四旋翼無人機(jī)靜音槳葉噪聲特性和氣動效率變化研究

摘要：降噪型螺旋槳相對于普通類型的螺旋槳，其槳尖帶有一定的后掠角度。為探討該外形特征對螺旋槳的噪聲特性和氣動效率的影響，本文基于槳尖不帶后掠角度的基礎(chǔ)槳葉模型上添加不同的槳尖后掠角度，建立了槳尖后掠角度為10°，20°，30°，40°，50°，60°的一組螺旋槳模型，運(yùn)用CFD計(jì)算方法對該組模型的噪聲特性和氣動特性展開研究，通過仿真分析得到的螺旋槳拉力系數(shù)，扭矩系數(shù)，懸停效率以及噪聲OSPL值，探索在懸停狀態(tài)，相同槳尖速度下，不同槳尖后掠角度螺旋槳噪聲特性和氣動效率的變化。對比研究結(jié)果表明：40°的槳尖后掠角度在拉力、噪聲控制及效率之間提供了最優(yōu)的平衡，為提升螺旋槳的氣動和噪聲性能具有重要參考價值。

關(guān)鍵詞：多旋翼無人機(jī)螺旋槳；槳尖后掠角度；CFD；氣動噪聲；氣動效率

中圖分類號：V211.3；TQ320.73文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0141-04

Study on noise characteristics and aerodynamic efficiency"changes of silent blades of four-rotor unmanned aerial vehicle

ZHAO Yuejiao，REN Yuxi，YAN Jing

（Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi’an 710089，China）

Abstract：Compared to the conventional type，the noise-reducing propeller has a certain degree of sweep angle at the blade tip.To investigate the impact of this design feature on the propeller’s noise characteristics and aerody?namic efficiency，a set of propeller models with blade tip sweep angles of 10°，20°，30°，40°，50°，and 60°was es?tablished based on a baseline blade model without sweep at the tip.The noise characteristics and aerodynamic char?acteristics of this group of models are studied"by using CFD calculation method.The propeller tension coefficient，torque coefficient，hovering efficiency and noise OSPL value obtained by simulation analysis are used to explore the changes of noise characteristics and aerodynamic efficiency of propellers with different tip sweep angles under the same tip speed in hovering state.The comparative research results show that the 40°tip sweep angle provides the optimal balance between thrust，noise control and efficiency，which has important reference value for improving the aerodynamic and noise performance of the propellers.

Keywords：multi-rotor UAV propeller；blade tip sweep angle;CFD；aerodynamic noise；aerodynamic efficiency

1背景及意義

無人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）近些年一直是航空領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其動力系統(tǒng)螺旋槳所產(chǎn)生的噪聲，引發(fā)了諸多問題[1-4]。鑒于此，無人機(jī)的螺旋槳噪聲問題受到了極大關(guān)注。當(dāng)下，業(yè)界的研究重點(diǎn)聚焦于如何設(shè)計(jì)并評估一款兼具高氣動效率與低噪聲特性的螺旋槳。

目前中外研究螺旋槳?dú)鈩有阅芎驮肼暤闹饕侄螢樵囼?yàn)測試[5-7]和數(shù)值模擬。Ning等[8]在全消聲室內(nèi)對某小型無人機(jī)螺旋槳的基準(zhǔn)型和優(yōu)化型的氣動噪聲開展了試驗(yàn)測試。丁存?zhèn)サ萚9]在聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)對基準(zhǔn)槳和低噪聲優(yōu)化槳的噪聲進(jìn)行試驗(yàn)測量。周家檢等[10]分析了螺旋槳的純音噪聲和寬頻噪聲的輻射特性。顧樹青等[11]掌握了螺旋槳不同弦長分布對遠(yuǎn)場噪聲的影響規(guī)律。項(xiàng)松等[12]獲得了不同弦長分布對螺旋槳拉力、扭矩和功率等氣動參數(shù)的影響規(guī)律。李喜樂等[13]提出了一種采用軌道拖車搭載螺旋槳的臨近空間螺旋槳地面試驗(yàn)方法。于濤等[14]提出噪聲基于振動產(chǎn)生，以裝置生成電機(jī)振動頻率相反的振動，以此抵消電機(jī)的振動，可實(shí)現(xiàn)噪聲的控制。

2研究方法

無人機(jī)的噪聲控制可從螺旋槳設(shè)計(jì)空氣動力學(xué)優(yōu)化，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電機(jī)、電調(diào)策略優(yōu)化，聲學(xué)材料等多角度綜合考慮。目前無人機(jī)螺旋槳的主要材料有pc塑料，碳纖維，玻璃纖維，復(fù)合材料等。pc塑料的密度低，制成的螺旋槳質(zhì)量小，有助于提高無人機(jī)的續(xù)航性能，且成本低，易加工，阻尼性能好，可吸收部分振動能量，減少噪音，目前廣泛應(yīng)用于中低端無人機(jī)型。碳纖維材料的強(qiáng)度較高，剛性好，可減少因形變和振動產(chǎn)生的噪音，但成本高，加工復(fù)雜，多應(yīng)用于高性能無人機(jī)型及航空航天領(lǐng)域[15]。本文選取6030型號PC槳葉，探究槳葉末端不同后掠角度對于氣動噪聲特性的影響。首先，在profile翼型設(shè)計(jì)軟件中，選定Archer A18作為基礎(chǔ)翼型。基于葉素理論，沿x軸方向?qū)⑷~素等分為10段。通過對各面上的葉素進(jìn)行掃掠處理，并依次連接，最終獲得末段后掠的槳葉模型。其中，基礎(chǔ)葉素弦長設(shè)定為15 mm。

以末段葉素的前緣點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，z軸方向?yàn)樾D(zhuǎn)軸，將葉素逆時針旋轉(zhuǎn)10°，20°，30°，40°，50°，60°共六個角度；通過掃掠命令，將多段葉素截面連接成尖端帶后掠角度的降噪葉片。運(yùn)用上述模型在Flu?ent和Actran中進(jìn)行耦合計(jì)算，得到槳葉旋轉(zhuǎn)過程中的噪聲聲壓級數(shù)據(jù)。其研究路線圖如圖1所示。

在仿真過程中，F(xiàn)luent所用的計(jì)算網(wǎng)格和Actran使用的網(wǎng)格為兩套并行網(wǎng)格，在Fluent中通過瞬態(tài)計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)域的振動信息數(shù)據(jù)，導(dǎo)出作為Actran計(jì)算中的初始條件。將Fluent計(jì)算的振動數(shù)據(jù)耦合至Actran計(jì)算網(wǎng)格中，將其轉(zhuǎn)化為聲信號，設(shè)定旋轉(zhuǎn)域?yàn)樵肼曉矗黧w域?yàn)槁晜鞑ビ颉Ａ黧w域和旋轉(zhuǎn)域均設(shè)置為有限元材料，在其網(wǎng)格內(nèi)計(jì)算噪聲，設(shè)置流體域表面為無限元屬性，即無反射屬性。在流體域邊界均勻設(shè)置6個點(diǎn)作為A計(jì)權(quán)聲壓級數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，然后取其算術(shù)平均值作為該點(diǎn)聲壓級數(shù)值，確定監(jiān)測點(diǎn)位置。

由式（1）計(jì)算得到槳葉在8 000轉(zhuǎn)時基頻為266.7 Hz，選定槳葉六倍基頻為仿真過程中的最大頻率，取值為1 500 Hz，

f= 60（np）（1）

式中：n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；p為螺旋槳扇葉數(shù)。

取最小頻率為人耳可以接收到的最低頻率20 Hz。為保證氣動噪聲計(jì)算的精度，需要在一個波長中包含6個網(wǎng)格，網(wǎng)格尺度計(jì)算如下：

λ= = = 227（mm）（2）

λζ= = 37.8（mm）（3）

式中：c為聲音的傳播速度；fmax取計(jì)算的最大噪聲頻率；λζ為滿足計(jì)算精度的基本網(wǎng)格尺度。

雷諾數(shù)（Re）是描述流體流動特性的重要無量綱數(shù)，它反映了流動的慣性力與粘性力的相對重要性。相同的雷諾數(shù)意味著流動的慣性和粘性效應(yīng)相似，這對于保持不同螺旋槳在仿真條件下的流動特性一致性至關(guān)重要。螺旋槳的轉(zhuǎn)速直接影響槳尖線速度，從而影響雷諾數(shù)，雷諾數(shù)與槳葉的轉(zhuǎn)速成正比，所以在不同槳尖后掠角度的分析計(jì)算中，槳葉的槳尖切線速度相同，即螺旋槳的雷諾數(shù)相同。計(jì)算公式如下：

V= 2πnR（4）

式中：V為螺旋槳槳尖線速度；n值為螺旋槳轉(zhuǎn)速；R值為螺旋槳半徑。

在螺旋槳的動力學(xué)特性的計(jì)算中，螺旋槳產(chǎn)生的拉力可以看作由槳葉旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致螺旋槳吸力面和壓力面壓力差所產(chǎn)生的力，表示為T。拉力系數(shù)使用CT表示，計(jì)算如下：

式中：ρ為空氣密度；Ω為螺旋槳角速度，rad/s。

mk扭矩系數(shù)：

式中：MK為螺旋槳的扭矩。螺旋槳在懸停狀態(tài)下的效率為旋翼誘導(dǎo)功率和總功率的比值，用下式表示

3網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為保證氣動噪聲仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對仿真進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，細(xì)化后的網(wǎng)格總數(shù)呈梯度式增加。在不同網(wǎng)格數(shù)量的仿真分析下，隨著網(wǎng)格數(shù)量的加密，得到的聲壓級結(jié)果（dBA）變化很小，結(jié)果間誤差不大于1%，這表明第一組網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果已趨于穩(wěn)定，誤差小于設(shè)定的容差閾值，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算精度的要求，可用于后續(xù)的仿真。

4仿真有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的真實(shí)性，本文設(shè)計(jì)搭建螺旋槳?dú)鈩訉?shí)驗(yàn)臺。試驗(yàn)臺由驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成。

驅(qū)動系統(tǒng)中的無刷電機(jī)通過設(shè)計(jì)的支架安裝在實(shí)驗(yàn)臺架上，經(jīng)由電子調(diào)速器控制其轉(zhuǎn)速與仿真設(shè)置轉(zhuǎn)速對應(yīng)，螺旋槳固定在無刷電機(jī)上。經(jīng)無刷電機(jī)，動力傳輸至螺旋槳上，螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生拉力，使力傳遞裝置向前運(yùn)動，力傳遞裝置將拉力傳遞至S型拉壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集器將拉壓力傳感器傳遞的數(shù)據(jù)收集并處理，最終顯示在屏幕上。按照仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的6個監(jiān)測點(diǎn)位置布置HT622B分貝監(jiān)測儀，監(jiān)測螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣動噪聲，測量計(jì)帶防風(fēng)球，屏蔽風(fēng)噪。

試驗(yàn)臺主要零部件包括：無刷電機(jī)（Daj mini 3電機(jī)）；螺旋槳（6030 PC槳葉）；電子調(diào)速器（BRT?FOC485200S電壓12～80 V電流0～8 A）；數(shù)據(jù)采集器（HZC-110輸出：4-20 A）；型材架（20*20 304不銹鋼方管）；電源（LRS-100-12 LRS-100-24）；S型拉壓力傳感器（量程10N千分之一誤差）；HT622B專業(yè)噪聲計(jì)（HT622B 30～130 dB 1KHz精度±1.5 dB）。

將數(shù)據(jù)采集器收集和仿真分析得到的兩組拉力數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到圖2所示的曲線。

經(jīng)噪聲計(jì)在對應(yīng)6個噪聲監(jiān)測點(diǎn)的位置采集噪聲數(shù)據(jù)，取其噪聲數(shù)據(jù)穩(wěn)定時的聲壓值，得到表1的噪聲數(shù)據(jù)。

5結(jié)果與討論

5.1仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對比

通過仿真分析得到的螺旋槳在不同轉(zhuǎn)速下拉力數(shù)據(jù)曲線和試驗(yàn)臺收集得到拉力曲線基本對應(yīng)，二者數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，這證明通過仿真得到的拉力數(shù)據(jù)真實(shí)有效，符合實(shí)際的工程狀況，可用于進(jìn)一步的分析研究。

OSPL值為經(jīng)A計(jì)權(quán)處理過的平均聲壓級，綜合考慮了在一段時間內(nèi)聲源的整體輸出特性。通過噪聲測量儀測得的最大聲壓值為瞬時聲壓值，為在整體頻率下捕捉到的某一瞬間的峰值。在本次的實(shí)驗(yàn)中，使用HT622B型號的噪聲測量儀測量螺旋槳在8 000 rpm轉(zhuǎn)速下最大聲壓值，用于驗(yàn)證仿真結(jié)果的真實(shí)性。

將測得的噪聲數(shù)據(jù)與仿真所得聲壓頻譜數(shù)值進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，各采集點(diǎn)的聲壓極大值與頻譜圖中的最大值74.05 dBA間的誤差均在10%以內(nèi)，表明仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際測量結(jié)果具有一致性，具有較高的可信度，可用于進(jìn)一步的噪聲控制與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

5.2不同槳尖后掠角度螺旋槳噪聲仿真結(jié)果

基于上述研究方法，本文首先對后掠角度為0°時的螺旋槳噪聲特性進(jìn)行研究。對比在六個噪聲監(jiān)測點(diǎn)在不同頻率下的聲壓值變化發(fā)現(xiàn)，六個監(jiān)測位置在頻率為220 Hz時聲壓值最大為74.05 dBA。在頻率較低時，六個監(jiān)測位置聲壓值大小相近；而在頻率較高時，六個監(jiān)測點(diǎn)的聲壓值呈現(xiàn)較大波動，在傳播域內(nèi)呈現(xiàn)出一定的不均勻性。

從圖3（a）中可得到，螺旋槳表面的聲壓值分布，同槳葉表面的壓力分布基本對應(yīng)，由槳根至槳尖處壓力逐漸增大。由圖3（b）在x方向截面和z方向截面上可以觀察到噪聲在傳播域中均勻的向外傳播，聲壓值隨著空間距離的增加而衰減。

不同槳尖后掠角度的螺旋槳聲壓級隨頻率變化，不同槳尖后掠角度的螺旋槳在相同的槳尖轉(zhuǎn)速下，其聲壓級數(shù)值在低頻下的分布特性相似，其產(chǎn)生的最大聲壓級均處于基頻位置，在高頻區(qū)域六個監(jiān)測點(diǎn)記錄到的聲壓級數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)一定的波動。

對比聲壓級數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在A計(jì)權(quán)的聲壓計(jì)算下，隨著槳葉尖端后掠角度的增加，各個監(jiān)測點(diǎn)的聲壓數(shù)值均有不同程度的下降。后掠角度由0°到60°，噪聲OSPL值由95.62 dBA下降至93.24 dBA，下降2.38 dBA。

5.3不同槳尖后掠角度螺旋槳?dú)鈩有史抡娼Y(jié)果

在對螺旋槳進(jìn)行氣動噪聲分析評估的同時，對螺旋槳的氣動性能進(jìn)行同步研究，從多方面評估槳尖后掠角度對螺旋槳各項(xiàng)性能的影響，如拉力系數(shù)，扭矩系數(shù)，效率等。

比較為不同槳尖后掠角度下槳尖后掠槳葉的拉力系數(shù)，扭矩系數(shù)和螺旋槳效率發(fā)現(xiàn)，隨著槳尖后掠角度的增加，螺旋槳的拉力系數(shù)和扭矩系數(shù)均有下降，但螺旋槳的整體效率有所提升，提升的最大范圍在槳尖后掠角度為40°時，上升了4.9%。

6結(jié)語

（1）隨著槳尖后掠角度的增加，螺旋槳產(chǎn)生的氣動噪聲逐漸降低，在槳尖后掠角度達(dá)到60°時，其產(chǎn)生的氣動噪聲相對原型槳葉下降了2.38 dBA。這表明增加槳尖后掠角度可提高螺旋槳的靜音特性。

（2）螺旋槳效率呈現(xiàn)出先上升后略微下降的趨勢，在后掠角度從0°增加至40°的過程中，效率穩(wěn)步提升，并在40°時達(dá)到峰值。這表明適當(dāng)?shù)暮舐咏窃O(shè)計(jì)能夠優(yōu)化氣流流動特性，減少渦流和阻力，從而提升螺旋槳的氣動效率。

（3）從噪聲和效率的變化可以得出，在合理的槳尖后掠角范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)噪聲控制和氣動效率的同步優(yōu)化。因此，40°左右的槳尖后掠角度為該型號螺旋槳性能的平衡點(diǎn)，既提升了拉力效率，又降低了噪聲輸出。但超過此范圍的后掠角可能導(dǎo)致效率的下降，在設(shè)計(jì)中需慎重考慮。

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（責(zé)任編輯：李睿）