ARJ客機進場飛行過程的起落架噪聲的實驗研究

陳 濤，侯 宏，陳志菲

（西北工業(yè)大學 航海學院，西安 710072）

在起飛降落階段，飛機由于在機場附近且飛行高度較低，其產(chǎn)生的噪聲對機場周圍人員產(chǎn)生影響，因此認識飛機產(chǎn)生的噪聲特性并進行降噪成為研究人員工作的熱點。飛機產(chǎn)生的噪聲由發(fā)動機噪聲和機體噪聲組成，由于原先作為飛機主要噪聲源的發(fā)動機的噪聲已經(jīng)降低到了與飛機機體噪聲同等量級的水平，因此機體噪聲特別是起落架噪聲作為主要噪聲源［1］受到越來越廣泛的研究。起落架噪聲是飛機在起飛降落過程中由于起落架處于放下狀態(tài)，對空氣的擾動產(chǎn)生。認識其噪聲特性需要對起落架噪聲進行測量。德國宇航研究院、法國航空航天局、美國國家航空航天局、空中客車公司以及波音公司均對此進行了研究工作［1-2］，采取的主要手段有風洞試驗和飛行試驗。風洞試驗由于采用了起落架模型，忽略了起落架的結構細節(jié)，導致高頻噪聲測量不準確，高保真的起落架模型雖然可以考慮到結構細節(jié)，但是利用風洞進行實驗無法模擬或重建實際的飛行條件，因此進行實際飛行實驗測量起落架噪聲成為廣大研究者工作的重點［3-6］。

1 測量原理

平面?zhèn)髀暺麝嚵兄械拿總€傳聲器可以測到一個標量的時域聲壓信號，這個聲壓只反映聲源發(fā)出的聲音到達麥克風所處位置大氣壓力脈動的時間歷程，不能反映聲源的位置，而多個傳聲器組成的傳聲器陣列可以反映聲源的時空特性。由于陣列中各傳聲器與聲源（飛機起落架）的距離不一樣，因此各傳聲器接收的聲場信號的相位各不相同，且存在一定的關系，這種關系能夠反映飛機起落架的位置。利用陣列信號處理技術，就可以將平面?zhèn)髀暺麝嚵械妮敵鼍劢沟斤w機起落架位置，并得到由飛機起落架引起的噪聲的特性數(shù)值。圖1為平面陣測量飛機起落架噪聲原理圖。

設起落架某處噪聲源在t時刻所在位置為（xt，yt，zt），發(fā)出的頻率為f的聲音到達第m個傳聲器經(jīng)過時間tm，第m個傳聲器位置為（xm，ym，zm），為了消除由于傳播距離不同帶來的聲壓幅值的不同，將每個傳聲器接收的聲壓都轉(zhuǎn)換為標準聲壓，延遲求和得：

圖1 平面陣測量飛機起落架噪聲原理圖Fig.1 Identifying of landing gear noise by array

p（t）為輸出聲壓；

pm（t+tm）為第m個傳聲器在t+tm時刻接收的聲壓；

rref為設定的標準距離，在試驗中為飛機過頂高度40 m，其作用是將傳聲器接收的信號都換算成傳聲器接收的飛機過頂時的發(fā)出的信號，消除由于聲傳播距離不同帶來的聲壓衰減的不同。

式中：C為聲速；M為傳聲器個數(shù)，在實驗中為30；wm為權重系數(shù)，隨掃描點的變化而變化，設掃描點距離第m個傳聲器為sm，則到第m個傳聲器的距離與到第一個傳聲器的距離差為Δs=sm-s1，時間延遲為τm=（sm-s1）/c，相位延遲為 ej2πfτm，則wm=ej2πfτm，f為信號頻率，當掃描點為聲源位置時，wm將每個傳聲器接收的信號調(diào)整到同相，相加后，使來自噪聲源的信號輸出最大。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將傳聲器接收信號以接收時間t+tm進行48 kHz均勻采樣，轉(zhuǎn)換成聲源的發(fā)射時間t后，變成非均勻采樣，因此在進行數(shù)據(jù)處理時，需進行線性插值。

2 實驗過程

2.1 陣列設計及安裝

多臂螺旋陣與均勻圓陣相比，具有更好的空間識別能力［7］，兩種陣型的500 Hz聲源的空間指向性圖如圖2所示，圖2（a）為30元均勻圓陣及其空間指向性圖，圖2（b）為30元多臂螺旋陣及其空間指向性圖，比較可見多臂螺旋陣比均勻圓陣有更好的聲源聚焦能力，在其余頻率下有同樣結論，其原因是多臂螺旋陣可利用的相位差信息更多，陣元的冗余度少。

圖2 兩種陣型和空間指向性比較圖Fig.2 Two kinds arrays and space directivities

因此，實驗采用5臂6環(huán)30元多臂螺旋陣，空間分辨率如表1所示；現(xiàn)場實圖如圖3所示。

表1 空間分辨率Tab.1 Spatial resolution

圖3 現(xiàn)場實圖Fig.3 View of array installation

為了消除來自地面反射聲的影響，將傳聲器固定在60 cm×60 cm的平面木板上，利用水平儀進行高度和水平校準。

2.2 實驗環(huán)境

實驗環(huán)境如圖4所示，圖5給出了差分GPS獲得的飛行航跡，其坐標系已由WGS84地球坐標系轉(zhuǎn)換到以螺旋陣中心為原點，地面為xy平面的三維空間坐標系。

圖4 飛行實驗位置圖Fig.4 Flying test locations

2.3 數(shù)據(jù)處理

對客機所在平面進行網(wǎng)格劃分，并在網(wǎng)格點上進行噪聲源強度估計。飛行客機的噪聲源識別屬于寬帶運動分布源的參數(shù)估計問題，根據(jù)客機的差分GPS確定的航跡，對采集信號進行解多普勒運算，此時接收信號相當于寬帶靜止分布式聲源，之后采用常規(guī)波束形成算法（CBF）即可得到不同頻率下的噪聲源分布。

圖5 ARJ飛機降落過頂?shù)?5 s航跡Fig.5 35 s Flight track of landing

圖6為第26、29通道接收的對應的信號波形時域圖。

圖6 35 s時域波形圖Fig.6 35 s Time domain waveforms

30個陣元的采集信號波形大致如圖6所示，顯然客機過頂時間在第15 s左右。圖6（a）的波形較為平穩(wěn)，圖6（b）中在第16 s附近波形有較大起伏，另外第28 s附近波形同樣有波動。30個通道中有17個通道波形整體上都較為平穩(wěn)，其他通道都存在圖6（b）中兩種波動中的一種或兩種，波動位置大致相同。數(shù)據(jù)處理中主要關注過頂時信號較強的部分，因此只有第16 s附近的波動可能對數(shù)據(jù)處理有影響。出現(xiàn)此種情況的通道有7，8，9，13，17 和 29，這些陣元的位置如圖 7 所示，它們大致位于一條線上。出現(xiàn)波動的原因可能是與噪聲的指向性有關。

圖7 出現(xiàn)波形波動的陣元的分布（星號指示的陣元）Fig.7 Distribution of array elements which contain waveform fluctuation

幾次降落采集的數(shù)據(jù)均具有上述特點，出現(xiàn)波形波動的陣元也相同。

圖8給出了噪聲源識別結果，每個數(shù)據(jù)的處理中的各圖均為疊加1/3倍頻程內(nèi)估計結果后得到。

圖8 聲源識別圖Fig.8 Sound sources identifying

由圖8可以看出在［160，200］Hz，主起落架是機體表面的主要噪聲源，在［200，250］Hz，起落架仍然是主要噪聲源，但來自前緣襟翼的噪聲已大于起落架噪聲，在［250，315］Hz，起落架噪聲和前緣襟翼噪聲處于同一水平，在［315，800］Hz，前起落架噪聲與主起落架噪聲處于同一水平，為機體表面主要噪聲源。

圖9給出了前起落架和主起落架噪聲頻譜，可以看出兩者能量均主要集中于［250，850］Hz之間，說明ARJ飛機起落架線纜、螺釘?shù)刃〔考φ麄€起落架噪聲的貢獻不大，噪聲來源主要是主支柱和輪胎等大部件［8］。二者具有較相似的頻譜圖，這跟二者相似的起落架結構有關，主起落架噪聲總體能量大于前起落架噪聲，說明起落架噪聲輻射能量與其尺寸有關，前起落架噪聲在370 Hz、440 Hz和570 Hz處存在強單音噪聲，主起落架噪聲在350 Hz和540 Hz左右存在強單音噪聲，這些可能是起落架艙形成的空腔噪聲［9］，可以通過改進起落架艙結構進行降噪。

圖9 起落架噪聲頻譜圖Fig.9 Landing gear noise frequency spectrum

3 結論

利用陣列信號處理技術，設計了多臂螺旋陣，對國產(chǎn)客機ARJ的起落架噪聲進行了現(xiàn)場測量實驗，得到起落架噪聲的頻譜特點，為降低起落架噪聲的工作提供了支持。

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