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        直升機(jī)艙內(nèi)噪聲特性分析

        2019-12-05 02:08:16黃斌根劉忠超
        直升機(jī)技術(shù) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:計(jì)權(quán)倍頻程駕駛艙

        殷 鵬,黃斌根,劉忠超

        (中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)

        0 引言

        以往設(shè)計(jì)直升機(jī)時(shí),主要關(guān)注的是動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)等方面的問題,而噪聲總被認(rèn)為是一個(gè)次要問題。隨著直升機(jī)在民用和軍用領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣,直升機(jī)的噪聲問題也開始得到了重視。在軍用方面,可以利用直升機(jī)的噪聲特性信息進(jìn)行探測(cè)、定位、識(shí)別來反制敵方直升機(jī),而降低己方直升機(jī)的噪聲則可以減小被探測(cè)的概率;在民用方面,降低直升機(jī)的噪聲則可增加乘員乘坐時(shí)的舒適性。進(jìn)行聲源定位和噪聲控制之前,首先需要了解的就是直升機(jī)的噪聲特性。

        直升機(jī)噪聲主要來自三大動(dòng)部件,即旋翼系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)。旋翼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生周期變化的氣動(dòng)噪聲;發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲主要來自進(jìn)氣部分的壓氣機(jī)噪聲和排氣部分的排氣噪聲;傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲主要為各級(jí)齒輪嚙合和旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)等產(chǎn)生的噪聲[1]。

        本文以某型直升機(jī)為研究對(duì)象,測(cè)量了多個(gè)飛行狀態(tài)下的噪聲,進(jìn)行了噪聲源分析與倍頻程聲壓級(jí)分析,了解了直升機(jī)的主要噪聲源與噪聲能量分布情況。分析結(jié)果為該型直升機(jī)的噪聲控制提供了有效的依據(jù)。

        1 噪聲測(cè)量試驗(yàn)概述

        在直升機(jī)機(jī)體上共21個(gè)位置布置了傳聲器,位置示意圖見圖1、圖2。其中艙內(nèi)傳聲器使用B&K 4189普通傳聲器,量程為±140Pa;艙外傳聲器使用CHZ401高聲強(qiáng)傳聲器,量程為±2500Pa;數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用B&K 3053采集卡,采樣率為65536Hz。

        本次測(cè)量試驗(yàn)一共記錄了6個(gè)飛行狀態(tài)下的噪聲數(shù)據(jù),飛行狀態(tài)詳見表1。

        圖1 傳聲器測(cè)點(diǎn)布置示意圖(艙外)

        圖2 傳聲器測(cè)點(diǎn)布置示意圖(艙內(nèi))

        飛行狀態(tài)速度高度地效懸停-5m無地效懸停-20m爬升-20m~500m平飛160km/h500m平飛180km/h500m平飛200km/h500m

        2 A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)

        評(píng)估噪聲特性往往需要考慮人耳對(duì)噪聲的感受。在實(shí)際測(cè)量中,一般采用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)先對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行加權(quán)。A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是按IEC規(guī)定選取接近人耳對(duì)聲音頻率的等響曲線設(shè)計(jì)的,加權(quán)后得到的信號(hào)在低頻和高頻都有一定程度的減益。這樣處理后得到的聲壓級(jí)就能代表人耳對(duì)噪聲的感受[2]。A計(jì)權(quán)計(jì)算公式在標(biāo)準(zhǔn)IEC61672中給出

        (1)

        其中,A1000=2.000dB,f1=20.6Hz,f2=107.7Hz,f3=737.9Hz,f4=12194Hz。

        3 噪聲源分析

        對(duì)于噪聲而言,頻譜中的低幅值的寬帶噪聲一般來源于部件的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)以及飛行時(shí)的風(fēng)噪,而頻譜中的線譜一般是運(yùn)動(dòng)部件周期運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,例如傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪的嚙合,旋翼和尾槳旋轉(zhuǎn)等等。

        圖3給出了160km/h平飛狀態(tài)下乘員艙內(nèi)的噪聲頻譜圖,可以看到,噪聲能量主要集中在中低頻段。其他飛行狀態(tài)能量分布主要也是集中在中低頻段。

        使用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)濾波處理后,由于人耳對(duì)低、高頻噪聲的不敏感,噪音能量分布變成主要集中在中頻段,如圖4所示。其中最大的峰值位于467Hz處。參照該型機(jī)的各動(dòng)部件的特征頻率,表2中給出了各主要頻率噪聲的聲壓級(jí)大小與對(duì)應(yīng)的噪聲來源。

        圖4 160km/h平飛狀態(tài)A計(jì)權(quán)乘員艙噪聲頻譜

        頻率/(Hz)聲壓級(jí)/(dBA)噪聲來源46795.6發(fā)動(dòng)機(jī)自由渦輪轉(zhuǎn)速126894.3主減速器第二對(duì)齒輪嚙合頻率157488.2中減速器嚙合頻率63082.3尾減速器嚙合頻率139679.4發(fā)動(dòng)機(jī)自由渦輪轉(zhuǎn)速頻率三階8078.9旋翼四階通過頻率及尾槳一階通過頻率330976.3主減速器第一對(duì)齒輪嚙合頻率2062.1旋翼一階通過頻率4061.8旋翼二階通過頻率

        4 倍頻程聲壓級(jí)分析

        在噪聲處理中,為了比較直觀地了解噪聲能量在頻域上的分布,比較常用的方法就是對(duì)噪聲做倍頻程或1/3倍頻程聲壓級(jí)分析。本文采用倍頻程聲壓級(jí)進(jìn)行分析。

        研究噪聲的總體特性,表3、表4給出了在各個(gè)飛行狀態(tài)下測(cè)得的駕駛艙和乘員艙內(nèi)平均噪聲的A計(jì)權(quán)倍頻程聲壓級(jí)。表5給出GJBz 20355《直升機(jī)噪聲限制》中直升機(jī)艙內(nèi)噪聲的限值。原標(biāo)準(zhǔn)中給出的是無計(jì)權(quán)的限值,本文中已轉(zhuǎn)換為A計(jì)權(quán)的限值。根據(jù)各表中的數(shù)據(jù)及第三節(jié)分析可以得出如下結(jié)論:

        1)直升機(jī)的噪聲能量主要集中在低、中頻段,但由于人耳對(duì)低頻噪聲不敏感,所以A計(jì)權(quán)后噪聲能量主要集中在中心頻率為250~8000Hz的頻段。各飛行狀態(tài)下,駕駛艙內(nèi)噪聲基本達(dá)到GJBz 20355的要求,而乘員艙在500~4000Hz均超出標(biāo)準(zhǔn),該頻段噪聲來自發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)。

        2)在各飛行狀態(tài)下,乘員艙內(nèi)的總聲壓級(jí)明顯大于駕駛艙內(nèi)的總聲壓級(jí)。在中心頻率為500~4000Hz的頻段內(nèi),乘員艙比駕駛艙高出十幾甚至二十分貝。這是由于乘員艙位于主減速器和發(fā)動(dòng)機(jī)下方。

        3)駕駛艙在中心頻率為31.5Hz的頻段聲壓級(jí)隨著速度的上升明顯增加,而且乘員艙該頻段的噪聲普遍小于駕駛艙。分析原因是在中心頻率為31.5Hz的低頻段內(nèi),主要噪聲源自旋翼的載荷噪聲,可用偶極子聲源來描述[3],一般位于槳葉中前部。乘員艙位于槳葉根部,而駕駛艙更接近槳葉中前部,所以駕駛艙在該頻段的噪聲更大。隨著前飛速度的增大,旋翼受到的氣動(dòng)激振力也變大,產(chǎn)生的載荷噪聲也隨之增大,所以駕駛艙內(nèi)該頻段噪聲隨著速度的增大而增大。

        4)中心頻率為500~4000Hz的頻段內(nèi),駕駛艙和乘員艙內(nèi)噪聲值和飛行狀態(tài)無明顯相關(guān)性。分析原因?yàn)樵擃l段噪聲主要是發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)部件與齒輪嚙合產(chǎn)生的,而直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速在飛行過程中一般保持不變或波動(dòng)很小,所以飛行狀態(tài)與噪聲水平無明顯相關(guān)。

        表3 駕駛艙內(nèi)噪聲倍頻程聲壓級(jí)(單位:dBA)

        表4 乘員艙內(nèi)噪聲倍頻程聲壓級(jí)(單位:dBA)

        研究艙內(nèi)噪聲的空間分布特性,圖5給出了160km/h平飛狀態(tài)下的乘員艙各處的倍頻程聲壓級(jí)。可以看到,噪聲的空間分布比較均勻,沒有出現(xiàn)特別大的差異。中后段噪聲略大于前段,這是由于中后段靠傳動(dòng)系統(tǒng)更近的緣故。中心頻率為63Hz的頻程段內(nèi)前段和中后段差異較大,這個(gè)頻段內(nèi)主要是尾槳噪聲和旋翼的四階諧波。其他飛行狀態(tài)下規(guī)律相同。

        表5 GJBz 20355艙內(nèi)噪聲限值

        圖5 乘員艙各點(diǎn)的倍頻程聲壓級(jí)

        圖6給出了160km/h平飛狀態(tài)下艙內(nèi)外噪聲倍頻程聲壓級(jí)的對(duì)比。可以看到,蒙皮及內(nèi)飾對(duì)隔絕噪聲起了很大的作用,艙內(nèi)各頻段的噪聲相比艙外普遍降低十幾分貝。同時(shí)注意到,中心頻率為63Hz的頻程段內(nèi),艙內(nèi)外聲壓級(jí)差值最小,在其他飛行狀態(tài)、其他位置也有相同規(guī)律,這說明蒙皮和內(nèi)飾對(duì)這個(gè)頻段內(nèi)的透射損失最低。

        圖6 艙內(nèi)外倍頻程聲壓級(jí)對(duì)比

        5 結(jié)論

        綜合以上研究分析,歸納出該型直升機(jī)的艙內(nèi)噪聲特性為:

        1)艙內(nèi)噪聲能量集中在中心頻率為250~8000Hz的頻段,其中發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)噪聲的影響最大,乘員艙比駕駛艙噪聲水平更高;

        2)由于人耳對(duì)低頻噪聲不敏感,旋翼產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲影響并不是很大,飛行速度越高,旋翼噪聲越大,發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲與飛行狀態(tài)無明顯關(guān)系;

        3)蒙皮和內(nèi)飾起到了很好的隔聲作用,在中心頻率為63Hz的頻段透射損失最低。

        根據(jù)該型直升機(jī)的噪聲特性,可以為該型直升機(jī)的降噪設(shè)計(jì)提供一些思路:

        1)該型直升機(jī)艙內(nèi)噪聲能量主要來自發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng),考慮進(jìn)行某些設(shè)計(jì)上的優(yōu)化改進(jìn),以及提出發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲設(shè)計(jì)指標(biāo)的可行性,從聲源處減小噪聲;

        2)乘員艙內(nèi)噪聲能量在中心頻率為500~4000Hz的頻段非常大,且蒙皮和內(nèi)飾在中心頻率為63Hz的頻段透射損失最低,可以采用能隔離這些頻段噪聲的材料,或者針對(duì)該頻段設(shè)計(jì)吸聲減噪的結(jié)構(gòu),增大透射損失[4];

        3)可以根據(jù)駕駛艙和乘員艙噪聲能量的分布規(guī)律,設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)艙室工作的機(jī)組使用的頭盔或耳機(jī),從人耳處減小對(duì)噪聲的接收。

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