客機發動機轉子噪聲主動控制研究

龐立紅 韓 峰 劉 玲 馮梓鑫

(1.上海飛機設計研究院，上海 201210； 2.西安艾科特聲學科技有限公司，西安 710000)

0 引言

在大型民機艙內降噪措施中，被動降噪方法大多使用阻尼層、消聲器和動力吸振器等，由于其結構簡單、可靠性高的特點因而被廣泛采用。但是這些方法僅對中高頻噪聲的衰減效果明顯，針對聲波較長的低頻噪聲，為提高降噪效果，就需要增加隔聲材料的尺寸和重量，這樣會減少民機的可利用空間并增加運營成本。除此之外，隨著民機設計水平的不斷提高，高頻噪聲在設計之初便可以優化，因此在產品成型后，困擾設計師和用戶的主要噪聲是發動機引起的低頻噪聲，采用主動降噪技術可以有效地降低此類低頻噪聲。主動降噪技術是在噪聲環境中添加一個人為的次級聲源(例如揚聲器)，通過一定的控制策略和算法，使次級聲源產生一系列與原噪聲振幅相同、相位相反的噪聲信號，通過兩列信號相疊加進而抵消原有的噪聲。

目前，在飛機領域主動降噪技術主要在螺旋槳飛機和渦槳飛機上進行過驗證，而在渦扇飛機上的試驗較少。主動降噪技術應用到飛機上，尤其是渦扇式民用飛機，其難度主要有以下幾點：1)前饋信號的提取；2)擴大降噪區域；3)飛機發動機產生的噪聲能量大。本文將針對以上難點展開研究論證，為民機客艙低頻噪聲降噪提供有效的解決方案，提升民機客艙的舒適性。

1 主動降噪算法基本原理

采用多通道FXLMS算法來設計主動降噪系統。該算法是目前主動降噪系統中常用的算法之一，其原理框圖如圖1所示。

圖1 算法框圖

圖中，

x

(

n

)代表飛機系統的噪聲源(本文研究的噪聲源為飛機發動機)，主動降噪系統提取該信號的頻率特性作為參考輸入信號；

d

(

n

)代表飛機艙內的原始噪聲，為主動降噪系統需要抵消的目標噪聲；

P

(

z

)代表從噪聲源到飛機艙室之間的噪聲傳遞路徑；

W

(

z

)為主動降噪系統控制濾波器，整個算法運行過程中需要不斷更新該濾波器數值，進而不斷更新揚聲器發出的聲音；

S

(

z

)為誤差通道，包含了信號傳輸通道中的A/D和D/A轉換、功率放大器及聲音傳播路徑等環節，引入該參數對控制濾波器進行修正；

y

′(

n

)為揚聲器發出的聲音(次級聲源)經過誤差通道后到達目標區域的噪聲成分。主動降噪系統常用的參考信號提取方法有三種：直接提取(如機上提供發動機轉速信號)、麥克風采集噪聲信號和加速度傳感器采集振動信號。由于發動機艙室內部噪聲是由艙壁結構振動引起的，因此本文采用加速度傳感器采集的振動信號作為系統參考輸入信號。主動降噪系統的核心是要設計一套控制器

W

(

z

)，使其驅動揚聲器發出聲音來抵消聲場原始噪聲

d

(

n

)，使噪聲誤差信號的平方最小，噪聲誤差信號公式如式(1)所示：

e

(

n

)=

d

(

n

)-

y

′(

n

)=

d

(

n

)-

W

(

n

)

x

′(

n

)

(1)

定義代價函數J(n)為：

(2)

式中，

K

為誤差麥克風的數量。采用最陡下降法對代價函數

J

(

n

)求導數即可得控制濾波器

W

(

z

)的實時更新公式為：

(3)

式中，

μ

為迭代步長。

2 艙內噪聲分布和聲振相關性分析

在進行主動降噪試驗之前，首先針對試驗飛機進行噪聲和振動的測試，根據測試分析結果來確定加速度傳感器和誤差麥克風的安裝位置。由于本次試驗的目的是控制客艙后部若干排座位處的噪聲，因此僅在客艙后部乘客和后乘務員的座位頭靠位置布置了22個麥克風測點，如圖2所示，圖中A系列編號對應麥克風點。同時3個單軸向加速度傳感器安裝在機艙內飾板上，如圖2中C1-C3所示；另外將3個三軸向加速度傳感器(共9個通道)分別布置在機艙側壁的加強框和后儲藏室的加強框上，分別如圖2中C4-C12所示。

圖2 噪聲及振動測點俯視圖

2.1 空間噪聲云圖

根據圖2中的傳感器布置方案，啟動飛機。測試過程中飛機地面“開車”，發動機一級轉子N1轉速達到95%，空調處于正常運行狀態。試驗測試過程中采樣頻率為2 kHz，分析頻率上限為1 kHz。根據各測點的聲壓測試結果，艙內總聲壓級云圖如圖3所示。從圖3中可以看出，左后方位置處噪聲聲壓級最大，往前依次遞減。這是因為發動機安裝在該位置外側。

圖3 總聲壓級云圖

本文研究的飛機發動機由兩級轉子構成，二者轉速不同。本文內容僅對第一級轉子(N1)引起的艙內噪聲進行控制研究。第一級轉子引起的第一階振動噪聲頻率(N1-1)為93.75 Hz,從噪聲測試數據中提取該頻率下對應的噪聲成分，得到轉子N1引起的第一階艙內聲壓級云圖如圖4所示。

圖4 N1的1階聲壓級云圖

從圖4中N1的第1階云圖分布可以看出，第一級轉子引起的飛機艙內的第1階噪聲分布與圖3中總聲壓級分布基本一致，噪聲量級從后側向前側依次遞減，而且機艙兩側內飾板附近噪聲高于中間過道區域。

2.2 聲振相關性分析

主動降噪系統中一個重要的環節是控制器參考信號的選擇和提取。根據噪聲分析，接下來采用加速度傳感器提取發動機振動信號作為控制系統參考輸入信號，利用相干函數的方法篩選出加速度傳感器合適的布置位置。

常相干函數是相干性分析的基礎，其表達式定義為：

(4)

式中，f為頻率；i=1,2,…,q，代表加速度傳感器的通道序號；

y

為目標噪聲通道；H(f)為輸入信號到輸出信號之間的傳遞函數；G(f)為輸入信號的自譜；G(f)為輸出信號的自譜；G(f)為輸入信號和輸出信號之間的互譜。

從公式(4)可以看出，相干函數等于所考慮的噪聲源與目標區域噪聲互譜的平方除以各自的自譜。相干函數的數值越大，說明該噪聲源對目標區域噪聲產生的影響越大。一般認為，相干系數γ>0.95，存在顯著相干性；0.8<γ<0.95，高度相關；0.5<γ<0.8，中度相關；0.3<γ<0.5，低度相關；γ<0.3，認為不相關。通過相干性分析，可以得到不同頻率成分下振動信號與噪聲信號之間的關系。

因為艙室噪聲大部分是由發動機引起的，而發動機引起的最大噪聲點在麥克風

A

74處，因此接下來僅分析12個通道測得的振動信號與麥克風

A

74點測得的噪聲信號之間的相干性。12個通道對應的振動信號與發動機轉子

N

1引起的第1階(

N

1-1)和第2階噪聲(

N

1-2)的相干系數如表1所示。從表1中可看出，與第1階噪聲相干性較好的通道有

C

2-

C

4、

C

6-

C

7、

C

9-

C

12；與第2階相干性較好的通道有

C

3-

C

4、

C

7-

C

8、

C

10、

C

12。在本試驗中優先控制發動機轉子

N

1引起的第1階和第2階噪聲，而振動信號通道

C

12與這兩階噪聲的相干系數分別高達0.96和0.86。因此選擇

C

12通道作為控制系統的輸入信號。該通道振動信號與測點

A

74的噪聲信號在整個頻帶內的相關性如圖5所示。

表1 相干系數表

圖5中標記為“1”、“2”、“3”、“4”的峰值分別為選擇的振動信號與發動機轉子

N

1引起的第1、2、3和4階頻率點對應的被控噪聲之間的相干性。從圖中可以看出相干性在這幾個頻率點均較高，因此理論上在這四個頻率點處可以取得較好的降噪效果。

圖5 C12-A74相干性

3 降噪算法仿真

3.1 安裝布置方案

從圖3和圖4中的噪聲分布可以看出噪聲值在左側后兩排座位處較高，因此在試驗過程中，誤差麥克風布置在乘客和后乘務員座椅頭靠處的

A

4、

A

5、

A

73和

A

74四個測點。次級聲源選擇：1)最后排乘客座椅上方的天花板處的揚聲器

B

4、

B

5；2)最后排乘客頭部左側側壁板處的揚聲器

B

35；3)最后排乘客腳部左側側壁板處的揚聲器

B

36；4)后乘務員后壁板上下兩個揚聲器

B

37、

B

38；5)后乘務員左側壁板上下兩個揚聲器

B

40和

B

41。布置圖如圖6所示。根據圖中揚聲器以及麥克風的安裝位置，首先使用控制器驅動次級聲源揚聲器發出白噪聲信號，采用

LMS

(

Least

Mean

Square

)算法辨識各揚聲器到每個麥克風之間的誤差通道S′(z)。

圖6 主動降噪設備安裝示意圖

3.2 算法仿真分析

根據上述測得的對應選擇點的振動信號、噪聲信號以及辨識出來的誤差通道結果，采用

FXLMS

算法進行仿真，得到4個誤差麥克風點的代價函數隨時間的變化如圖7所示。從圖7中控制前后的代價函數曲線可以看出

FXLMS

算法收斂速度很快，能夠在1

s

內快速達到穩定的降噪狀態。對比控制前后代價函數的變化曲線可以看出在4個誤差麥克風點的整體降噪效果顯著，平均降噪量穩定在10

dB

左右。

圖7 代價函數曲線

主動降噪系統開啟前后，4個麥克風測點的噪聲頻譜變化分別如圖8～圖11所示。圖中93.75

Hz

對應發動機轉子

N

1引起的第一階噪聲頻率，其他各階噪聲的頻率為93.75

Hz

的對應倍數。對比控制前后的頻譜曲線可以看出，主動降噪系統幾乎能夠同時在4個麥克風測點降低發動機引起的1 000

Hz

以下的各階噪聲，尤其是前兩階噪聲，降噪效果最為明顯。在麥克風

A

5和

A

74點，前兩階噪聲幾乎完全被抵消。

圖8 A4測點降噪曲線

圖9 A5測點降噪曲線

圖10 A73測點降噪曲線

圖11 A74測點降噪曲線

接下來對4個被控麥克風測點的總聲壓級頻譜進行平均處理，

A

計權后如圖12所示。從整體平均結果中可以看出，在

N

1的1階和2階頻率處控制效果較好，降噪量分別達到了25.5

dB

和12

dB

。這說明選擇

C

12為參考信號是合適的。

圖12 誤差點的總聲壓級曲線圖

四個麥克風測點整體聲壓級降噪量如表2所示，在不做計權處理情況下降噪效果在8.5

dB

～11.9

dB

之間。由于被控噪聲主要集中在低頻段，

A

計權處理后降噪效果在2.8

dBA

～4.6

dBA

，整體平均降噪量約3

dBA

。該降噪效果可以取得較好的主觀聽覺改善。

表2 降噪效果表

4 結論

1)本文對客機艙室內部聲場進行了分析，利用相干性函數，通過分析布置在艙壁的加速度傳感器信號和座椅位置處噪聲信號間的聲振相干性，選擇合適的振動信號作為主動降噪系統的參考輸入信號。

2)基于

FXLMS

算法設計主動降噪系統，取得了飛機艙內座椅位置處區域化降噪效果，被控區域整體噪聲降低約10

dB

。