民用航空渦扇發動機靜態噴氣噪聲預測

閆國華，鄧 波

（中國民航大學 中歐航空工程師學院，天津 300300）

民用航空渦扇發動機靜態噴氣噪聲預測

閆國華，鄧 波

（中國民航大學 中歐航空工程師學院，天津 300300）

噴氣噪聲是發動機主要噪聲源之一，其大小直接影響到飛機的適航取證。由發動機靜態噪聲數據可以預測飛機飛行噪聲級，提前了解飛機噪聲的適航性，從而避免進行試驗測量，達到節省時間和成本的目的。通過研究STONE噴氣預測模型，提出民用航空渦扇發動機噴氣噪聲預測方法，并開發相應的Matlab預測程序。利用該程序預測C919客機主發的競爭發動機——CFM56-7B的噴氣噪聲，分析其噪聲指向性以及頻率特性，并與實驗數據對比，驗證此預測方法的準確性。

聲學；噴氣噪聲；噪聲預測；渦扇發動機；靜態測試；

隨著我國航空運輸業和航空工業的發展，國產民機型號噪聲合格審定的需求迫在眉睫。噴氣噪聲是發動機主要噪聲源之一，其大小對飛機的適航性有直接影響，也是某些具有較高噪聲飛機的飛行障礙。按照CCAR36部[1]要求，噪聲適航審定中飛機的噪聲級是通過無數次實際試飛測量得到的，這必將耗費大量的人力、物力和財力。研究證明，可以通過發動機靜態噪聲數據來預測有更改發動機設計的衍生機型的噪聲值[2-3]。因此，若有可靠實用的方法實現對發動機靜態噪聲的精準預測，就能提前了解衍生機型飛機噪聲大小，及時做出修改設計，從而避免不必要的實測，節省成本。CFM56-7B發動機是目前世界主流飛機所用的動力裝置，我國自主研發大型客機C919的主發動機LEAP-X1C是以該發動機為原型改進的，預測CFM56-7B的噪聲對預測C919的噪聲級具有一定的參考意義。

通過研究NASA提出的STONE噴氣噪聲預測模型[4]，建立靜態噴氣噪聲預測方法，并利用Matlab開發相應的預測程序，實現對渦扇發動機噴氣噪聲的預測。

1 噴氣噪聲預測方法

1.1 噪聲預測基本方程

STONE模型將亞音速噴氣渦扇發動機的噴氣混合噪聲劃分為主流混合噪聲、次流混合噪聲以及合并流混合噪聲三個組分，若存在尾椎，則尾椎分離噪音作為另一個考慮的噪聲組分。噴氣噪聲的預測思路是分別計算出四個噪聲組分，最后疊加得到總噪聲。不同噪聲組分，其預測方程相同。

其中C為常數，為有效速度，θc為修正角度，θc為對流馬赫數。

表1 主流混合噪聲譜函數（θ≤100°）

表2 主流混合噪聲譜函數（θ≥100°）

表3 主流混合噪聲指向函數

1.2 噪聲評價參數

一般選用總聲壓級OASPL、A計權聲壓級dBA和感覺聲壓級PNL作為飛機噪聲的評價參數，其中A計權聲壓基于噪聲響度大小，有效感覺聲壓級反映了噪聲對人的干擾程度[5]。由式（1）可以預測一定距離上，不同角度、不同頻率的聲壓級，在此基礎上可以計算出不同角度的OASPL、AdB和PNL[6]。

2 預測程序開發

由于Matlab具有良好的算法開發及數據分析功能，并且簡單方便，故選其作為開發預測程序的工具。根據預測方法，可以按圖1所示的流程設計預測程序。

圖1 預測流程圖

預測程序通過輸入必要的參數進行計算，最終輸出以Excel表格呈現的噪聲數據，包括各噴氣噪聲組分不同角度下、不同頻率的聲壓級SPL，以及不同角度下的OASPL、dBA和PNL值。

3 預測實例

3.1 參數輸入

選定CFM56-7B發動機，利用開發的程序預測其在最大轉速下的靜態噴氣噪聲。

如圖2所示，預測點設在以外涵道噴口為中心，半徑rs為45 m的半圓弧上，指向角θ范圍為20°～160°，每間隔5°設立預測點，基本輸入參數值如表4所示。

圖2 預測點布局示意圖

表4 基本輸入參數

3.2 預測結果分析

表5給出了CFM56-7B噴氣噪聲OASPL、dBA及PNL的預測結果，為方便展示表中只列出了每隔10°的預測結果。可以發現，隨著角度增大，三種噪聲級的變化趨勢都是先遞增再減小，但噪聲最大的方向略有不同。PNL的最大值在120°附近方向，說明此區域對人的煩擾程度最突出；dBA在140°附近出現最大值，在這個方向人感覺噪聲的響度最大；OASPL的最大值出現在150°附近方向。綜合三種噪聲值可以得出，CFM56-7B發動機噴氣噪聲的指向主要在110°～160°范圍內。

表5 OASPL、dBA、PNL預測值/dB

圖3展示了30°、60°、90°、120°、160°方向上噴氣噪聲的1/3倍頻程頻譜圖。可以看出，在不同角度方向上噪聲頻譜變化規律基本一致，即隨頻率增大，聲壓級先增大后減小，并且在大角度方向具有很高的低頻噪聲，小角度方向上中低頻噪聲相對較強，結果表明CFM56-7B發動機噴氣噪聲主要為低頻或中低頻噪聲。

圖3 幾個角度下的噪聲頻譜

4 預測準確性

為確定算法的準確性，將預測結果與實驗數據比較分析，結果發現，預測的OASPL隨角度的變化，與實驗測得的結果一致，對于不同角度方向的頻譜特征也基本吻合。事實上，OASPL的最大預測誤差為2 dB（圖4）；對于噪聲1/3倍頻程頻譜的預測，在120°、150°方向上有較高的準確度，最大誤差不超過1.8 dB（圖5、圖6）；在30°、60°方向上，低頻、與高頻段上誤差稍大，但最大誤差不超過3dB，90°方向除高頻部分有2個預測點誤差約5d B，其余方向誤差也小于3 dB。總體而言，誤差在允許范圍內，尤其是在100°～160°范圍內，預測準確度高，這個范圍也是發動機噴氣噪聲的主要指向區，因此，對于CFM56-7BV發動機噴氣噪聲的預測，該方法具有一定的優勢。

圖4 OASPL預測值與實驗值比較

圖5 120°方向預測頻譜與實驗值比較

圖6 150°方向預測頻譜與試驗值比較

5 結語

研究了基于STONE模型的渦扇發動機靜態噴氣噪聲預測方法，并開發相應的預測程序，最后預測得到CFM56-7B的靜態噴氣噪聲數據，通過分析得到以下結論：

(1)CFM56-7B發動機噴氣噪聲的指向主要在110°～160°方向上，在此區域內，噪聲響度大，給人較高的煩擾度。

(2)不同方向上，CFM56-7B發動機噪聲頻譜變化趨勢一致，在大角度方向，低頻噪聲最強，小角度方向上，中低頻噪聲突出。

(3)基于STONE模型的預測方法具有好的預測精度，能夠預測不同角度、不同距離的噪聲頻譜，進一步算出多個噪聲評價參數，可應用于發動機噪聲研究及適航審定工作。

[1]中國民用航空總局.CCAR-36-R1航空器型號和適航合格審定噪聲規定[S].2007.

[2]劉錦虎，閆國華，謝福.利用航空發動機靜態遠場噪聲數據預測飛行噪聲級[J].噪聲與振動控制，2012，32(2)：91-94.

[3]陳智強，閆國華，陳智華，等.基于靜態發動機噪聲測試數據的飛行噪聲預測技術[J].航空維修與工程，2012(3)：52-54.

[4]STONE J R,KREJSA E A,CLARK B J,et al.Jet noise modeling for suppressed and unsuppressed aircraft in simulated flight[J].Rep Tm.,2009.

[5]喬渭陽.航空發動機氣動聲學[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[6]張敦煜，閆國華.民用航空發動機燃燒室噪聲預測[J].噪聲與振動控制，2013，33(6)：134-138.

Static Jet Noise Prediction of a CivilAviation Turbofan

YAN Guo-hua,DENG Bo
(Sino-European Institute ofAviation Engineering,CivilAviation University of China, Tianjin 300300,China)

Jet noise is one of the main noise sources of engines,which directly affects the airworthiness certification of the aircraft.The data of static engine noise can predict the noise level and the airworthiness of the aircraft.So,it can save much time and costs.In this paper,based on the STONE jet prediction model,a method for prediction of jet noise of a civil aviation turbofan is proposed.A corresponding Matlab program is written and utilized to predict the jet noise of the engine CFM56-7B,which is the competitive engine of aircraft C919.The accuracy of this method is verified by comparing the results with those of a real noise test.

acoustics;jet noise;noise prediction;turbofan engine;static testing

V216.5+4

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.019

1006-1355(2016)06-0097-04

2016-07-13

閆國華(1964-)，男，陜西人，博士，教授，研究方向為飛機噪聲控制、節能減排和航空噪聲適航審定。

鄧波（1991-），男，湖南省衡陽市人，碩士研究生在讀，主要研究方向為發動機噪聲。E-mail:bdeng15@163.com