增升裝置多段翼型氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究

李 玲 劉沛清

(北京航空航天大學(xué)陸士嘉實(shí)驗(yàn)室(航空氣動(dòng)聲學(xué)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，北京 100191)

0 引言

飛機(jī)噪聲總體上分成飛機(jī)外部噪聲和機(jī)艙內(nèi)部噪聲兩大類。機(jī)艙內(nèi)部噪聲主要影響載客時(shí)旅客的舒適度，而外部噪聲在飛機(jī)起降階段對(duì)機(jī)場(chǎng)周邊影響比較大，是目前急需研究和降低的一類飛機(jī)噪聲。飛機(jī)外部噪聲的主要噪聲源包括發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)體部件、動(dòng)力系統(tǒng)與機(jī)體干擾噪聲。過去四五十年間，因?yàn)榇蠛辣葴u輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，以及消聲短艙、V型花瓣噴嘴等發(fā)動(dòng)機(jī)降噪技術(shù)的研究成果，使得發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲得到了很大程度的降低，這也就導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)體噪聲在飛機(jī)總的噪聲中所占的比重越來(lái)越大，特別是在飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸階段，發(fā)動(dòng)機(jī)處于慢車狀態(tài)導(dǎo)致其噪聲不明顯，機(jī)體噪聲越發(fā)突顯出來(lái)。在飛機(jī)降落過程中，完全處于打開狀態(tài)的增升裝置和起落架是機(jī)體氣動(dòng)噪聲的主要噪聲源。

基于增升裝置多段翼型幾何構(gòu)型、流場(chǎng)特性和氣動(dòng)噪聲特性的復(fù)雜性，在北京航空航天大學(xué)D5氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中針對(duì)增升裝置多段翼型開展氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量揭示多段翼型遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的主要特性和主要噪聲源分布，探究噪聲的產(chǎn)生機(jī)理。同時(shí)，針對(duì)頻譜中存在的多重離散噪聲的現(xiàn)象，引入小波分析這種時(shí)頻分析方法進(jìn)行處理，深入揭示了多重離散噪聲間隱含的時(shí)間特性。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸O(shè)備

1.1 氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞

北京航空航天大學(xué)D5氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞是一座1 m量級(jí)的低速、低湍流度、低背景噪聲的回流式風(fēng)洞。風(fēng)洞總體長(zhǎng)度25.58 m，寬度9.2 m，高度3.0 m。風(fēng)洞采用兩種實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)，可以開口、閉口兩用，實(shí)驗(yàn)段截面是1 m×1 m的矩形截面，開口實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)2 m，帶有一個(gè)0.5 m長(zhǎng)的收集口，閉口實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)2.5 m，在閉口實(shí)驗(yàn)段中最大風(fēng)速可以達(dá)到100 m/s，而在開口實(shí)驗(yàn)段中則可以達(dá)到80 m/s。風(fēng)洞的湍流度在閉口實(shí)驗(yàn)段的中心進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的湍流度小于0.08%。

為了模擬無(wú)聲波反射的噪聲測(cè)量環(huán)境并消除外側(cè)噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在D5風(fēng)洞開口實(shí)驗(yàn)段外部區(qū)域建有一個(gè)長(zhǎng)7 m、寬6 m、高6 m的全消聲室，其截止頻率為200 Hz。在距離風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段軸線1.5 m的位置上，80 m/s風(fēng)速下測(cè)量得到的風(fēng)洞背景噪聲為85 dB(A)。總的來(lái)說，D5氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞具有良好的氣動(dòng)和聲學(xué)特性，可以對(duì)飛機(jī)縮比模型和部件進(jìn)行氣動(dòng)特性和聲學(xué)特性的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀玫氖莵?lái)自機(jī)體氣動(dòng)噪聲標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算大會(huì)(BANC)的30P30N三段翼型。該模型是二維的高升力構(gòu)型，翼型的干凈弦長(zhǎng)c=0.457 2 m，上下由端板進(jìn)行固定安裝，展長(zhǎng)b=1 m，前緣和后緣的弦長(zhǎng)分別是0.15c和0.3c，即0.069 m和0.137 m，基本構(gòu)型是典型的著陸構(gòu)型，前緣縫翼和后緣襟翼相對(duì)主翼的偏角均為30°，此時(shí)前緣縫翼和后緣襟翼相對(duì)主翼的縫隙量分別是2.95%c和1.27%c，重疊量分別是-2.95%c和0.25%c，具體參數(shù)見表1。

表1 30P30N三段翼型的主要參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

氣動(dòng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)主要采用遠(yuǎn)場(chǎng)傳聲器測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲信號(hào)和麥克風(fēng)陣列定位主要噪聲源位置。

遠(yuǎn)場(chǎng)傳聲器選用1/2英寸自由場(chǎng)傳聲器，測(cè)量頻率范圍是6.3 Hz～20 kHz，動(dòng)態(tài)范圍為14.6 dB～146 dB，完全滿足對(duì)本模型的遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲測(cè)量需求。實(shí)驗(yàn)時(shí)傳聲器布置在翼型壓力面一側(cè)的消聲室中，其中心距離翼型中心5倍翼型弦長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)采樣頻率設(shè)置為65 536 Hz，采樣時(shí)間是50 s。遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲信號(hào)的采集、儲(chǔ)存等過程均由Labshop軟件進(jìn)行處理，噪聲頻譜由Reflex軟件計(jì)算得到，頻譜的分辨率為8 Hz。

麥克風(fēng)陣列由32個(gè)探頭組成，呈螺旋形狀分布在一個(gè)直徑1 m的圓盤上。陣列傳聲器的頻率范圍可以達(dá)到20 kHz，動(dòng)態(tài)范圍是32 dB(A)～135 dB。實(shí)驗(yàn)中，麥克風(fēng)陣列布置在距離翼型中心下表面2 m的位置，測(cè)量時(shí)間是10 s，采樣頻率是25.6 kHz。測(cè)量的聲信號(hào)通過傳統(tǒng)的波束成形方法進(jìn)行后處理生成陣列測(cè)得的聲源分布云圖。

1.4 聲學(xué)實(shí)驗(yàn)段

開口實(shí)驗(yàn)段便于進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲測(cè)量，且實(shí)驗(yàn)的背景噪聲低，但是其模擬的流場(chǎng)與真實(shí)無(wú)界流場(chǎng)的情況存在很大的不同；閉口實(shí)驗(yàn)段則能很好地模擬真實(shí)流場(chǎng)的情況，具備確保氣流的穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢(shì)，但是其高背景噪聲、實(shí)驗(yàn)段內(nèi)存在聲波反射、無(wú)法測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲等特點(diǎn)導(dǎo)致其不能直接用于氣動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)研究。

為了兼顧開閉口兩種常規(guī)實(shí)驗(yàn)段的優(yōu)點(diǎn)而又盡可能克服其缺點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行了改造，如圖1所示。在翼型壓力面一側(cè)以Kevlar布作為實(shí)驗(yàn)段側(cè)壁材料，達(dá)到透聲(會(huì)有聲能量損失)但不透氣的效果；在翼型吸力面一側(cè)則采用內(nèi)層Kevlar布外層穿孔板的方案，既加強(qiáng)了其抵抗變形的能力也不影響其透聲性能。這個(gè)新型的實(shí)驗(yàn)段可以滿足在氣動(dòng)上閉口但聲學(xué)上開口的要求，既消除了由于翼型對(duì)氣流的強(qiáng)導(dǎo)流作用而導(dǎo)致的流場(chǎng)不相似問題，同時(shí)也降低了實(shí)驗(yàn)段的背景噪聲水平。這種新型的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)段的設(shè)計(jì)和聲學(xué)修正見文獻(xiàn)[6]。

圖1 30P30N氣動(dòng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)置[6]

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本章節(jié)主要展示的是30P30N三段翼模型通過遠(yuǎn)場(chǎng)傳聲器和麥克風(fēng)陣列測(cè)量得到的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜和主要聲源位置，以及引進(jìn)小波變換的方法處理聲信號(hào)得到的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲時(shí)頻特性。

為研究30P30N構(gòu)型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲隨來(lái)流馬赫數(shù)的變化規(guī)律，試驗(yàn)中分別測(cè)試了結(jié)果。

2.1 頻域特性分析

通過測(cè)量30P30N構(gòu)型在來(lái)流馬赫數(shù)為0.09、0.12、0.15和0.17這四個(gè)工況的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲結(jié)果，得到了6°迎角下30P30N構(gòu)型遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜隨來(lái)流馬赫數(shù)的變化規(guī)律，如圖2所示。所有展示的噪聲結(jié)果均經(jīng)過Kevlar布和邊界層聲損失的修正處理。30P30N構(gòu)型在低頻段會(huì)產(chǎn)生3個(gè)明顯的離散峰噪聲，且離散峰噪聲的頻率和強(qiáng)度均隨著頻率的增大而增大。將噪聲頻率按前緣縫翼弦長(zhǎng)為特征尺度進(jìn)行斯特勞哈爾數(shù)(Strouhal，St)相似，將噪聲強(qiáng)度按照馬赫數(shù)(Mach，Ma)的4.5次冪的比例律對(duì)上述不同工況下的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，其結(jié)果如圖3所示。通過對(duì)比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲在不同速度下的頻譜通過無(wú)量綱歸一化處理，不同工況下的寬頻噪聲和離散峰值噪聲均吻合得好，說明30P30N三段翼型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲滿足馬赫數(shù)4.5次冪的比例律關(guān)系，與國(guó)外其他團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。

圖2 遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜隨來(lái)流馬赫數(shù)的變化[7]

圖3 遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲無(wú)量綱歸一化頻譜[7]

麥克風(fēng)陣列可以將每個(gè)探頭采集的信號(hào)通過傳統(tǒng)的波束成形理論進(jìn)行處理，從而得到主要噪聲源的位置，由于不同工況下主要噪聲源位置結(jié)果沒有明顯差異，本文僅展示迎角6°，Ma=0.17工況的結(jié)果。圖4(a)給出了噪聲源分布的幾何示意圖，從陣列的視角看向模型的方向，即翼型的下翼面也就是飛機(jī)過頂飛行的視角，以便方便定位噪聲源位置。圖4(b)～(d)所示為1/3倍頻中心頻率分別為1 250 Hz、2 000 Hz和2 500 Hz的噪聲源分布情況。從噪聲源的分布可以看出30P30N三段翼型的主要噪聲源在f=2 000 Hz頻率下是最強(qiáng)烈的，在f=2 500 Hz頻率下是最弱的，與遠(yuǎn)場(chǎng)聲譜所反應(yīng)的現(xiàn)象是一致的，而且通過噪聲源的分布可以看出低頻下噪聲源覆蓋了前緣縫翼和主翼之間的大部分區(qū)域，而隨著頻率增加，噪聲源分布越來(lái)越集中在前緣凹槽和與主翼的縫道，因此我們可以認(rèn)為聲譜中比較顯著的離散峰值是由于前緣與主翼之間的這部分區(qū)域所產(chǎn)生和輻射出的。

(a) 噪聲源分布陣列視角的幾何示意圖

(b) f=1 250 Hz

(c) f=2 000 Hz

(d) f=2 500 Hz圖4 30P30N構(gòu)型主要噪聲源位置[7]

2.2 時(shí)頻特性分析

圖2所示的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜圖清晰表明了30P30N三段翼型產(chǎn)生的多個(gè)離散峰噪聲的頻率和強(qiáng)度信息，但是無(wú)法反映出這些離散噪聲是何時(shí)激發(fā)的，也無(wú)法確定多個(gè)離散噪聲之間是交替激發(fā)還是同時(shí)激發(fā)的。這些時(shí)頻特性對(duì)于深入理解噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和高效的瞬態(tài)噪聲控制技術(shù)是至關(guān)重要的。造成這一問題的原因在于噪聲頻譜是采用基于時(shí)間平均的傅里葉變換方法處理得到的，從而丟失了信號(hào)的時(shí)間特性。因此采用基于連續(xù)小波變換的時(shí)頻分析方法對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)多重離散噪聲的時(shí)頻特性進(jìn)行分析。對(duì)于三段翼型離散噪聲而言，周期性的脈動(dòng)特性是占主導(dǎo)的，因此使用復(fù)數(shù)類的Morlet函數(shù)作為小波函數(shù)更合適分析噪聲信號(hào)的時(shí)間特性。

圖5所示為30P30N三段翼型遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的小波系數(shù)云圖。從頻域看，小波系數(shù)云圖準(zhǔn)確捕捉到了低頻段的三個(gè)離散噪聲和低頻的干擾噪聲，離散噪聲的中心頻率分別在1 350 Hz、2 000 Hz和2 800 Hz附近，與頻譜分析結(jié)果一致。此外，小波能量集中區(qū)的頻率帶寬與頻譜上反映的對(duì)應(yīng)離散峰的頻率上下限相吻合。這些結(jié)果表明小波分析方法能夠捕捉信號(hào)的頻域特征。

圖5 30P30N構(gòu)型遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲信號(hào)的小波云圖

從時(shí)域看，圖5表明30P30N模型產(chǎn)生的各個(gè)離散峰都不是持續(xù)性激發(fā)的而是間歇性激發(fā)的。而且，在絕大部分時(shí)間段內(nèi)，三個(gè)頻段的小波能量集中區(qū)在時(shí)域上是交替出現(xiàn)的。在某一時(shí)刻其中一個(gè)離散峰的強(qiáng)度位于極大值區(qū)域，另幾個(gè)離散峰的強(qiáng)度一般位于極小值區(qū)域。這就說明多個(gè)離散峰的激發(fā)規(guī)律呈現(xiàn)一種此起彼伏的時(shí)間特征，一個(gè)離散噪聲的激發(fā)對(duì)應(yīng)著另幾個(gè)離散噪聲的消失。也就是說，主要聲能量并不集中在某一特定模態(tài)下而是隨時(shí)間變化在不同模態(tài)之間來(lái)回切換，激發(fā)對(duì)應(yīng)模態(tài)的離散噪聲。這種多重離散噪聲的時(shí)域現(xiàn)象稱為模態(tài)切換現(xiàn)象。

造成多重離散噪聲模態(tài)切換現(xiàn)象的本質(zhì)原因是空腔內(nèi)渦結(jié)構(gòu)數(shù)量隨時(shí)間的不斷變化，從而使對(duì)應(yīng)的離散噪聲交替被激發(fā)。對(duì)于空腔類流動(dòng)激發(fā)的離散噪聲而言，不同的離散噪聲對(duì)應(yīng)著不同的聲模態(tài)，模態(tài)數(shù)n在物理上代表著空腔內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的數(shù)目，而渦結(jié)構(gòu)的數(shù)目又會(huì)隨著時(shí)間的改變而不斷發(fā)生變化。這種流態(tài)切換的現(xiàn)象在二維空腔流動(dòng)中已經(jīng)被紋影法流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬成功捕捉到。由于30P30N構(gòu)型前緣縫翼凹槽類似于一個(gè)弧形空腔結(jié)構(gòu)，低頻段的三個(gè)離散噪聲的產(chǎn)生機(jī)理也類似于空腔流動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，因此其多重離散噪聲具有模態(tài)切換的時(shí)間特性。

3 結(jié)論

1) 30P30N三段翼型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲包含多個(gè)低頻段的離散峰值噪聲，且遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲滿足St數(shù)相似準(zhǔn)則和Ma4.5的比例律關(guān)系。

2) 離散峰值噪聲的主要聲源位置位于前緣縫翼和主翼之間的區(qū)域，其主要的噪聲產(chǎn)生機(jī)理為前緣縫翼凹槽內(nèi)的流-聲反饋回路。

3) 多重離散峰值噪聲滿足模態(tài)切換的時(shí)間特性，即多個(gè)離散噪聲是交替激發(fā)的。