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气动院带你开启飞机降噪的美丽新世界
作者:澳门皇冠    来源:皇冠体育    2019-12-29 22:40

  从微风拂过耳畔的轻声呢喃,到狂风卷过楼角的凄厉咆哮;从飞机跃过头顶的巨大轰鸣,到高铁掠过身旁的激烈呼啸;从开阔户外的侧耳倾听,到声学风洞中的精密测量……这些声音的产生,均与空气的流动紧密相连。由空气运动所产生的噪声,通常被称为气动噪声。气动噪声在我们周围随处可听,又与我们的生活密切相关。今天,就让他们带你聊聊飞机降噪的那些事…..

  飞机的诞生即伴随着强烈的噪声。早期飞机飞行速度较低,噪声主要来源于螺旋桨。飞机被用于军事用途后,其噪声也被用于恐吓敌人,有的飞机甚至专门安装可以产生凄厉啸声的装置,用来提高飞机的威慑力。二十世纪四十年代,喷气式发动机问世,其高速喷流产生的巨大噪声引起了科学家的兴趣。1952年,英国曼彻斯特大学莱特希尔教授(Lighthill)的声类比理论论文的发表,揭示了喷流噪声与湍流之间的关联,标志着气动噪声基础理论的建立。后续研究逐步建立起包括气流中的物体表面引起的噪声(如飞机机翼、起落架等)、气流中的旋转部件引起的噪声(如螺旋桨、旋翼等)等在内的数学模型。二十世纪六、七十年代,随着喷气式民用飞机投入使用以及民用航空的迅速发展,飞机频繁起降产生的气动噪声严重影响了机场附近居民的生活,并引发了大量抗议,成为一个广为关注的社会问题。在社会、工业界以及民航组织的一致努力下,围绕飞机气动噪声产生以及控制,航空工业部门开展了大量技术研究,得出飞机的气动噪声主要来源于发动机噪声、机体噪声、发动机/机体干扰噪声、湍流边界层噪声以及声爆等。

  如同其他噪声一样,气动噪声会对人们的生活环境与体验产生不利影响,而飞机的气动噪声问题较为突出。在低空起降过程中,航空发动机、展开的机翼、放下的起落架等都将产生强烈的噪声,干扰机场附近居民的日常生活,带来严重的噪声污染问题;在高空飞行过程中,空气流过机舱表面产生的湍流噪声,将透过机舱传入飞机舱内,导致舱内噪声过高,影响乘客的乘坐体验、语言交流,引起乘客的焦虑与疲倦;更为严重的是,强烈的气动噪声还可能引起结构共振,长时间高声强作用下可能导致机身结构疲劳破损,带来安全隐患。

  针对这些不利影响,民航组织对飞机起降阶段的噪声提出了严格的要求,飞机的噪声必须低于相应限值,才能取得适航认证并投入市场运行,所以气动噪声已经成为民用飞机能否成功的一个重要因素。

  现如今,飞机设计单位正在努力降低舱内噪声,改善乘坐舒适性,以提高民机的市场竞争力。我国C919大型客机在设计阶段就评估飞机的噪声水平,通过采用低噪声发动机、低噪声气动设计等手段,确保飞机定型后能够满足适航要求,具备舒适的舱内环境。

  对于飞机设计人员来说,如何评估飞机的气动噪声水平、验证降噪设计的效果,是他们关心的重点之一。即使人们已经知道气动噪声是怎么产生的,但这还远远不够。一架飞机从机翼、起落架、发动机、机身甚至到空调,都将产生气动噪声。哪一个部件产生的噪声是最主要、最严重的?重新设计一架飞机的机翼,能否降低它的噪声?采用什么样的手段能够为飞机降噪……等问题光靠理论分析是很难回答的。因此,我们需要更多的研究手段、更细致的分析技术,来找到更准确的答案。

  航空工业气动院于2010年成立了专门的气动噪声技术综合科研团队,用以满足我国大型客机、宽体客机、直升机、发动机等型号降噪技术需要,团队经过9年的发展和建设,在气动噪声风洞试验、计算与分析、低噪声设计改进方案、创新型研究等方面取得了累累硕果,如今已成为我国重要的气动噪声研究力量。

  为了探索答案,气动院气动噪声团队始终以航空飞行器气动噪声基础、创新与应用技术为研究工作的核心,围绕气动噪声的数值模拟技术开展了大量的研究,形成了适用机体噪声、螺旋桨/旋翼噪声、发动机噪声等在内的计算能力,完成了多个航空型号的气动噪声评估工作。

  近两年,气动院更是在国内建成了多座声学风洞,其中已经建成2m量级、8m量级两座性能处于国际领先的声学风洞,具备了测试机体噪声、螺旋桨噪声、旋翼噪声等试验能力,能够为我国各类航空型号气动噪声评估与降噪技术验证提供国际一流的试验条件。

  在拥有先进的声学风洞后,气动院气动噪声团队不断发展完善的噪声测试与数据处理技术,用以获得更全面的试验数据,并从数据中分析出所关心的噪声组成。团队针对航空飞行器对气动噪声风洞试验技术的需要,突破发展了气动噪声源定位技术、麦克风相位阵列设计技术以及气动噪声风洞试验数据修正技术,形成了可靠的气动噪声风洞试验技术,并成功应用于多个飞机型号,如宽体客机CR929等;在气动噪声源定位技术基础上,在国内首创信号重构方法形成运动、旋转声源定位技术;采用阻性吸声材料和声衬结构相结合的复合吸声技术进行FL-9风洞闭口声学试验段降噪,攻克了常规闭口试验段背景噪声过高、声反射过强的问题,在国内首次形成声衬环境下的气动噪声试验技术;在国内首次开展基于线性N-S方程的噪声传播计算技术研究,解决了发动机尾流剪切层中声传播的涡波干扰问题,形成从声源计算、声传播计算到声辐射计算较完善的飞机噪声计算软件,应用于多个型号噪声评估。

  通过多年不断的发展建设,持续创新,现如今,气动院气动噪声团队在气动噪声风洞试验技术、气动噪声计算技术等方面取得了多项处于国内领先地位的技术成果,为航空型号低噪声设计提供了有利支撑。

  经过近五十年的研究,目前飞机的总噪声相对于二十世纪七十年代的降幅已经达到30EPNdB。然而,这些常规降噪手段的潜力已经被挖掘的差不多了,要想进一步降低飞机的噪声,主要应从以下四点入手:

  (1)发展新型飞机布局,如翼身融合布局、连翼布局等,综合利用各方面手段来降低飞机噪声。开展低声爆气动布局优化设计,超声速民机将再次投入航线)降噪设计将更趋于细致,以往非主要噪声也将逐渐成为关注对象。综合采用仿生学设计、主动控制、优化设计等技术,进一步降低飞机部件的气动噪声。

  (3)通过新型材料、智能机械结构、声学超材料等应用,跨学科交融,将为飞机降噪设计提供新的方法与思路。

  (4)发展更准确的计算技术、更精细的测试技术,来评估越来越小的降噪收益。高精度数值模拟技术结合量子计算机、人工智能等,将能够提供更快、更准确的预测;三维空间声源定位、矢量传声器、高精度流动显示等测试技术相结合,将提供更加精细、可靠的测试技术。

  面向未来,气动院气动噪声团队的飞机降噪之路任重而道远,但是团队人员始终秉承航空报国初心,笃行航空强国使命,不断推进研究院五性技术研究,力争在未来打造成为我国气动噪声研究与试验的引领者、推动者和创新之源,成为具有世界先进水平的国家工程研究中心,开启飞机降噪的美丽新世界。

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