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大飞机的降噪技术:飞跃噪声测试

2019年07月06日 17:02

英国皇室也逃不过的机场噪声

加拿大28玩法与介绍今年3月份,在英国皇室哈里王子和梅根王妃的孩子出生前两个月,哈里夫妇翻修了位于温莎城堡内的弗罗格莫尔别墅,他们满怀期望住进来,却因为无法忍受来自别墅附近希思罗机场的噪音,不得不自掏腰包花费5万英镑买了隔音设备,以便有效阻挡来自机场飞机的噪音。

过去40年中,国际民航组织一直努力解决飞机噪声对环境污染的问题,世界各发达国家也早就制定了民航机起飞和降落时的噪声标准。而今随着技术的进步,不断提高噪声适航标准也已经成为了航空大国的共识。更高的噪声要求可以让乘客有更舒适的飞机座舱环境,机场周边居民也拥有更宁静的居住空间。同时,严苛的航空噪声条例也是提高民航工业准入条件,淘汰竞争对手的一种典型手段。

飞跃噪声测试

今天,我们就来了解一下大飞机降噪背后的研究热点之一:飞跃噪声测试。

大飞机噪声源

上世纪90年代中期,波音公司推出的波音777,由于其优良的噪声指标成为了许多远程航线的首选。虽然1995年进入国际航空市场的波音777已经达到了所有设计目标,但是不久人们发现,在起飞和降落期间它时常会发出类似口哨的啸叫,啸叫的频率很快被测定为2000赫兹左右,然而波音公司的工程师却一直无法确定啸叫来自何处?

飞行中除了巨大的发动机以外,飞机上其他各种部件的振动以及机身和空气的摩擦都会产生噪声,要将如此复杂的噪声源从一个高速飞行的物体中一一分解出来,困难是可想而知的。波音公司的工程师无奈地将这种啸叫称作“神秘的两千周”(“2000-hertz mystery tone”)。

加拿大28玩法与介绍波音777主机翼的前沿有一排小孔。在寒冷的环境里,穿过小孔的气流将被加热,然后在机翼内循环以防止潮气在机翼上结冰(摘自“CommercialAviation and the Environment”,Boeing,2005)

六年后2001年秋天,波音的研究人员把广泛应用于无线通讯的智能天线的原理推广到音频,用数百个麦克风在机场的跑道上布设了直径达150英尺的螺旋形的麦克风阵列来记录飞越上空的波音777发出的噪声。反复试验的结果表明2000赫兹的啸叫来自两翼的前沿。波音777主机翼的前沿有一排小孔,在寒冷的环境里,穿过小孔的气流将被加热,然后在机翼内循环以防止潮气在机翼上结冰。根据麦克风阵列检测的结果和对机翼结构的分析,波音的研究人员怀疑神秘啸叫的“罪魁祸首”是那两排小孔。当迎面而来的气流穿过形状和排列整齐的小孔时,犹如人们吹笛子一样,气流和机翼产生了2000赫兹的共振。为了证实这个猜测,声学专家斯多克(Rob Stoker)说服了波音公司有关部门,用胶带将一个机翼前沿的小孔全部封上,然后再比较两个机翼前沿的噪声强度。

加拿大28玩法与介绍一侧机翼前沿的小孔封上后2000赫兹的啸叫几乎完全消失了(摘自“Sound camera’silences a mystery”, Boeing Frontiers, March 2004, Volume 02, Issue 10)

上图显示的是一侧小孔封上后的测试结果。如斯多克预测,一侧机翼前沿的小孔封上后2000赫兹的啸叫完全消失了。波音的工程师终于解开了困扰他们多年的迷!根据麦克风阵列检测的结果,波音的设计师重新设计了机翼前沿防冻小孔的形状和排列。改进后的波音777-300ER系列彻底消除了那“神秘的两千周”的啸叫。

加拿大28玩法与介绍成功后激动的波音声学专家斯多克先生

加拿大28玩法与介绍麦克风阵列在波音飞机上成功应用的故事很快被流传到欧洲的空客和世界其他的飞机制造公司。

如今,麦克风阵列不仅被用来研究飞机、汽车上的噪声源,而且还被用在潜水艇、建筑和家电等行业的噪声研究中。

同时,把麦克风阵列采集飞机飞越上空的噪声测试称之为飞跃噪声测试。飞机飞跃噪声测试,是精确测量飞行中飞机噪声的唯一方法,基于麦克风阵列的声源识别系统是一种重要的声学试验测量设备,在分析飞机声源的发声过程,确定声源的位置、强度进而在研究噪声产生机理和减噪优化中发挥着不可替代的作用。

加拿大28玩法与介绍值得一提的是,其高科技研发团队的核心领导者参与了2001年波音777飞跃噪声阵列测试,和当时美国公司的团队一起完成了世界第一个商用化麦克风阵列测试软件开发。

加拿大28玩法与介绍其高科技自主研发的多款麦克风阵列

此后,基于麦克风阵列的飞跃噪声技术成为了国内外学术界和工业界的研究热点,尽管飞跃实验十分昂贵和复杂,但这些年来,NASA、DLR、波音、空客等研究机构和航空巨头持续进行研究,典型测试案例介绍如下:

1、波音777飞机的飞跃噪声测试 [AIAA 2006-2720]

加拿大28玩法与介绍波音公司于2005年在位于蒙大拿州圣玛丽机场,对装有GE90-115B发动机的波音777-300ER飞机进行了飞跃噪声测试,系统共使用了614个麦克风,阵列孔径约为76米,深入研究了锯齿形喷嘴,静音起落架、发动机进口声衬不同设计方案的声学特征。这些降噪技术的测试和验证使得后续波音公司制造较新的飞机如B-787噪声指标得到了非常显著的改善。

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麦克风布置图

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声阵列参数图

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部件噪声优化设计

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声阵列成像结果

加拿大28玩法与介绍2、2016年空客A320[BeBeC-2018-D01]

德国航空航天中心于2016年5月在马格德堡附近的Cochstedt机场,使用配备了V2527-A5发动机的空客A320-232飞机进行了飞越噪声测试,共进行了23种不同的配置总共134架次飞越测试。声阵列系统共有248个麦克风,阵列孔径为35米*43米,详细研究了飞机声源在不同辐射角度不同参数设置时的强度分布和大小排序。

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测试现场图

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测试阵列和激光触发

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阵列细节图片

飞机不同辐射角度时声源分布强度图

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飞机不同辐射角度时声源分布强度图

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