7所示是遠場總聲壓級指向性曲線，鋸齒長度的增加，總聲壓級增高；NPR=1.52時，鋸齒噴嘴降低了噴流上游的噪聲，下游總聲壓級增高。NPR為1.69和1.89時，最大聲壓指向下游110°；上游噪聲的增加量高于下游。

圖7 鋸齒長度對遠場指向性的影響Fig.7 Effect of chevron length on far field noise directivity

3.4 鋸齒嵌入角度對噪聲抑制效果的影響

鋸齒的嵌入角度的研究依然采用8鋸齒噴嘴結構，鋸齒的長度均采用15 mm。鋸齒嵌入角度包括0°、5°、10°三種。

圖8所示是鋸齒嵌入角度對噪聲頻譜的影響對比曲線。鋸齒嵌入角度的增大，有效地抑制了中低頻噪聲的水平，增大了高頻噪聲水平。NPR=1.52時，有效地降低了9 kHz以下的噪聲水平，10°嵌入角降噪量約3.5 dB；同時，顯著增大了9 kHz以上高頻噪聲的幅值。NPR=1.69時，增大了6 kHz以上的噪聲水平，同時產生了幅值較高的駝峰頻段。NPR=1.89時，嵌入角度的增大，增加了6 kHz到15 kHz的誘導激波噪聲的幅值；同時，增大了15 kHz以上的寬頻噪聲水平。

圖9所示是鋸齒角度對遠場噪聲指向性的影響對比曲線。鋸齒嵌入角度的增大，改變了遠場的指向性，最大聲壓級指向下游110°；上游總聲壓級增大，下游140°和150°噪聲水平下降。

4 結論

針對鋸齒形噴嘴的結構設計參數對降噪效果的影響開展了試驗研究，得到以下結論：

(1)安裝鋸齒形噴嘴可以有效地降中低頻噪聲的水平。

(2)NPR=1.69和1.89時，鋸齒噴嘴的誘導產生了激波噪聲，在頻譜曲線上產生了較高幅值的駝峰。

(3)增加鋸齒的個數有利于降低噪聲水平，鋸齒個數為8時，誘導的激波噪聲最小。

(4)增加鋸齒的長度，削弱了噪聲抑制效果。

圖8 鋸齒嵌入角度對噪聲頻譜的影響Fig.8 Effect of chevron penetration on far field noise spectrum

圖9 鋸齒角度對遠場噪聲指向性的影響Fig.9 Effect of chevron penetration on far field noise directivity

(5)增加鋸齒的嵌入角度，可以有效增加中低頻噪聲的降噪量，同時也增大了誘導激波噪聲和高頻噪聲的水平。