航空發動機試車臺噪聲環境測試研究

楊明綏，劉凱，賈平芳，王萌，閆海蛟，馮敏

(中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015)

航空發動機試車臺噪聲環境測試研究

楊明綏，劉凱，賈平芳，王萌，閆海蛟，馮敏

(中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015)

航空發動機試車臺噪聲控制是試車臺設計的關鍵技術之一，如何針對現有典型試車臺開展噪聲環境測試和評估，是航空發動機試車臺噪聲環境研究的一項重要內容，是設計和評估高品質試車臺的重要技術手段。在我國典型試車臺上，針對大涵道比渦扇發動機開展噪聲測試和綜合分析，分別完成了發動機噪聲源特性分析、進排氣塔消聲和隔聲分析、周圍環境噪聲分析等，并對試車臺降噪設計關鍵問題進行了探討，對今后試車臺的降噪設計具有重要借鑒意義。

航空發動機試車臺；噪聲控制；噪聲測試；大涵道比渦扇發動機；噪聲源分析；進氣塔；排氣塔

1 引言

航空發動機臺架試車是發動機研制過程中至關重要的環節，貫穿于發動機的預研、研制、生產和使用、改進和改型等全過程。因此，國內外對航空發動機試車臺的設計十分重視，投入大量人力物力進行科研攻關，以滿足不同類型、型號發動機試車試驗要求。然而值得注意的是，在航空發動機試車臺的選址和建造過程中，噪聲控制儼然已成為試車臺建設的一項十分重要的技術內容，以及試車臺建設是否符合規范、設計是否先進的重要考核標準[1-2]。這是由于國內外航空發動機試車臺設計規范中，均對操縱間、準備待試間、進排氣塔外場30.0 m等處的噪聲限值有明確的規定[3-5]。

航空發動機的噪聲與一般聲源產生的噪聲不同，其具有強度大、聲壓級高、頻譜(帶)范圍寬、危害廣的特點，使得航空發動機試車臺的噪聲治理難度極大。隨著我國對噪聲污染問題的日益重視，加之新研制發動機向著流量大、推力高、葉尖馬赫數大、噴流排氣速度高等方向發展，必將使得航空發動機試車臺的噪聲控制難度加大，經費耗費巨大。據不完全統計，通常整個試車臺降噪設施所需經費約占總基建投資的三分之一[6]。如2007年羅·羅公司建設的58號大型試車臺，采用了具有降噪功能的雙層頂蓋結構(包含11 000 m3的混凝土結構及容量達1 000 t的進排氣消聲裝置)，耗費巨大。而我國的上海航空發動機露天試車臺和西安266號試車臺，建成后因初期選址及論證等原因無法正常投入使用，使國家資源得不到充分合理利用[7]。因此，噪聲問題已逐漸在試車臺論證初期引起國內外的關注，需要在設計之初就進行詳細論證，有針對性地開展降噪設計。

對聲源特性的準確把握和合理的降噪設計，是航空發動機試車臺降噪的兩個關鍵問題，國內對此進行了大量研究。1993年，張元周[8]對停放在停機坪上的東方航空公司的飛機上的B1213發動機進行了遠場噪聲測試。1994年，606所對該機遠場噪聲信號進行了1/3倍頻程頻譜分析。金業壯等[9]對航空發動機臺架試車噪聲進行了聲壓級測量，通過細化譜分析等定性和定量手段，獲取了該發動機的聲學特性。1996年，孫松嶺等[10]對航空發動機試車臺試車時發動機產生噪聲的機理及頻譜特性進行了細致的分析和研究，得到了試車臺噪聲主要是呈現中高頻頻率特性、連續寬帶的空氣動力性噪聲的結論。1999年，沙云東等[11]結合渦噴發動機臺架試驗進行了聲強測量和聲源識別，討論了該型發動機的噪聲級、主要噪聲源及其特征，并進一步指出：低轉速時發動機噪聲以壓氣機葉片通過頻率處的離散純音為主，隨著轉速的增加噴流聲上升為主要成分，轉速最大時壓氣機離散純音在高頻段仍有出現，但噴流噪聲占絕對主導，噴流噪聲峰值頻帶集中在250～1 000 Hz，中間狀態時最高聲強級達150 dB，最大聲功率達160 dB。2006年，黃晶晶等[12]基于航空發動機試車臺噪聲的聲功率譜分析技術，對渦槳發動機試車噪聲的聲功率譜進行了分析；2012年，王娜等[1]為掌握渦扇發動機在室內試車時的噪聲特性，并檢驗試車臺建筑物和各項降噪設備的效果，對某新建試車臺的聲環境進行了現場測量，獲取了試車臺內、外環境噪聲數據及各項降噪設備的降噪效果。在降噪設計方面，試車臺的進/排氣消聲器是降低發動機噪聲對外部污染的重要手段。其中阻性消聲器適于降低中、高頻噪聲，抗性消聲器適于降低中、低頻噪聲[8，13]。牛延云等[14-15]針對國內發動機臺架試車過程中排氣噪聲抑制效果差的缺點，突破國內傳統工藝，提出一種內插管擴張室消聲器，并在606所A109試車臺的排氣消聲塔上得到應用，獲取了較好的效果。目前，國內新建試車臺數量不少，但公開發表的全面進行事后評估降噪設計效果的報告不多。從少量公開的文獻和報告中發現，從設計之初就充分評估待設計試車臺噪聲源，并有針對性的開展降噪設計、評估的工作更加少之又少。

隨著我國航空發動機事業的不斷進步發展，我國將開展各種先進試車臺的設計與建設工作。在此背景下，如何準確給出能反映我國在研航空發動機的噪聲源強度及頻譜特性，如何總結和提煉已有試車臺降噪技術手段，并給出測試評價，就顯得十分重要且具有很強的工程技術價值。

本文基于國內某先進試車臺，著重闡述了其主要降噪措施和相關特點，然后在某型大涵道比渦扇發動機試車時完成了試車臺噪聲、進排氣消聲塔噪聲及外部環境噪聲的測試，詳細分析了該發動機的聲源特性，并以此為基礎分析了試車臺各項降噪措施的消聲、隔聲特性。一方面摸清了該型發動機噪聲源特征，另一方面對我國典型航空試車臺降噪措施進行了測試評估。

2 航空發動機試車臺

2.1 試車臺總體情況

該航空發動機試車臺于2013年12月建成，可滿足我國在研多種型號發動機整機的常規試車任務。試車臺廠房采用垂直進、排氣，屋頂懸掛式試車臺架，一次進氣、一級引射的設計方案。試車臺主要布局見圖1。試車臺主要技術指標：試車間截面積12.0 m×12.0 m，發動機中心標高6.0 m，試車間最大空氣流量高于1 500 kg/s。

2.2 進氣消聲塔

進氣消聲塔(簡稱進氣塔)塔高為25.0 m，橫截面為12.0 m×12.0 m，墻壁結構為600 mm厚混凝土。進氣塔采用比較先進的矩陣式消聲器(圖2)。這種消聲器具有以下特點：①能最大化提高降噪頻率范圍，且整個消聲段都參與消聲，降噪效果明顯；②流阻系數小，氣動性能好；③易于安裝和檢修維護；④吸聲面面積大，降噪效率高，體積小。

2.3 排氣消聲塔

排氣消聲塔(簡稱排氣塔)塔高為33.5 m，橫截面為19.0 m×19.0 m，墻壁結構組成為300 mm混泥土/ 370 mm普通磚/190 mm消聲磚。排氣塔采用比較先進的內插管式消聲器(圖3)。這種消聲器專業用于航空航天發動機試車臺及中低頻噪聲高的降噪項目中，可進行分頻降噪，且降噪頻帶寬。尤其是針對低頻噪聲降噪量極大，屬抗性消聲器。

3 噪聲測試方案

3.1 試驗用發動機

試驗用發動機為某型大涵道比渦扇發動機。該發動機由風扇、增壓級、高壓壓氣機、短環形燃燒室、高壓渦輪和低壓渦輪組成，內外涵分別排氣。發動機試車程序為，起動-慢車(3 min)-95%高壓壓氣機轉子轉速(2 min)-最大狀態(1 min)-85%高壓壓氣機轉子轉速(2 min)-89%高壓壓氣機轉子轉速(1 min)-慢車(2 min)。本次測試采用聲壓傳感器直接測量聲壓，當發動機達到目標工作狀態時進行數據采集。獲取發動機在慢車狀態、最大狀態下的噪聲源特征及其強度；在發動機最大狀態下獲取進/排氣塔的噪聲源輸入、輸出強度，獲取進/排氣塔的消聲效果；獲取試車臺周圍的噪聲分布及傳播，進行環境噪聲影響評估分析；有針對性地對試車臺的噪聲控制措施進行分析，為今后降噪設計提供依據。

3.2 噪聲測點位置

噪聲測試共選取10個噪聲測點，其中地面測點8個，高空測點2個。具體測點位置如圖4所示。

噪聲測點可分為進氣端組、室內組和排氣端組。

(1)進氣端組：包括測點1、測點3、測點8和測點9。其中測點1為高空測點，位于進氣塔口前緣與發動機中心線交匯處；其他3點為地面測點，均距地面1.5 m高。測點3距試驗間墻壁1.0 m，測點8、測點9在室外距西面外墻壁分別為30.0 m和50.0 m。

(2)室內組：包括測點2和測點4，均為地面測點，距地面1.5 m高。測點2距發動機進口23.0 m，測點4距發動機外涵噴口1.5 m，與發動機排氣方向約為90°。

(3)排氣端組：包括測點5、測點6、測點7和測點10。其中測點5為高空測點，位于排氣塔口后緣與發動機中心線交匯處；其他3點為地面測點。測點6、測點7在室外，分別距東面外墻壁1.0 m、20.7 m，高均為1.5 m；測點10在室外廠界處的墻壁上，距試車臺東面外墻壁33.0 m，高4.4 m。

3.3 測試系統

測試系統包括傳感器、放大器和數據采集系統。傳感器采用BK4191型傳感器，該型傳聲器可用于較寬頻帶范圍、高精度的自由聲場測量。外部極化的4191型傳感器與2669L型前置放大器一起使用，如圖5所示。數據采集系統采用BBM公司的Mueller BBM MKⅡ硬件系統，如圖6所示。

4 測試結果及分析

4.1 各測點總聲壓級

在發動機慢車和最大狀態下測量得到的各個測點總聲壓級如圖7所示。可見，測點2和測點4距離發動機較近，具有很高的噪聲強度，是試車臺降噪需考慮的核心對象。測點2和測點4的測量結果可作為進氣消聲塔的降噪設計輸入，對其進行深入分析，一方面能得到進氣和排氣系統的降噪特性，完成對試車臺現有降噪措施的評估；另一方面還能獲得該類發動機的主要噪聲源特性及強度預估，對于新建試車臺具有重要的指導意義。

4.2 主要噪聲源特性分析

對于大涵道比渦扇發動機，其主要噪聲源為風扇噪聲和噴流噪聲。

4.2.1 風扇噪聲源特性分析

風扇噪聲主要由葉片通過頻率(也稱BPF)噪聲構成，而葉片通過頻率噪聲主要包括轉子葉片周期性壓縮空氣引起的噪聲和轉靜干涉噪聲兩部分。葉片通過頻率噪聲的特征是以葉片通過頻率為基頻，同時還要考慮其諧頻(為基頻的整數倍頻)。葉片通過頻率fi?BPF可按下式計算：

式中：B為轉子葉片數，N為轉子轉速，i為葉片通過頻率諧波數。

測點2主要來自于發動機的風扇前傳噪聲，因此可通過測點2的測試結果分析風扇前傳噪聲源的特性。從圖8中可看到，發動機風扇前傳噪聲源主要表現為離散噪聲特性，其主要噪聲成分為BPF、BPF倍頻及與BPF相差為軸頻及整數倍軸頻的激波噪聲。測點4主要來自于風扇后傳噪聲和噴流噪聲，從圖9中可看到風扇后傳噪聲與前傳噪聲類似，具有強烈的離散聲源特性。但測點4的BPF噪聲強度更大，比測點2的BPF噪聲還要高8.0 dB(A)。

4.2.2 噴流噪聲源分析

大涵道比渦扇發動機的噴流噪聲由混合噪聲、激波噪聲和尖塞上的流動脫體噪聲組成。由于雙涵道的噴流由發動機主噴流和風扇出口噴流組成，噴流噪聲和激波噪聲可按聲源位置分為內涵、外涵和雙涵道合并的噪聲，如圖10所示[16]。噴流的混合噪聲來源于噴流中湍流的混合過程。對于雙涵道發動機，噴流中湍流的混合過程主要包括：外涵道風扇出口噴流與靜態介質的混合，內涵道發動機主噴流與風扇出口噴流的混合，以及雙涵道噴流與靜態介質的混合。混合噪聲的頻譜特征都為寬頻，但其各自的聲源位置和特征頻率有很大的不同；噴流的激波噪聲僅存在于超聲速噴流中，源于噴流中的激波與湍流的相互作用，也是寬頻噪聲。

由于在最大轉速狀態時，大涵道比渦扇發動機的聲源主要以風扇噪聲為主，加之噴流噪聲主要表現為寬頻噪聲，在測試頻譜中很難分離。因此本文將試驗測得的頻譜與Tam[17-18]的兩聲源理論擬合出的頻譜曲線進行對比，來確定噴流聲源的頻帶范圍，進而完成噴流聲源分離。根據Tam的兩聲源理論，噴流噪聲向上游和向下游傳播的頻譜存在較大差異，根據噴流噪聲頻譜的自相似性，并結合大量試驗數據，Tam給出了噴流噪聲頻譜的經驗公式：

式中：S代表頻譜，F、G分別為下游方向和上游方向頻譜經驗公式，A、B、Dj由試驗工況和噴口尺寸決定，fL和fH為與頻率有關的經驗參數。

按公式(2)計算得到的該發動機的噴流噪聲如圖11所示。可見，噴流噪聲主要集中在5～630 Hz頻率范圍內，表現為寬帶噪聲源特性。基于圖11結果，采用最小二乘擬合法對圖9所示結果進行擬合，進而可得到噴流噪聲強度。經分析，噴流噪聲強度比風扇噪聲要低12.0 dB(A)。

綜上，發動機本身最主要的聲源主要由風扇噪聲和噴流噪聲兩部分構成。針對這種聲源特性，在對整個試車臺進行消聲設計時，應兼顧風扇噪聲源和噴流噪聲源的頻率范圍與強度，開展針對性設計。

5 試車臺降噪措施分析

5.1 進氣塔墻壁隔聲量分析

進氣塔墻壁的隔聲量可由測點2和測點3的測試結果近似得出，其中測點3的測試結果如圖12所示。結合圖8、圖12的頻譜測試結果，可得到進氣塔墻壁的1/3倍頻程隔聲量分析結果，如圖13所示。進氣塔墻壁隔聲量為69.2 dB(A)，在5 000 Hz處最大，最大值為78.3 dB(A)。主要隔聲頻率段400 Hz以上，此范圍內隔聲量均在60.0 dB(A)以上。

5.2 進氣塔消聲量分析

進氣塔的消聲量可由測點2和測點1的測試結果近似得出，其中測點1的測試結果如圖14所示。結合圖8、圖14的頻譜測試結果，可得到進氣塔的1/3倍頻程消聲量分析結果，如圖15所示。進氣塔總消聲量為48.0 dB(A)，在800 Hz處最大，最大值為52.7 dB(A)。主要消聲頻率段125～4 000 Hz，此范圍內消聲量均在40.0 dB(A)以上。

5.3 排氣塔墻壁隔聲量分析

排氣塔墻壁的隔聲量可由測點4和測點6的測試結果近似得出，其中測點6的測試結果如圖16所示。結合圖9、圖16的頻譜測試結果，可得到進氣塔墻壁的1/3倍頻程隔聲量分析結果，如圖17所示。排氣塔墻壁隔聲量為76.5 dB，在10 000 Hz處最大，最大值為92.5 dB(A)。主要隔聲頻率段200 Hz以上，此范圍內隔聲量均在60.0 dB(A)以上。

5.4 排氣塔消聲量分析

排氣塔的消聲量可由測點4和測點5的測試結果近似得出，其中測點5的測試結果如圖18所示。結合圖9、圖18的頻譜測試結果，可得到排氣塔的1/3倍頻程消聲量分析結果，如圖19所示。排氣塔總消聲量為60.7 dB(A)，在10 000 Hz處最大，最大值為78.4 dB(A)。主要消聲頻率段400 Hz以上，此范圍內消聲量均在50.0 dB(A)以上。

通過以上分析可以發現：在墻壁隔聲方面，排氣塔墻壁隔聲效果明顯比進氣塔墻壁的好，這是因為在排氣塔端周圍的墻壁結構組成為300 mm混泥土、370 mm普通磚及190 mm消聲磚，而在進氣塔端周圍的墻壁結構為600 mm混泥土。

5.5 環境噪聲評價

根據我國現行的《聲環境質量標準》[19]中對五類聲環境功能區的環境噪聲限制值的規定，該試驗臺周圍區域屬于第二類。其限制值為晝間上限60.0 dB(A)，夜間上限為50.0 dB(A)。根據圖7中發動機在最大狀態下各測點的噪聲值，在廠房邊界圍墻處的測點10，其A計權聲壓級已降到50.0 dB(A)，滿足國家標準對試驗臺周圍環境噪聲的要求。同時，也進一步說明該試車臺的消聲措施對于大涵道比渦扇發動機試車時的噪聲抑制效果很好，滿足設計要求。

6 結論及探討

以國內某先進試車臺為基礎，針對某型大涵道比渦扇發動機進行了噪聲測試分析。一方面摸清了該型發動機的噪聲源特征，另一方面對我國典型航空發動機試車臺的降噪措施進行了測試評估，其內容可以反映當前試車臺降噪設計關鍵問題的能力與水平。主要獲得如下認識：

(1)該試車臺各降噪措施合理有效，在某型大涵道比發動機試車過程中滿足環境噪聲的限制要求。但同時還應注意，本次測試對象為大涵道比渦扇發動機，其主要噪聲源為高頻段風扇噪聲，因此本次測試分析結果僅能反映該試車臺及其現有降噪措施對該發動機的降噪效果。

(2)發動機達到最大狀態時，排氣塔周圍噪聲存在不均勻特性。隔聲門附近噪聲要大于其他地方，因此在注重隔聲門選型和降噪設計的同時，還需注意排氣塔塔體、引射間墻體及各墻體縫隙的降噪設計處理，進一步提高土建的隔聲效果。

(3)對于具有加力狀態的軍用發動機，其低頻(630 Hz以下)噪聲將急劇增加，設計該類發動機試車臺時應對進/排氣塔的低頻降噪引起足夠重視。

(4)進/排氣塔的輸入聲源不僅包含高頻的風扇噪聲，還包括低頻的噴流噪聲。因此在進/排氣塔設計過程中應根據各頻段聲源的特性及能量大小，綜合考慮全頻段的降噪設計。如當進/排氣塔聲源較大時，要考慮雙層墻體結構以提升隔聲效果。

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Noise environment test and analysis of an aero-engine test cell

YANG Ming-sui，LIU Kai，JIA Ping-fang，WANG Meng，YAN Hai-jiao，FENG Min
(AECC Shenyang Engine Research Institute，Shenyang 110015)

Noise control of an aero-engine test cell has become one of the crucial technologies in the de?sign of test cell.Therefore,the noise surrounding test and analysis,a significant part in the research of the aero-engine test cell,are important means to design and assess high-quality test cell.Based on a certain type of high bypass ratio turbofan engine,noise test and analysis were conducted on a typical test cell.Char?acteristics of noise source,noise reduction and insulation of inlet and outlet tower,and surrounding noise were analyzed,respectively.In addition,critical issues on the design of test cell noise reduction were dis?cussed,providing significant reference to the future design of test cell noise reduction.

aero-engine test cell；noise control；noise test；high bypass ratio turbofan engine；noise source analysis；intake tower；exhaust tower

V263.4+7

：A

：1672-2620(2017)01-0018-07

2016-09-26；

：2017-02-13

楊明綏(1980-)，男，遼寧沈陽人，高級工程師，博士，現從事航空發動機噪聲控制技術研究。