閆國(guó)華，馬永康，*，陳佳棟

1.中國(guó)民航大學(xué) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，天津 300300

2.中國(guó)民航大學(xué) 中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300

隨著城市化進(jìn)程的加快和我國(guó)商用飛機(jī)機(jī)隊(duì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，飛機(jī)噪聲對(duì)機(jī)場(chǎng)周邊地區(qū)的影響日益受到人們的廣泛關(guān)注[1]。出于環(huán)境保護(hù)的需要，國(guó)際民航組織對(duì)飛機(jī)降噪的要求越來越高，噪聲適航審定已成為飛機(jī)能否達(dá)到適航要求的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇噪聲作為飛機(jī)的主要噪聲源之一，與起飛過程相比其噪聲影響在進(jìn)近過程中更為顯著[2]。隨著我國(guó)國(guó)產(chǎn)大涵道比商用發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的實(shí)施，研究目前ARJ21支線客機(jī)所使用的CF34-10A的風(fēng)扇噪聲并分析相關(guān)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的影響，對(duì)我國(guó)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)具有十分重要的意義。在發(fā)動(dòng)機(jī)研制之初對(duì)其風(fēng)扇噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估，可以有效避免后期發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲水平達(dá)不到適航標(biāo)準(zhǔn)而造成的整個(gè)項(xiàng)目的延期和研制成本的增加，從而有利于我國(guó)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定工作的開展。

本文通過動(dòng)態(tài)修正后的Heidmann風(fēng)扇噪聲預(yù)測(cè)模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇部件在進(jìn)近過程中的總聲壓級(jí)、感覺噪聲級(jí)、有效感覺噪聲級(jí)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，并與《中國(guó)民用航空規(guī)章》第36部（CCAR-36）適航要求相比較，為飛機(jī)噪聲適航工作提供參考。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇進(jìn)近噪聲預(yù)測(cè)算法

隨著現(xiàn)代民用發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的不斷增加，噴流噪聲大幅度降低，也使得風(fēng)扇噪聲在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲中的比重顯著上升[3，4]。風(fēng)扇噪聲由風(fēng)扇進(jìn)口寬頻噪聲、風(fēng)扇進(jìn)口離散單音噪聲、風(fēng)扇進(jìn)口組合單音噪聲、風(fēng)扇出口寬頻噪聲和風(fēng)扇出口離散單音噪聲等5個(gè)部分組成[5]。本文以美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和美國(guó)通用電氣（GE）公司提出的Heidmann大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇噪聲半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)算法為基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)近過程中的風(fēng)扇噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇靜態(tài)噪聲預(yù)測(cè)算法

Heidmann半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且环N基于歸一化的算法，用于預(yù)測(cè)單轉(zhuǎn)子或雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)三分之一倍頻程的風(fēng)扇噪聲[6]。風(fēng)扇噪聲的預(yù)測(cè)方式是分別計(jì)算出5個(gè)部分的聲壓級(jí)，最后疊加得到總聲壓級(jí)。每個(gè)部分在標(biāo)準(zhǔn)海平面下的聲壓級(jí)的計(jì)算通式如下：

式（1）為風(fēng)扇噪聲的基本預(yù)測(cè)方程，其中，SPLr（f，θ）為風(fēng)扇噪聲聲壓級(jí)，是關(guān)于測(cè)距離r、三分之一倍頻程f和指向角θ的函數(shù)；ΔT為通過風(fēng)扇的總溫升，T∞為環(huán)境溫度，ΔTref為參考溫升；m·為通過風(fēng)扇的質(zhì)量流量，m·ref為參考質(zhì)量流量；F1是關(guān)于葉尖設(shè)計(jì)馬赫數(shù)Mad和葉尖相對(duì)馬赫數(shù)Mar的函數(shù)，決定了聲功率級(jí)峰值，F(xiàn)2是關(guān)于轉(zhuǎn)靜子間距比s*的函數(shù)，D（θ）為方向修正函數(shù)，S（η）為頻譜函數(shù)，η為頻率參數(shù)，其中：

式中：fb為葉片通過頻率，B為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片數(shù)；，N為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，Ae為風(fēng)扇參考面積，Ma∞為飛行馬赫數(shù)，c∞為環(huán)境聲速， ，d為風(fēng)扇直徑。

1.2 基于靜態(tài)預(yù)測(cè)噪聲的動(dòng)態(tài)修正

從地面靜態(tài)映射到飛行狀態(tài)，本文主要考慮聲源移動(dòng)效應(yīng)、幾何發(fā)散衰減效應(yīng)和大氣吸聲衰減效應(yīng)。根據(jù)CCAR-36對(duì)進(jìn)近噪聲測(cè)量的要求，飛機(jī)需要沿著3°的下滑道飛行，進(jìn)近基準(zhǔn)噪聲測(cè)試點(diǎn)位于跑道中心線延長(zhǎng)線上離跑道入口2000m處[7]。飛機(jī)進(jìn)近基準(zhǔn)航跡如圖1所示。

圖1 飛機(jī)進(jìn)近航跡示意圖Fig.1 Approach path of aircraft

1.2.1 噪聲源移動(dòng)效應(yīng)修正

發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇聲源相對(duì)于噪聲測(cè)量點(diǎn)的移動(dòng)而進(jìn)行的聲壓級(jí)修正可以用公式（4）計(jì)算[8]：

式中： 為飛行聲壓級(jí)； 為靜態(tài)聲壓級(jí)；Ma為飛行馬赫數(shù)；λ為飛行航跡與飛機(jī)和傳感器連線的夾角。

1.2.2 幾何發(fā)散衰減效應(yīng)

幾何發(fā)散是點(diǎn)生源在自由場(chǎng)傳播過程中的球面擴(kuò)展。相同距離下，每個(gè)三分之一倍頻程的幾何發(fā)散衰減相同[8，9]：

式中：r2為測(cè)量點(diǎn)到移動(dòng)聲源的距離；r1為測(cè)量點(diǎn)到靜態(tài)參考聲源的距離。

1.2.3 大氣吸聲衰減效應(yīng)

在噪聲的傳播過程中需要考慮到大氣吸收效應(yīng)[8，10]，在一定的溫度和濕度下，每個(gè)三分之一倍頻程各自對(duì)應(yīng)的大氣吸聲系數(shù)如下：

式中：m=2.05lg（ fα/1000)+1.1394×10-3θ-1.916984，n=lg（fα)+8.42994×10-3θ-2.755624。

式中：m1=lgH-1.328924+3.179768×10-2θ，n1=-2.173716×10-4θ2+1.7496×10-6θ3。

修正后的每個(gè)三分之一倍頻程聲壓級(jí)為：

表1和表2給出了相應(yīng)的中間量。

表1 δ—η對(duì)照表Table 1 δ—η comparison

表 2 f—f0對(duì)照表Table 2 f—f0 comparison

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇噪聲預(yù)測(cè)實(shí)例

2.1 參數(shù)輸入

本文以ARJ21支線客機(jī)所使用的CF34-10A發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在噪聲合格審定基準(zhǔn)條件下（標(biāo)準(zhǔn)海平面大氣壓，大氣溫度25℃，相對(duì)濕度70%），對(duì)飛機(jī)在進(jìn)近階段的風(fēng)扇噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)?；据斎?yún)?shù)見表3和表4。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇幾何參數(shù)Table 3 Geometry parameters of engine fan

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇性能參數(shù)表Table 4 Performance parameters of engine fan

2.2 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

在噪聲合格審定要求的基準(zhǔn)條件下，ARJ21支線客機(jī)在進(jìn)近階段的發(fā)動(dòng)機(jī)（兩臺(tái)）風(fēng)扇進(jìn)口噪聲有效感覺噪聲級(jí)（EPNL）預(yù)測(cè)值為85.1dB，風(fēng)扇出口噪聲有效感覺噪聲級(jí)預(yù)測(cè)值為86.3dB。根據(jù)GE公司的公開資料，ARJ21支線客機(jī)在進(jìn)近條件下的風(fēng)扇進(jìn)口噪聲實(shí)測(cè)值約為83.7dB，風(fēng)扇出口噪聲實(shí)測(cè)值約為86.9dB。進(jìn)近條件下，風(fēng)扇進(jìn)口噪聲的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值相差1.4dB，誤差在1.6%以內(nèi)；風(fēng)扇出口噪聲的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值相差0.6dB，誤差小于1%；進(jìn)近階段兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇整體噪聲有效感覺噪聲級(jí)預(yù)測(cè)值為88.58dB。同時(shí)，兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇整體噪聲的預(yù)測(cè)值未超過飛機(jī)噪聲數(shù)據(jù)庫(kù)中ARJ21相應(yīng)機(jī)型的整機(jī)噪聲實(shí)測(cè)值。因此，在基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇部件靜態(tài)噪聲預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正后的航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇部件進(jìn)近噪聲預(yù)測(cè)算法可以較好地預(yù)測(cè)實(shí)際情況。如果選用飛機(jī)在實(shí)際進(jìn)近過程中的風(fēng)扇進(jìn)口空氣質(zhì)量流量和通過風(fēng)扇的總溫升作為輸入?yún)⒘?，則直接運(yùn)用風(fēng)扇部件進(jìn)近動(dòng)態(tài)噪聲預(yù)測(cè)算法得到的風(fēng)扇整體噪聲預(yù)測(cè)值為95.12dB，與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相比誤差較大。因此，基于風(fēng)扇部件靜態(tài)噪聲預(yù)測(cè)飛行狀態(tài)噪聲的風(fēng)扇部件進(jìn)近噪聲預(yù)測(cè)方法更準(zhǔn)確。

在飛機(jī)進(jìn)近過程中，單臺(tái)CF34-10A發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的總聲壓級(jí)（OASPL）預(yù)測(cè)值和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)（dBA）預(yù)測(cè)值隨發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口軸線與發(fā)動(dòng)機(jī)和測(cè)量點(diǎn)連線的夾角（指向角）的變化，如圖2所示。

圖2 風(fēng)扇部件dBA與OASPL隨角度的變化Fig.2 Variation of fan dBA and OASPL with angle

從圖2中可以看出，飛機(jī)進(jìn)近10dB降區(qū)間內(nèi)單臺(tái)CF34-10A發(fā)動(dòng)機(jī)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)（dBA）和總聲壓級(jí)（OASPL）的變化趨勢(shì)是先增大后減小，且總聲壓級(jí)始終大于A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。

2.3 環(huán)境因素對(duì)風(fēng)扇進(jìn)近噪聲傳播的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇噪聲在傳播過程中會(huì)受到大氣環(huán)境因素的影響，本文選取濕度和溫度兩個(gè)環(huán)境變量對(duì)進(jìn)近過程中風(fēng)扇噪聲的傳播特性進(jìn)行分析。由于客觀試驗(yàn)條件限制，在分析溫度變化時(shí)假定不同溫度下的空氣進(jìn)口質(zhì)量流量相等。濕度和溫度對(duì)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)在進(jìn)近過程中風(fēng)部件扇有效感覺噪聲級(jí)預(yù)測(cè)值的影響，如圖3和圖4所示。

圖3 風(fēng)扇部件有效感覺噪聲級(jí)隨大氣濕度的變化Fig.3 Variation of fan EPNL with air humidity

圖4 風(fēng)扇部件有效感覺噪聲級(jí)隨大氣溫度的變化Fig.4 Variation of fan EPNL with air temperature

從圖3中可以看出，大氣環(huán)境對(duì)風(fēng)扇部件進(jìn)近噪聲的吸收衰減作用隨濕度的增加而減小，尤其是在相對(duì)濕度為10%～20%的范圍內(nèi)，大氣環(huán)境對(duì)風(fēng)扇部件進(jìn)近噪聲預(yù)測(cè)值的吸收衰減效應(yīng)明顯；在相對(duì)濕度超過30%以后，大氣環(huán)境對(duì)風(fēng)扇部件進(jìn)近噪聲預(yù)測(cè)值的吸收衰減效應(yīng)隨相對(duì)濕度的增加而減弱。

從圖4中可以看出，進(jìn)近過程中，溫度一定時(shí)，在相對(duì)濕度20%～30%的范圍之外，空氣的相對(duì)濕度越大，則對(duì)風(fēng)扇噪聲的衰減吸收作用越小。在相對(duì)濕度一定時(shí)，在-20～ -10℃范圍內(nèi)，溫度越高，大氣對(duì)風(fēng)扇噪聲的吸收衰減作用越大；在0～20℃范圍內(nèi)，大氣對(duì)風(fēng)扇噪聲的吸收衰減作用隨著溫度的升高而減弱；在20～45℃范圍內(nèi)，大氣對(duì)風(fēng)扇噪聲的吸收衰減作用隨溫度的升高而增強(qiáng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合適航規(guī)章中的飛機(jī)進(jìn)近基準(zhǔn)程序，研究了基于進(jìn)近過程修正后的Heidmann風(fēng)扇噪聲預(yù)測(cè)算法，開發(fā)相應(yīng)程序，預(yù)測(cè)得到CF34-10A發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)近條件下的有效感覺噪聲級(jí)，通過分析得到如下結(jié)論：

（1）基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇部件靜態(tài)噪聲預(yù)測(cè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正后的航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇部件進(jìn)近噪聲預(yù)測(cè)算法可以較好地預(yù)測(cè)實(shí)際情況，并探究了部分環(huán)境因素對(duì)風(fēng)扇部件進(jìn)近噪聲的影響。

（2）該風(fēng)扇部件進(jìn)近噪聲預(yù)測(cè)模型適用于雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，且發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣質(zhì)量流量和通過風(fēng)扇的總溫升必須選擇地面試車狀態(tài)下的穩(wěn)定值。

（3）本文開發(fā)的進(jìn)近風(fēng)扇噪聲預(yù)測(cè)程序可以為發(fā)動(dòng)機(jī)降噪設(shè)計(jì)和飛機(jī)噪聲適航審定工作提供參考。

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