民用客機增升裝置氣動噪聲研究進展

張杰

摘 要：隨著經濟的快速發展，我國民用飛機的數量急劇增加，與此同時帶來了很嚴重的航空噪音問題，引起了我國的高度重視。增升裝置是重要的機體噪聲源，它的流動復雜性和聲源多樣性，是我國噪聲研究的重點內容。本文將進行民用客機增升裝置的氣動噪聲研究，分析現階段取得的成就，為后續降噪工作提供發展方向，助力我國盡快解決航空噪聲問題。

關鍵詞：民用客機;增生裝置;氣動噪聲

最近的幾十年間，民用客機的發展進入了繁榮期，由此產生的噪聲問題為各個國家所關注。現階段我們已經采取了很多措施對噪聲進行控制，很多機場也制定了關于噪聲的控制指標，要求嚴格，航空公司甚至把民用客機的噪聲水平作為飛機采購的考慮重點，足見航空噪音問題的嚴重性。而增升裝置作為重要的機體噪聲源，我們不得不重視起來，進行深入、具體的分析，盡快解決噪聲問題，這也是本文進行增升裝置氣動噪聲研究的意義所在。

一、增生裝置氣動噪聲的機理與特點

縫翼和襟翼是增生裝置噪聲源的兩個組成部分。前者的噪聲有兩種，分別是寬帶噪聲和純音噪聲。飛行狀態的好壞直接決定著噪音水平的高低。如，流速以及翼弦和流速之間的夾角。于實際尺寸的飛機而言，和縫翼噪聲最大值時相對應的頻率是一百到四百赫茲，處于這個范圍內，雖然縫翼噪聲為寬頻，但是純音的分布情況是非常強烈的。這里需要注意，一般情況下，受模型后緣厚度的影響，風洞的縮比模型實驗中會出現高頻的純音，這種現象不會出現在真正的飛機上。流動狀態隨時間發生改變的流體，脫落于縫翼的后緣下表面，引起凹面渦震蕩時，會導致低頻純音的出現。除此之外，來流的攻角、縫翼偏角也都是影響縫翼噪聲的因素，且噪聲水平與前者的大小存在反比關系，與后者的大小存在正比關系[1]。

結合已有的風洞試驗研究結果來看，襟翼側緣的噪聲機制大體有以下兩類。其一，側緣渦、襟翼側面、襟翼上端尖側緣三者之間相互作用。這種噪聲的機制主要出現在中等弦長處，或者是直至后緣的位置處。其二，匯合渦壓力擾動、襟翼吸力的這一側、襟翼上端尖側緣三者之間進行相互作用導致噪聲的產生。并且襟翼側緣的噪聲大小和襟翼的偏角大小存在著正比的關系。

增生裝置的噪聲特點大體可以總結為以下幾點：噪聲的生源是寬頻的，并且分量多而均等，能夠相互作用，在進行研究的時候，需要系統地對這些分量進行考量;噪聲產生的機理有很多種，且各不相同;噪聲的聲源受當地流動的影響的同時，也能對當地的流動產生影響;噪聲的聲波和增生裝置的結構之間也是相互作用的，但是這種相互作用比較復雜;氣動噪聲受影響于氣動的布局設計，所以在進行氣動的設計時，需要進行噪聲約束，而這恰恰增加了氣動設計的困難程度[2]。

二、增生裝置氣動噪聲研究進展情況分析

（一）噪聲機理研究方面的進展情況

外國的很多國家進行了有關民用客機增生裝置氣動噪聲的研究，隨著技術的發展和創新，可以對聲源進行準確的定位，同時實現了對多種聲源噪聲水平的測量，打破了只能對總體噪聲水平進行測量的瓶頸。隨著越來越多先進技術的引入，噪聲控制的研究人員可以更加深入地對噪聲的機理進行了解和分析，甚至可以通過數值模擬實現對噪聲的預測，給更多的噪聲研究機構和部門帶來了在噪聲水平預測、降噪措施估測、噪聲機理研究等方面的極大幫助。工業部門在噪聲控制方面取得了也取得了很大的突破，在反復多次試驗以后，研制出來了更加先進的噪聲預測模型裝置，可以在預測的時候反映出其產生的機理。另外，在后續工作的過程中，工業的這些部門，已經把氣動噪聲的水平情況列為重點參考標準，于降噪的研究發展而言是一個有效的措施[3]。

（二）降噪措施和低噪音布局設計方面的進展情況

通過研究資料，可以發現，現階段已有的噪音控制方法有兩種類型。第一種是通過對噪音的聲源進行控制，從而實現降噪的目標，第二種方法是在聲音傳播出去以后，于傳播的這個過程進行控制，通過改變噪聲的傳播方向和噪聲的聲音強度，實現對噪聲的抑制。我們已經知道，飛機裝置的噪聲與流動結構存在著緊密地聯系，所以第一種通過控制聲源處進行噪聲抑制的方法，是眾多研究人員比較推崇的方法，并且在這方面進行了大量的研究實驗。截至目前諸如多孔側緣、側緣柵欄等的降噪方法被廣泛應用。

側緣柵欄之所以能夠取得很好的降噪效果，是因為它可以將剪切層的不穩定性降低，防止側渦和上側尖邊緣之間進行相互的作用。另外，對渦匯合、渦核噴流、匯合渦與襟翼上表面以及邊緣幾者的相互作用情況也有很好的控制，在設計的過程中不論是柵欄的厚度，亦或是高度和形狀等因素，都被考慮在內。小型梯形的微型片裝置，還有因為從邊角處脫落產生的渦，使得剪切層的厚度得到了增強，進而更加穩定。所以，實現了對非定常剪切層導致的噪聲的有效控制。后緣的噪聲在鋸齒狀后緣的作用下被抑制，使匯合渦和襟翼后緣受到的干擾被有效降低，在主動吹氣的作用下，剪切層會被聚集成幾個小渦，也能達到增強剪切層穩定性的效果。而且將雙渦結構從固壁表面處移開，能夠實現控制湍流與結構間相互作用的目的。

進行縫翼縫道內非定常流動的控制，能夠讓縫翼下表面填充物、聲襯、流動控制等實現對縫翼噪聲的控制。這些縫翼的填充物大多數情況下是在某種狀態的流線形狀基礎上設計出來的。如果將裝密封板放置在縫翼的尖端，可以實現對縫翼后面流動狀態的顯著改善，讓噪聲的輻射值被降低下來[4]。

低噪聲的啟動布局設計和增升裝置的噪聲控制具有同樣重要的地位。波音和空客在設計增升裝置氣動的時候，需要同時做好各種外形的聲學特性評估，以此獲得能夠同時滿足高氣動特性和低噪聲水平的氣動外形。經過大量的實驗和研究，我們發現縮短縫翼縫道寬度的做法，雖然會導致最大生力系數的部分損失，但是可以有效地降低噪聲。曾經有研究人員猜測，飛機如果可以低噪音完成著陸，那么于高升力的特性保持和進場速度的降低而言是非常大的幫助。如果我們選擇使用微型的后緣裝置，那么雖然會在一定程度上增大后緣的噪聲，但是不可否認的是，能夠保證在同等升力的前提下，實現對整個機翼噪聲的降低。于前緣裝置而言，在實現噪聲顯著降低的前提下，稍稍損失部分最大升力是能夠讓人接受的。在這樣的情況下，我們可以選擇對高性能的后緣裝置和會稍微降低性能的前緣裝置進行有效結合，以便實現在保證最高升力系數的基本不變的前提下，實現讓飛機總噪聲大大減弱的目標。而是否對縫道的前緣裝置進行減少，則是研究人員設計時的一個選擇。像縫隙滑軌、除冰孔等的結構細節，研究人員在設計的時候需要額外注意，可以在以后的降噪研究工程中，把這些細節作為研究的切入點。

三、總結語

從我們意識到飛機噪聲問題的那時起，一直到今天，我們一直沒有放棄對降噪的研究，現在民用客機氣動噪聲的研究已經取得了突破性的進展。從世界角度來看，我們已經在增生裝置的氣動噪聲產生的機理方面，有了較為一致的研究結論。在未來的發展過程中，我們會對民用客機的排放、油耗等諸多方面進行嚴格的要求，同時會從降噪的目標出發，對民用客機制定相應的研究計劃。相信在我國的高度重視下，在民用客機增升裝置氣動噪聲控制方面一定能再研究出更加專業、有效的科技工具，在未來的民機研制方面取得進一步的發展，占有重要的一席之地。

參考文獻：

[1] 李卿， 王宇航. 一種基于物理機制的飛機增升裝置氣動噪聲快速預測方法研究[J].航空科學技術，2019，v.30;No.212（7）：24-30.

[2]郝璇，周家檢，張衛民.民用客機縫翼氣動噪聲數值模擬研究[J].民用飛機設計與研究，2014，（4）：21-26+86.

[3]張凱寧，謝凝，曹平寬，等.飛機起落架氣動噪聲數值研究[J].航空計算技術，2019，v.49;No.212（5）：67-70.

[4]張衛民，郝璇，陳大斌，周家檢.大型客機氣動噪聲預測[J].航空制造技術，2010，（14）：66-69.