基于Clean-SC 的航空發動機整機噴流噪聲定位識別研究

杜 軍，劉元是，文 璧，劉 斌

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川 綿陽 621000)

1 引言

航空發動機噴流經過噴管高速排放沖擊外界空氣并急劇混合，形成非定常湍流運動而引起的噴流噪聲，是航空發動機最主要的噪聲源之一。對于小涵道比的軍用發動機，噴流噪聲更是最主要的噪聲源[1]。對于民用航空發動機來說，在飛機起飛和降落過程中，噴流噪聲是影響飛機適航性和艙內舒適性的關鍵因素；而對于軍用航空發動機來說，噴流噪聲直接影響相關工作人員健康、發動機隱身特性及發動機薄壁結構件的完整性。因此，噴流噪聲不僅是航空發動機固有的目標特征，而且也是社會普遍關注的公害之一，對航空發動機的噴流噪聲進行研究，在軍用和民用方面均有著重要的現實意義。

國外從噴氣式航空發動機問世就開始關注噴流噪聲帶來的相關影響，并為此開展了諸多關于航空發動機整機噴流噪聲理論、測試及降噪方面的研究[2-6]。如美國空軍為了研究其先進戰機F-22 的噴流噪聲特性，開展了應用傳聲器陣列結合多種聲成像方法的噴流噪聲源定位識別研究[7]；波音公司聯合GE 公司，通過應用多種傳聲器陣列結合的方式對全尺寸航空發動機噴流噪聲進行了相關測試研究，全面闡述和展示了傳聲器陣列技術在噴流噪聲測試研究中的應用[8]。國內北京航空航天大學鄭克揚[9]與莊家煜[10]等開展了關于噴流噪聲控制方面的實驗研究，獲得了噴流噪聲的機理及不同噴管下的噪聲特性結果；南京航空航天大學單勇等[11]對比研究了不同結構的冠狀鋸齒對噴流噪聲的抑制特性，驗證了鋸齒冠狀結構對分開排氣式大涵道比渦扇發動機噴流噪聲有明顯抑制作用。但國內在噴流噪聲研究方面主要還是集中在理論及實驗室方面，相比國外，在噴流噪聲測試技術方面還存在欠缺。

本文從噴流噪聲測試方面，針對航空發動機整機噴流噪聲源的定位識別問題，研究了基于Clean-SC結合線形傳聲器陣列的聲源定位識別方法，并以某型小涵道比渦扇發動機為對象，通過測試分析獲得了發動機噴流噪聲的主要聲源特性。

2 Clean-SC 聲源定位識別算法

Clean-SC 是航空聲學中最常用的基于反卷積的聲源定位識別技術，其不僅可以有效地移除聲源成像中旁瓣和主瓣間相干的斑點(假聲)，而且還可以提高聲成像的分辨率。關于Clean-SC 的算法過程，這里只做簡要介紹，具體可以參考文獻[12]。Clean-SC 算法過程主要分為3 步：第1 步，通過經典的Beamforing 算法[7]得到初步的聲源成像結果，稱為“臟圖”；第2 步，搜尋找出“臟圖”中的峰值，從“臟圖”中移除掉由此峰值產生的波束旁瓣，更新“臟圖”；第3 步，經過反復迭代I步后，最后得到干凈的聲源成像圖：

式中：j表示成像掃描點數，Q稱為潔凈波束，P為經過迭代后剩余的“臟圖”。

3 噴流噪聲測試

3.1 實測試方案

為了準確獲得航空發動機整機噴流噪聲的主要聲源位置，測試環境應該為自由聲場(只有直達聲，沒有反射聲)，一般是大型消聲室或戶外露天試車臺。同時，測試時測試現場周圍應沒有高聲壓級聲源的影響，測試點環境噪聲的1/3 倍頻程聲壓級需要明顯低于發動機噪聲的1/3 倍頻程聲壓級。本文借助于某型小涵道比渦扇發動機戶外露天靜態地面試驗，進行了噴流噪聲源定位識別測試。

傳聲器陣列測試技術是進行聲源定位識別的重要方法，為了定位識別噴流噪聲在噴流方向的聲源特性，本次采用近場線形傳聲器陣列對噴流噪聲進行聲源定位識別研究。其中近場線形傳聲器陣列由32 個駐極體預極化電容式麥克風組成，麥克風的動態范圍不低于160 dB。陣列與發動機軸線平行，沿著發動機噴流方向等間隔分布，從距離發動機軸線d=9 m、測點位置90°處沿著發動機噴流方向等間隔0.6 m 分布32 個測點，如圖1 所示。數據采集選擇帶寬不低于20 kHz 的高速動態采集系統。測試前，高速動態采集系統及傳聲器均經過校準檢定以保證測試數據可靠。

圖1 噴流噪聲測試線形傳聲器陣列布局示意圖Fig.1 Layout of linear microphone array for jet noise test

本次，進行了高壓轉子換算轉速n2r=82%，84%，87%，89%，92%下的噴流噪聲源定位識別測試。

3.2 聲源定位測試結果分析

3.2.1 聲源一維定位結果

圖2 為采用Clean-SC 聲源定位識別技術獲得的各狀態下噴流噪聲源一維定位結果。其中，橫坐標代表發動機軸線方向(軸方向)；縱坐標代表頻率信息，單位為Hz；色卡顏色表示幅值大小，單位為dB；位置(10，0)為尾噴管中心點。從圖中可以看出：主要聲源區域集中在(10，0)至(4，0)的區域，也就是尾噴管出口至軸線方向6 m 處；主要為1 000 Hz 以下的低頻聲源；隨發動機狀態的增加，離尾噴管遠處的高頻成分幅值明顯增加，而主要低頻成分在尾噴管出口表現得越來越明顯。

圖2 不同高壓轉子換算轉速狀態下聲源一維定位Fig.2 Sound source 1D location under different n2r

3.2.2 聲源二維定位結果

圖3 為采用Clean-SC 聲源定位識別技術獲得的各狀態下噴流噪聲源平面定位結果。其中，橫坐標、縱坐標分別代表發動機軸線方向(x軸方向)及垂直于軸線且平行于地面的方向(y軸方向)；色卡顏色表示幅值大小，單位為dB；位置(-10，0)為尾噴管中心點。從圖上可以看出：各狀態下，噴流噪聲源的主要聲源區域具有相似性，主要聲源區域分布在沿發動機噴流軸線方向及與發動機軸線呈一定角度的方向，且該角度不隨發動機狀態的變化而變化，為該發動機的固有屬性。從發動機噴流噪聲的主要產生源分析，這種特性與發動機的噴管結構特性直接相關。隨著發動機狀態的增加，噴流軸線方向上聲源特性越來越明顯，且傳播距離越來越遠。

圖3 不同高壓轉子換算轉速狀態下聲源平面定位Fig.3 Sound source planar location under different n2r

4 結論

應用Clean-SC 聲源定位方法，對某型小涵道比渦扇發動機噴流噪聲進行了測試研究，得出以下幾點結論：

(1) 發動機噴流噪聲在聲源一維定位結果上顯示，主要聲源區域集中在尾噴管出口至軸線方向6 m 處，主要為1 000 Hz 以下的低頻聲源。

(2) 發動機噴流噪聲在聲源平面定位結果上顯示，噴流噪聲的主要聲源特性不隨發動機狀態的變化而變化，為發動機的固有屬性，與噴管結構特性相關；主要聲源區域分布在沿著發動機的噴流軸線方向及與發動機軸線呈一定角度的方向。

(3) 基于Clean-SC 的聲源識別算法，結合線形傳聲器陣列的測試方法，能有效捕獲噴流噪聲的聲源特性，可以為今后航空發動機噴流噪聲工程測試提供方法指導。