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大飛機的降噪技術:飛躍噪聲測試

2019年07月06日 17:02

英國皇室也逃不過的機場噪聲

今年3月份,在英國皇室哈里王子和梅根王妃的孩子出生前兩個月,哈里夫婦翻修了位于溫莎城堡內的弗羅格莫爾別墅,他們滿懷期望住進來,卻因為無法忍受來自別墅附近希思羅機場的噪音,不得不自掏腰包花費5萬英鎊買了隔音設備,以便有效阻擋來自機場飛機的噪音。

過去40年中,國際民航組織一直努力解決飛機噪聲對環境污染的問題,世界各發達國家也早就制定了民航機起飛和降落時的噪聲標準。而今隨著技術的進步,不斷提高噪聲適航標準也已經成為了航空大國的共識。更高的噪聲要求可以讓乘客有更舒適的飛機座艙環境,機場周邊居民也擁有更寧靜的居住空間。同時,嚴苛的航空噪聲條例也是提高民航工業準入條件,淘汰競爭對手的一種典型手段。

飛躍噪聲測試

今天,我們就來了解一下大飛機降噪背后的研究熱點之一:飛躍噪聲測試。

大飛機噪聲源

上世紀90年代中期,波音公司推出的波音777,由于其優良的噪聲指標成為了許多遠程航線的首選。雖然1995年進入國際航空市場的波音777已經達到了所有設計目標,但是不久人們發現,在起飛和降落期間它時常會發出類似口哨的嘯叫,嘯叫的頻率很快被測定為2000赫茲左右,然而波音公司的工程師卻一直無法確定嘯叫來自何處?

飛行中除了巨大的發動機以外,飛機上其他各種部件的振動以及機身和空氣的摩擦都會產生噪聲,要將如此復雜的噪聲源從一個高速飛行的物體中一一分解出來,困難是可想而知的。波音公司的工程師無奈地將這種嘯叫稱作“神秘的兩千周”(“2000-hertz mystery tone”)。

波音777主機翼的前沿有一排小孔。在寒冷的環境里,穿過小孔的氣流將被加熱,然后在機翼內循環以防止潮氣在機翼上結冰(摘自“CommercialAviation and the Environment”,Boeing,2005)

六年后2001年秋天,波音的研究人員把廣泛應用于無線通訊的智能天線的原理推廣到音頻,用數百個麥克風在機場的跑道上布設了直徑達150英尺的螺旋形的麥克風陣列來記錄飛越上空的波音777發出的噪聲。反復試驗的結果表明2000赫茲的嘯叫來自兩翼的前沿。波音777主機翼的前沿有一排小孔,在寒冷的環境里,穿過小孔的氣流將被加熱,然后在機翼內循環以防止潮氣在機翼上結冰。根據麥克風陣列檢測的結果和對機翼結構的分析,波音的研究人員懷疑神秘嘯叫的“罪魁禍首”是那兩排小孔。當迎面而來的氣流穿過形狀和排列整齊的小孔時,猶如人們吹笛子一樣,氣流和機翼產生了2000赫茲的共振。為了證實這個猜測,聲學專家斯多克(Rob Stoker)說服了波音公司有關部門,用膠帶將一個機翼前沿的小孔全部封上,然后再比較兩個機翼前沿的噪聲強度。

一側機翼前沿的小孔封上后2000赫茲的嘯叫幾乎完全消失了(摘自“Sound camera’silences a mystery”, Boeing Frontiers, March 2004, Volume 02, Issue 10)

上圖顯示的是一側小孔封上后的測試結果。如斯多克預測,一側機翼前沿的小孔封上后2000赫茲的嘯叫完全消失了。波音的工程師終于解開了困擾他們多年的迷!根據麥克風陣列檢測的結果,波音的設計師重新設計了機翼前沿防凍小孔的形狀和排列。改進后的波音777-300ER系列徹底消除了那“神秘的兩千周”的嘯叫。

成功后激動的波音聲學專家斯多克先生

麥克風陣列在波音飛機上成功應用的故事很快被流傳到歐洲的空客和世界其他的飛機制造公司。

如今,麥克風陣列不僅被用來研究飛機、汽車上的噪聲源,而且還被用在潛水艇、建筑和家電等行業的噪聲研究中。

同時,把麥克風陣列采集飛機飛越上空的噪聲測試稱之為飛躍噪聲測試。飛機飛躍噪聲測試,是精確測量飛行中飛機噪聲的唯一方法,基于麥克風陣列的聲源識別系統是一種重要的聲學試驗測量設備,在分析飛機聲源的發聲過程,確定聲源的位置、強度進而在研究噪聲產生機理和減噪優化中發揮著不可替代的作用。

值得一提的是,其高科技研發團隊的核心領導者參與了2001年波音777飛躍噪聲陣列測試,和當時美國公司的團隊一起完成了世界第一個商用化麥克風陣列測試軟件開發。

其高科技自主研發的多款麥克風陣列

此后,基于麥克風陣列的飛躍噪聲技術成為了國內外學術界和工業界的研究熱點,盡管飛躍實驗十分昂貴和復雜,但這些年來,NASA、DLR、波音、空客等研究機構和航空巨頭持續進行研究,典型測試案例介紹如下:

1、波音777飛機的飛躍噪聲測試 [AIAA 2006-2720]

波音公司于2005年在位于蒙大拿州圣瑪麗機場,對裝有GE90-115B發動機的波音777-300ER飛機進行了飛躍噪聲測試,系統共使用了614個麥克風,陣列孔徑約為76米,深入研究了鋸齒形噴嘴,靜音起落架、發動機進口聲襯不同設計方案的聲學特征。這些降噪技術的測試和驗證使得后續波音公司制造較新的飛機如B-787噪聲指標得到了非常顯著的改善。

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麥克風布置圖

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聲陣列參數圖

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部件噪聲優化設計

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聲陣列成像結果

2、2016年空客A320[BeBeC-2018-D01]

德國航空航天中心于2016年5月在馬格德堡附近的Cochstedt機場,使用配備了V2527-A5發動機的空客A320-232飛機進行了飛越噪聲測試,共進行了23種不同的配置總共134架次飛越測試。聲陣列系統共有248個麥克風,陣列孔徑為35米*43米,詳細研究了飛機聲源在不同輻射角度不同參數設置時的強度分布和大小排序。

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測試現場圖

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測試陣列和激光觸發

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陣列細節圖片

飛機不同輻射角度時聲源分布強度圖

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飛機不同輻射角度時聲源分布強度圖

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