王龍，燕群，薛東文，衛(wèi)凱

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

螺旋槳是飛機最早的動力裝置，由于螺旋槳具有 低耗油率、高飛行效率的優(yōu)點，因此，到現(xiàn)在它仍是最主要的軍、民用飛機動力裝置之一[1-3]，但同時也并存有較嚴重的噪聲問題。目前，降低螺旋槳噪聲主要有三種途徑：綜合考慮螺旋槳氣動、噪聲性能的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計[4-5]；機體艙壁結(jié)構(gòu)采用被動隔聲、吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計[6-7]；采用同頻、等幅、反相的二次聲源進行聲波相消的主動噪聲控制方法[8-10]。這幾種方法各有其局限性：螺旋槳的氣動噪聲優(yōu)化方法需要在保證螺旋槳氣動性能、槳葉強度的前提下降低噪聲，目前的研究多圍繞槳葉的旋轉(zhuǎn)噪聲預(yù)測展開，且優(yōu)化后的槳葉降噪量有限；被動隔聲技術(shù)多采用隔層板、具有吸聲材料的機體壁板，增加了機體質(zhì)量，同時隔聲技術(shù)僅對高頻噪聲有較好的效果，而螺旋槳噪聲主要包含其旋轉(zhuǎn)基頻噪聲及各次諧波頻率，隔聲、吸聲方法對降低螺旋槳的基頻噪聲收效甚微；主動噪聲控制方法能有效降低飛機艙內(nèi)的噪聲，但需要在機體安裝額外的揚聲器、控制器，各種設(shè)備復(fù)雜，給飛機帶來了較大的質(zhì)量附加，且有可能增加機體結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)[11]。

對于渦槳飛機，其各個螺旋槳都是單獨噪聲源，機體結(jié)構(gòu)在多螺旋槳噪聲源同時作用下，各噪聲幅值會相互抵消或疊加加強。若通過控制螺旋槳運行狀態(tài)，控制螺旋槳噪聲在指定范圍內(nèi)互相抵消，不僅能達到降噪的目的，而且不會對機體帶來額外的附加質(zhì)量，無需改變機體現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，極具研究價值。文獻[12]通過一個簡化的試驗?zāi)Ｐ脱芯苛寺菪龢辔徊畈煌瑫r，聲壓級的分布規(guī)律，從而給出一種通過控制槳葉相位差實現(xiàn)降噪的方法。文獻[13]研究了以降低給定區(qū)域噪聲為目標的槳葉相位差優(yōu)化方法。文獻[14]通過給出一種改進的噪聲向量模型，研究了四組螺旋槳相位差優(yōu)化，并通過試驗驗證了優(yōu)化結(jié)果。文中以雙螺旋槳飛機的布局結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，搭建模擬螺旋槳、機體結(jié)構(gòu)的試驗平臺，通過試驗研究雙螺旋槳同時運行時，兩個螺旋槳聲源在干涉狀態(tài)下對機體表面噪聲分布的影響，以及雙槳噪聲對消狀態(tài)下機體的降噪?yún)^(qū)域，為后續(xù)的雙槳對消降噪技術(shù)提供研究基礎(chǔ)。

1 雙槳干涉降噪原理

螺旋槳發(fā)出的噪聲主要為旋轉(zhuǎn)噪聲和寬頻噪聲兩部分：旋轉(zhuǎn)噪聲是螺旋槳與周期性來流相互作用產(chǎn)生的，寬頻噪聲則是葉片與周圍流場的隨機脈動相互作用產(chǎn)生的。與寬頻噪聲相比，旋轉(zhuǎn)噪聲是螺旋槳的主要聲源，旋轉(zhuǎn)噪聲頻率是槳葉的通過頻率及其各次諧波。若螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度為ω，葉片數(shù)為B，則槳葉的通過頻率為ωB/2π。

當兩副螺旋槳在機體兩側(cè)對稱布置時，在螺旋槳噪聲輻射范圍內(nèi)，可用簡化的向量P1表示點O 處的噪聲，如圖1 所示。左側(cè)螺旋槳產(chǎn)生的噪聲向量，可表示為：

右側(cè)螺旋槳產(chǎn)生的噪聲向量為P2，可表示為：

式中：P1,i為左側(cè)螺旋槳在O 點處噪聲的i 次諧波；A1,i為其幅值；t 為時間變量；P2,i為右側(cè)螺旋槳在O 點處噪聲的i 次諧波；A2,i為其幅值；b1,i與b2,i是與兩側(cè)螺旋槳槳葉相位角、O 點空間位置相關(guān)的不變量。

圖1 試驗平臺

雙槳同時作用下，O 點處的噪聲總向量為Pm，Pm為P1與P2的向量和。兩側(cè)螺旋槳同向、同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，P1、P2的i 次諧波頻率同為iωB/2π，則Pm的各次諧波頻率亦為iωB/2π，Pm的各次諧波向量為P1、P2的i 次諧波向量矢量和，可表示為：

式中：Pm,i為O 點處總噪聲的i 次諧波；Am,i為其幅值；θi是P1,i與P2,i兩個i 次諧波的相位差。

此時，O 點處的聲壓級為：

由式（5）可知，O 點處的聲壓級與噪聲向量幅值成對數(shù)關(guān)系，噪聲向量幅值越小，聲壓級越小。

兩側(cè)螺旋槳同向、同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，其在O 點處對應(yīng)的噪聲向量P1,i與P2,i的頻率相等，則P1與P2的i 次諧波相位差θi為（b1,i-b2,i），θi與O 點的空間坐標以及兩側(cè)螺旋槳的槳葉角差值有關(guān)，A1、A2與O點的空間坐標相關(guān)。因此，兩側(cè)螺旋槳以一恒定轉(zhuǎn)速運行時，兩側(cè)螺旋槳槳葉相位差不會發(fā)生變化，噪聲輻射空間內(nèi)各點處的聲壓級僅與其空間坐標相關(guān)。在不同觀測位置，由于雙槳產(chǎn)生的噪聲向量相位差不同，雙槳干涉降噪效果也不同。

2 試驗

文中采用試驗測量的方法，對雙槳干涉降噪狀態(tài)下不同位置的降噪效果進行研究。

2.1 試驗平臺搭建

搭建試驗平臺的目的是盡量模擬螺旋槳與機體結(jié)構(gòu)布局，通過控制機體兩側(cè)螺旋槳的運行狀態(tài)，使兩側(cè)槳葉產(chǎn)生的聲波發(fā)生破壞性干涉，從而降低機體表面一定區(qū)域內(nèi)的噪聲。

搭建的試驗平臺如圖2 所示，以圓形框段作為機體假件，在機體假件兩側(cè)對稱位置布置兩臺螺旋槳試驗臺，試驗臺以伺服電機驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。機身模擬件直徑為1260 mm，測試螺旋槳為JXF3295PRO，旋轉(zhuǎn)直徑為820 mm，機身模擬段外側(cè)與螺旋槳中心距離為820 mm。兩側(cè)螺旋槳位置對稱，同向旋轉(zhuǎn)。為保證噪聲測量準確性，實驗在半消聲室內(nèi)進行。

圖2 試驗平臺

2.2 噪聲測點布置

在機體假件與螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面相交橫截面布置5個傳聲器，進行機身表面噪聲的測量，如圖3 所示。分別在單側(cè)螺旋槳單獨運行狀態(tài)與雙側(cè)螺旋槳同時運行時進行機體假件表面噪聲測量，以研究雙槳同時運行時，對機體表面噪聲的影響。

圖3 測點分布

3 結(jié)果及分析

3.1 單側(cè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)

由于各點的聲壓級與其距聲源位置的距離直接相關(guān)。按試驗測點布置，1#、2#測點與4#、5#測點關(guān)于機體假件中心對稱。當左側(cè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，按各測點的空間位置變化，1#—5#測點與聲源位置的距離逐漸增加，各測點噪聲幅值則逐漸下降，各點的聲壓級也逐漸降低。當右側(cè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，1#—5#測點與聲源位置的距離逐漸減小，各測點噪聲幅值則逐漸上升，各點的聲壓級也逐漸增大。在左側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速為1650 r/min 時，進行機體假件表面噪聲測量，各測點的頻譜如圖4 所示。

從圖4 數(shù)據(jù)可知，1#—5#測點的基頻噪聲幅值分別為88.1、77.5、67.8、58.6、55.4 dB，呈逐漸下降的趨勢，各點處聲壓級也逐漸降低。在右側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速為1650 r/min 時，進行機體假件表面噪聲測量，各測點的頻譜如圖5 所示。

從圖5 數(shù)據(jù)可知，1#—5#測點的基頻噪聲幅值分別為59.1、60.6、68.1、74.7、80.5 dB，呈逐漸上升的趨勢，各點處聲壓級也逐漸增加。從圖4、圖5 中各測點的頻譜圖看，各測點聲壓級最大的頻率均為55 Hz，該頻率為雙葉片螺旋槳的通過噪聲基頻，與其理論值55 Hz 相符。各測點均表現(xiàn)出葉片通過噪聲基頻的倍頻特性，峰值頻率主要集中在通過噪聲基頻及其諧波上，且隨著諧波階次提高，其對應(yīng)聲壓級降低。

3.2 兩側(cè)螺旋槳同時旋轉(zhuǎn)

在兩側(cè)螺旋槳同時旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1650 r/min 時，進行機體假件表面噪聲測量，各測點的頻譜如圖6 所示。兩側(cè)螺旋槳均處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，在機體假件表面測點處，兩側(cè)螺旋槳產(chǎn)生噪聲發(fā)生干涉疊加，使各測點處聲壓級發(fā)生變化。由圖6 可以看出，由于兩側(cè)轉(zhuǎn)速均為1650 r/min，各測點測得聲壓級最大的頻率均為55 Hz，與葉片通過噪聲基頻一致。同時，兩側(cè)螺旋槳同時旋轉(zhuǎn)時，各測點亦均表現(xiàn)出明顯的倍頻特性。

雙槳同時運行時，機體假件兩側(cè)表面聲壓級分別受左、右兩側(cè)兩個螺旋槳聲源的影響。為對比雙槳干涉狀態(tài)下，機體假件表面聲壓級的變化，取左側(cè)單獨旋轉(zhuǎn)時1#、2#、3#測點與雙槳同時運行工況進行對比，取右側(cè)單獨旋轉(zhuǎn)時3#、4#、54#測點與雙槳同時運行工況進行對比。具體對比數(shù)值見表1。

通過以上數(shù)據(jù)對比可以看出，雙槳噪聲干涉狀態(tài)下，機體假件頂端3#測點基頻幅值略有增加。對比左側(cè)單臺工況，幅值增加0.59 dB；對比右側(cè)單臺工況，幅值增加0.29 dB。雙槳臺同時運行時，機體假件側(cè)面測點基頻幅值均有所下降，1#、2#、4#、5#點基頻幅值分別下降0.68、1.47、1.84、1.58 dB。

4 結(jié)論

圖4 左側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速為1650 r/min 時各點的基頻噪聲幅值

圖5 右側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速1650 r/min 時各點的基頻噪聲幅值

圖6 兩側(cè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)速1650 r/min 時各點的基頻噪聲幅值

表1 雙臺同轉(zhuǎn)與單臺運行測試數(shù)據(jù)對比

通過對單側(cè)螺旋槳與雙側(cè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時機體假件表面噪聲進行測量，發(fā)現(xiàn)雙側(cè)螺旋槳同時旋轉(zhuǎn)時，由于雙槳聲源聲波干涉，與單側(cè)螺旋槳單獨旋轉(zhuǎn)時對比，機體表面靠近螺旋槳旋轉(zhuǎn)中心區(qū)域及側(cè)上方區(qū)域聲壓級有所降低，機體頂部區(qū)域聲壓級略有增加。綜上所述，通過控制雙槳運行狀態(tài)能達到機體降噪的目的。