旋翼槳渦干擾噪聲特性試驗技術研究

劉正江，黃建萍，陳 煥，汪文濤

(中國直升機設計研究所 直升機旋翼動力學重點實驗室，江西 景德鎮 333001)

0 引言

旋翼/噪聲試驗是理論計算正確性驗證中不可或缺的重要環節，其試驗大體可分為三類：一類是在消聲室中的旋翼模型懸停噪聲試驗；一類是風洞中的前飛噪聲試驗；另一類是戶外飛行噪聲試驗[1-2]。

美國在20世紀80年代初制定了“國家旋翼噪聲研究計劃”(National Rotorcraft Noise Research Program)，計劃期間在風洞中進行了各種旋翼模型的試驗，取得了大量的槳葉表面壓力數據和近場、遠場聲學數據，對槳渦干擾噪聲和脈沖噪聲進行了深入的試驗研究，并最終建立了一套豐富的噪聲數據庫。法國國家航空航天研究院(ONER-A)在低速風洞中對4片槳葉的旋翼模型進行了BVI噪聲試驗，通過槳葉表面的壓力傳感器測量了槳葉與渦的干擾載荷，并計算出噪聲[3-4]。

國內對直升機旋翼/尾槳噪聲的研究工作起步較晚。2010年，南航消聲室進行了尾槳噪聲特性試驗及槳渦干擾聲源定位試驗，利用傳聲器獲取特征位置的噪聲試驗數據，系統研究了不同試驗狀態下尾槳聲場的分布特性[5-7]。

本文在其基礎上，改進了渦發生器設計，針對重點關注的區域，布置了更密集的傳聲器來同時獲取噪聲數據、振動數據和方位數據，數據分析則采用了整周期平均以及階次(諧頻)分析方法對槳渦干擾聲源噪聲頻譜特性和聲場分布特性進行了研究。

1 渦發生器設計

本項目使用的渦發生器在原有渦發生器的基礎上改進了設計，采用全新的三角翼設計，能夠生成仿真度更高的槳渦。系統除實現速度控制外，增加了三軸姿態控制，可以產生6～20m/s以及任意角度的槳渦，能夠用于平行槳渦、垂直槳渦、斜入槳渦干擾等的技術研究。

圖1 渦發生器圖

渦發生器收縮段采用圓形截面，入口直徑設定為140mm，出口直徑85mm，收縮段長度180mm，面積收縮比為4.04：1。

收縮段曲線按公式(1)計算得到[8]。

(1)

圖2 收縮曲線

圖3是收縮段的FLUENT 仿真結果，圖中可見風速經收縮段出來后提高了3-4倍。

圖3 收縮段仿真結果(單位：m/s)

2 試驗設計

2.1 消聲室

消聲室大小為8m×7m×6m(見圖4)，在壁面上開有窗口，并設有相應的進排氣通道?？捎行П苊鈿饬髟肼?、剪切層和多普勒效應對傳聲器的干擾，預期的試驗結果具有更高的準確度。消聲室背景噪聲11.3dBA，下限截止頻率80Hz。

2.2 模型旋翼

模型旋翼采用NACA0015對稱翼型，其基本參數如下：

旋翼半徑：R=1000mm；

槳轂型式：無鉸式；

槳轂半徑：Rg=100m；

槳葉片數：2片；

正裝旋轉方向：俯視順時針；

槳葉弦長：b=60mm；

槳葉扭轉角： 0°。

圖4 消聲室

2.3 試驗各參試系統布置

試驗臺、聲陣列、傳聲器支架以及渦發生器布置方式及位置關系見圖5。

各系統之間大致的位置關系如下：

試驗臺位于進風口一側，旋翼軸和地面平行，旋翼平面和地面垂直；

渦發生器位于旋翼軸一側，垂直旋翼平面；

傳聲器位于渦發生器一側，呈扇形分布。

圖5 試驗各參試系統位置布置(俯視)

2.4 聲場特性傳聲器布置

聲場特性傳聲器選用的是PCB公司的1/2in ICP型傳聲器，型號為378B02，該傳聲器標稱靈敏度為50mV/Pa，頻率范圍7～1000Hz，動態范圍到137dB。傳聲器測量點布置如表1所示。試驗時，傳聲器未加防風罩，因為試驗總矩不大，同時防風罩對聲壓級有一定的衰減。傳聲器主要布置在渦發生器一側，間隔角度為6°，1號傳聲器為0°，22號傳聲器為90°。

表1 傳聲器空間位置表(相對槳榖中心)

2.5 振動傳感器及轉速傳感器布置

振動傳感器選用三軸加速度傳感器，試驗時測量垂直旋翼軸的水平(或垂直，根據測試硬件通道確定)方向振動加速度。傳感器安裝在電機輸出軸(旋翼軸)側的上端面，并盡可能靠近輸出軸。轉速測量采用光電傳感器，安裝在電機輸出軸(旋翼軸)側的上端面頂部，和振動傳感器在同一條垂直軸線上，同時和渦發生器、聲場分布傳聲器在同一側。安裝位置示意圖見圖6。振動傳感器和轉速傳感器采用膠粘方式安裝。

圖6 振動和轉速傳感器布置圖

2.6 試驗狀態選擇

雖然槳葉設計額定轉速超過2000rpm，但考慮到電機功率只有40kw，同時為確保試驗安全，試驗時試驗臺1階和2階振動限制在0.25g以內，最終完成的試驗狀態如表2所示。

表2 試驗狀態表

3 槳渦干擾噪聲特性試驗數據分析

3.1 試驗數據處理方法

本項試驗研究的對象是旋翼槳渦干擾噪聲。國外的研究表明，旋翼槳渦干擾噪聲是和轉速相關的諧頻噪聲，DNW對旋翼槳渦干擾噪聲數據分析采用的是64個數據段的時間歷程平均后再進行FFT分析的方法[9-11]。本文通過對比研究，最終采用100圈整周期數據平均方法進行時域數據處理，而每一圈的起點為轉速傳感器的上升沿的最大值處。

取1440rpm、2片槳葉、16m/s出渦速度試驗狀態下78°方位處的傳聲器1圈原始數據和100圈平均成1圈的數據以及轉速數據，繪制成圖7。

從圖中對比分析可以得到，相比1圈原始數據，經過100圈平均成1圈的數據，消除了大部分的和轉速無關的高頻干擾信號，同時很好地保持了旋翼槳渦干擾噪聲的特征波形(圖7中橢圓框出部分)。

圖7 1圈數據和100圈平均成1圈聲壓歷程對比圖

3.2 槳渦干擾噪聲頻譜特性分析

取78°方位處的傳聲器數據(試驗狀態同3.1節)100圈平均成1圈的數據進行階次分析，分析結果見圖8。

圖8 78°方位處槳渦干擾噪聲階次圖

從圖中可以看出該位置處的槳渦干擾噪聲諧頻信號主要集中在10階到40階之間，圖中標出三個聲壓幅值最大的點，分別是第22階、第38階和第18階。

3.3 特定階次槳渦干擾噪聲聲場分布特性分析

仍采用3.1節中的同一試驗狀態數據，并依據3.2節的結果，取第22階的數據，畫出隨方位角變化的聲壓圖，即第22階諧頻槳渦干擾噪聲聲場分布圖，見圖9。

從圖可以看出，在該試驗狀態下的第22階槳渦干擾噪聲聲場分布，聲壓最大的方位在72°方位附近。

3.5 相同轉速不同渦速下槳渦干擾聲場分布特性分析

取1440rpm、2片槳葉試驗狀態，出渦速度分別為3m/s、6 m/s、9 m/s、12 m/s和16 m/s的噪聲數據，按3.1節和3.2節的數據處理方法得到相同轉速不同渦速下的第22階槳渦干擾聲場分布圖(圖10)。

圖9 第22階槳渦干擾噪聲聲場分布圖

圖10 相同轉速不同渦速下第22階諧頻槳渦干擾噪聲聲場分布圖

從圖中可以分析得到，第22階諧頻下，聲壓隨出渦速度增加而增加，而聲壓最大方位隨出渦速度增加從65°方位逐漸向72°方位變化。

3.6 相同渦速不同轉速槳渦干擾聲場分布特性分析

取2片槳葉試驗狀態，出渦速度16 m/s，轉速分別為1140rpm、1260 rpm 、1320rpm、1380rpm、1440rpm和1860rpm的噪聲數據，按3.1節和3.2節的數據處理方法得到相同渦速不同轉速下的第22階諧頻槳渦干擾聲場分布圖(圖11)。

圖11 相同渦速不同轉速下第22階槳渦干擾噪聲聲場分布圖

圖11中有非常明顯的規律性的東西不多，大體上可以看出，第22階諧頻下，各方位角處聲壓基本上隨轉速增加而增加，聲壓最大方位隨轉速增加大致是從45°方位逐漸向90°方位變化。

4 結論

本文通過渦發生器產生模擬槳尖渦，獲取不同試驗狀態下的旋翼槳渦干擾噪聲數據，利用整周期截取方法對100圈數據進行平均，得到各諧頻下的噪聲數據，然后進行了諧頻特性和聲場分布特性的分析，可以得到以下結論：

1)利用轉速零方位脈沖對槳渦干擾噪聲數據進行整周期截取后再進行平均，不僅能夠有效消除干擾噪聲，同時也能很好地保留槳渦干擾噪聲特征波形；

2)整周期平均后的諧頻(階次)分析表明，槳渦干擾噪聲最大聲壓主要集中在10階到40階之間；

3)在所選最大聲壓對應階的諧頻下，聲壓隨出渦速度增加而增加，而聲壓最大方位隨出渦速度增加從65°方位逐漸向72°方位變化。

另外，試驗分析表明，所選階諧頻下，轉速對聲壓場分布特性的影響規律不明顯，具體原因有待進一步研究。