飛機進近風扇部件噪聲預測

閆國華，馬永康，*，陳佳棟

1.中國民航大學 基礎實驗中心，天津 300300

2.中國民航大學 中歐航空工程師學院，天津 300300

隨著城市化進程的加快和我國商用飛機機隊規(guī)模的不斷擴大，飛機噪聲對機場周邊地區(qū)的影響日益受到人們的廣泛關(guān)注[1]。出于環(huán)境保護的需要，國際民航組織對飛機降噪的要求越來越高，噪聲適航審定已成為飛機能否達到適航要求的重要標準之一。發(fā)動機風扇噪聲作為飛機的主要噪聲源之一，與起飛過程相比其噪聲影響在進近過程中更為顯著[2]。隨著我國國產(chǎn)大涵道比商用發(fā)動機項目的實施，研究目前ARJ21支線客機所使用的CF34-10A的風扇噪聲并分析相關(guān)參數(shù)對發(fā)動機噪聲的影響，對我國商用航空發(fā)動機的研發(fā)具有十分重要的意義。在發(fā)動機研制之初對其風扇噪聲進行預測評估，可以有效避免后期發(fā)動機噪聲水平達不到適航標準而造成的整個項目的延期和研制成本的增加，從而有利于我國民用航空發(fā)動機適航審定工作的開展。

本文通過動態(tài)修正后的Heidmann風扇噪聲預測模型，對發(fā)動機風扇部件在進近過程中的總聲壓級、感覺噪聲級、有效感覺噪聲級進行預測分析，并與《中國民用航空規(guī)章》第36部（CCAR-36）適航要求相比較，為飛機噪聲適航工作提供參考。

1 發(fā)動機風扇進近噪聲預測算法

隨著現(xiàn)代民用發(fā)動機涵道比的不斷增加，噴流噪聲大幅度降低，也使得風扇噪聲在發(fā)動機整機噪聲中的比重顯著上升[3，4]。風扇噪聲由風扇進口寬頻噪聲、風扇進口離散單音噪聲、風扇進口組合單音噪聲、風扇出口寬頻噪聲和風扇出口離散單音噪聲等5個部分組成[5]。本文以美國國家航空航天局（NASA）和美國通用電氣（GE）公司提出的Heidmann大涵道比發(fā)動機的風扇噪聲半經(jīng)驗預測算法為基礎，對進近過程中的風扇噪聲進行預測。

1.1 發(fā)動機風扇靜態(tài)噪聲預測算法

Heidmann半經(jīng)驗模型是一種基于歸一化的算法，用于預測單轉(zhuǎn)子或雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機三分之一倍頻程的風扇噪聲[6]。風扇噪聲的預測方式是分別計算出5個部分的聲壓級，最后疊加得到總聲壓級。每個部分在標準海平面下的聲壓級的計算通式如下：

式（1）為風扇噪聲的基本預測方程，其中，SPLr（f，θ）為風扇噪聲聲壓級，是關(guān)于測距離r、三分之一倍頻程f和指向角θ的函數(shù)；ΔT為通過風扇的總溫升，T∞為環(huán)境溫度，ΔTref為參考溫升；m·為通過風扇的質(zhì)量流量，m·ref為參考質(zhì)量流量；F1是關(guān)于葉尖設計馬赫數(shù)Mad和葉尖相對馬赫數(shù)Mar的函數(shù)，決定了聲功率級峰值，F(xiàn)2是關(guān)于轉(zhuǎn)靜子間距比s*的函數(shù)，D（θ）為方向修正函數(shù)，S（η）為頻譜函數(shù)，η為頻率參數(shù)，其中：

式中：fb為葉片通過頻率，B為發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片數(shù)；，N為風扇轉(zhuǎn)速，Ae為風扇參考面積，Ma∞為飛行馬赫數(shù)，c∞為環(huán)境聲速， ，d為風扇直徑。

1.2 基于靜態(tài)預測噪聲的動態(tài)修正

從地面靜態(tài)映射到飛行狀態(tài)，本文主要考慮聲源移動效應、幾何發(fā)散衰減效應和大氣吸聲衰減效應。根據(jù)CCAR-36對進近噪聲測量的要求，飛機需要沿著3°的下滑道飛行，進近基準噪聲測試點位于跑道中心線延長線上離跑道入口2000m處[7]。飛機進近基準航跡如圖1所示。

圖1 飛機進近航跡示意圖Fig.1 Approach path of aircraft

1.2.1 噪聲源移動效應修正

發(fā)動機風扇聲源相對于噪聲測量點的移動而進行的聲壓級修正可以用公式（4）計算[8]：

式中： 為飛行聲壓級； 為靜態(tài)聲壓級；Ma為飛行馬赫數(shù)；λ為飛行航跡與飛機和傳感器連線的夾角。

1.2.2 幾何發(fā)散衰減效應

幾何發(fā)散是點生源在自由場傳播過程中的球面擴展。相同距離下，每個三分之一倍頻程的幾何發(fā)散衰減相同[8，9]：

式中：r2為測量點到移動聲源的距離；r1為測量點到靜態(tài)參考聲源的距離。

1.2.3 大氣吸聲衰減效應

在噪聲的傳播過程中需要考慮到大氣吸收效應[8，10]，在一定的溫度和濕度下，每個三分之一倍頻程各自對應的大氣吸聲系數(shù)如下：

式中：m=2.05lg（ fα/1000)+1.1394×10-3θ-1.916984，n=lg（fα)+8.42994×10-3θ-2.755624。

式中：m1=lgH-1.328924+3.179768×10-2θ，n1=-2.173716×10-4θ2+1.7496×10-6θ3。

修正后的每個三分之一倍頻程聲壓級為：

表1和表2給出了相應的中間量。

表1 δ—η對照表Table 1 δ—η comparison

表 2 f—f0對照表Table 2 f—f0 comparison

2 航空發(fā)動機風扇噪聲預測實例

2.1 參數(shù)輸入

本文以ARJ21支線客機所使用的CF34-10A發(fā)動機為例，在噪聲合格審定基準條件下（標準海平面大氣壓，大氣溫度25℃，相對濕度70%），對飛機在進近階段的風扇噪聲進行預測。基本輸入?yún)?shù)見表3和表4。

表3 發(fā)動機風扇幾何參數(shù)Table 3 Geometry parameters of engine fan

表4 發(fā)動機風扇性能參數(shù)表Table 4 Performance parameters of engine fan

2.2 預測結(jié)果分析

在噪聲合格審定要求的基準條件下，ARJ21支線客機在進近階段的發(fā)動機（兩臺）風扇進口噪聲有效感覺噪聲級（EPNL）預測值為85.1dB，風扇出口噪聲有效感覺噪聲級預測值為86.3dB。根據(jù)GE公司的公開資料，ARJ21支線客機在進近條件下的風扇進口噪聲實測值約為83.7dB，風扇出口噪聲實測值約為86.9dB。進近條件下，風扇進口噪聲的預測值和實測值相差1.4dB，誤差在1.6%以內(nèi)；風扇出口噪聲的預測值和實測值相差0.6dB，誤差小于1%；進近階段兩臺發(fā)動機的風扇整體噪聲有效感覺噪聲級預測值為88.58dB。同時，兩臺發(fā)動機的風扇整體噪聲的預測值未超過飛機噪聲數(shù)據(jù)庫中ARJ21相應機型的整機噪聲實測值。因此，在基于航空發(fā)動機風扇部件靜態(tài)噪聲預測基礎上，進行動態(tài)修正后的航空發(fā)動機風扇部件進近噪聲預測算法可以較好地預測實際情況。如果選用飛機在實際進近過程中的風扇進口空氣質(zhì)量流量和通過風扇的總溫升作為輸入?yún)⒘浚瑒t直接運用風扇部件進近動態(tài)噪聲預測算法得到的風扇整體噪聲預測值為95.12dB，與實際測量結(jié)果相比誤差較大。因此，基于風扇部件靜態(tài)噪聲預測飛行狀態(tài)噪聲的風扇部件進近噪聲預測方法更準確。

在飛機進近過程中，單臺CF34-10A發(fā)動機風扇的總聲壓級（OASPL）預測值和A計權(quán)聲壓級（dBA）預測值隨發(fā)動機進口軸線與發(fā)動機和測量點連線的夾角（指向角）的變化，如圖2所示。

圖2 風扇部件dBA與OASPL隨角度的變化Fig.2 Variation of fan dBA and OASPL with angle

從圖2中可以看出，飛機進近10dB降區(qū)間內(nèi)單臺CF34-10A發(fā)動機的A計權(quán)聲壓級（dBA）和總聲壓級（OASPL）的變化趨勢是先增大后減小，且總聲壓級始終大于A計權(quán)聲壓級。

2.3 環(huán)境因素對風扇進近噪聲傳播的影響

發(fā)動機風扇噪聲在傳播過程中會受到大氣環(huán)境因素的影響，本文選取濕度和溫度兩個環(huán)境變量對進近過程中風扇噪聲的傳播特性進行分析。由于客觀試驗條件限制，在分析溫度變化時假定不同溫度下的空氣進口質(zhì)量流量相等。濕度和溫度對單臺發(fā)動機風在進近過程中風部件扇有效感覺噪聲級預測值的影響，如圖3和圖4所示。

圖3 風扇部件有效感覺噪聲級隨大氣濕度的變化Fig.3 Variation of fan EPNL with air humidity

圖4 風扇部件有效感覺噪聲級隨大氣溫度的變化Fig.4 Variation of fan EPNL with air temperature

從圖3中可以看出，大氣環(huán)境對風扇部件進近噪聲的吸收衰減作用隨濕度的增加而減小，尤其是在相對濕度為10%～20%的范圍內(nèi)，大氣環(huán)境對風扇部件進近噪聲預測值的吸收衰減效應明顯；在相對濕度超過30%以后，大氣環(huán)境對風扇部件進近噪聲預測值的吸收衰減效應隨相對濕度的增加而減弱。

從圖4中可以看出，進近過程中，溫度一定時，在相對濕度20%～30%的范圍之外，空氣的相對濕度越大，則對風扇噪聲的衰減吸收作用越小。在相對濕度一定時，在-20～ -10℃范圍內(nèi)，溫度越高，大氣對風扇噪聲的吸收衰減作用越大；在0～20℃范圍內(nèi)，大氣對風扇噪聲的吸收衰減作用隨著溫度的升高而減弱；在20～45℃范圍內(nèi)，大氣對風扇噪聲的吸收衰減作用隨溫度的升高而增強。

3 結(jié)束語

結(jié)合適航規(guī)章中的飛機進近基準程序，研究了基于進近過程修正后的Heidmann風扇噪聲預測算法，開發(fā)相應程序，預測得到CF34-10A發(fā)動機在進近條件下的有效感覺噪聲級，通過分析得到如下結(jié)論：

（1）基于航空發(fā)動機風扇部件靜態(tài)噪聲預測進行動態(tài)修正后的航空發(fā)動機風扇部件進近噪聲預測算法可以較好地預測實際情況，并探究了部分環(huán)境因素對風扇部件進近噪聲的影響。

（2）該風扇部件進近噪聲預測模型適用于雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機，且發(fā)動機進口空氣質(zhì)量流量和通過風扇的總溫升必須選擇地面試車狀態(tài)下的穩(wěn)定值。

（3）本文開發(fā)的進近風扇噪聲預測程序可以為發(fā)動機降噪設計和飛機噪聲適航審定工作提供參考。

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