仿生學鋸齒槳葉降噪效果試驗研究

摘 要：以仿生學結構改善發動機的氣動性能和噪聲水平是當前綠色航空的研究熱點，對控制對轉螺旋槳的氣動噪聲具有重要的工程應用價值。本文通過地面聲學環境下的氣動噪聲試驗研究了仿生學鋸齒結構對轉螺旋槳的降噪特性，并測試了鋸齒結構槳葉和基準槳的拉力、扭矩等氣動性能和遠場噪聲指向性。試驗結果表明，所設計的鋸齒結構沒有引起基準槳的氣動性能損失，可以在保持氣動性能的同時開展降噪設計。鋸齒結構在4000～12000Hz頻率區間，沒有改變基準槳葉的噪聲指向性特征，最大降噪量超過5dB；在所測轉速工況的一階通過頻率、二階通過頻率處沒有明顯的降噪效果。這進一步說明鋸齒結構對寬頻噪聲有降噪效果，對低頻段的離散噪聲降噪效果不明顯。

關鍵詞：仿生學； 鋸齒結構； 對轉螺旋槳； 氣動噪聲； 試驗測試

中圖分類號：V235.12 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.05.012

噪聲是目前航空領域的研究熱點和難點，也是民航飛機適航取證的重要內容。發動機噪聲是飛機的主要噪聲源，在當前綠色航空背景下，20世紀80—90年代研究的開式轉子發動機重新成為研究熱點。開式轉子又稱對轉螺旋槳，具有前后兩排轉向相反的螺旋槳。與常規螺旋槳相比，對轉螺旋槳轉速更高，槳葉直徑更小，燃油效率更高，有資料顯示，對轉螺旋槳的飛行效率比常規螺旋槳高6%～ 16%[1]，但對轉螺旋槳又具有噪聲大的缺點。由于沒有短艙包裹，對轉螺旋槳的噪聲直接向艙內和機場周邊傳播。隨著國內適航要求和國際民航組織對噪聲的要求不斷提高，降低噪聲已經成為對轉螺旋槳的首要任務[2-4]。

近年來，針對仿生學降噪，國內外開展了大量的研究，仿生學結構可以在保持原有結構功能的同時達到降低噪聲的目的，有些甚至可以改善原有結構功能。仿生學降噪已經成為一個快速發展的方向。歐美國家針對對轉旋槳噪聲的研究比較全面和深入[5-10]。Finez[11]、Weckmuller[12]與Jaron[13]等將開式轉子葉片、風扇葉片尾緣設計成鋸齒狀，數值模擬了其氣動性能和噪聲水平，并在風洞內進行了試驗研究。國內，喬渭陽團隊[14]闡述了仿生學氣動噪聲控制研究的歷史、現狀和進展，說明了仿生學降噪研究的重要性和意義；陳偉杰[15]對靜態的仿生學鋸齒狀葉片進行了風洞試驗，研究了不同鋸齒結構的降噪特性；徐坤波等[16]對比分析了常規尾緣翼型與鋸齒尾緣翼型尾緣湍流流場的基本特征，并通過線陣列的方法對比研究了兩種尾緣結構的噪聲；楊文琪等[17]對采用鋸齒尾緣和波浪前緣兩種結構的葉片進行數值模擬，研究其對軸流風機的降噪效果。

綜上，國內對轉螺旋槳的相關仿生學降噪研究以數值模擬為主，試驗研究又多為靜態翼型試驗，缺少旋轉狀態試驗。本文將搭建對轉螺旋槳氣動與噪聲試驗平臺，設計基本型對轉螺旋槳和鋸齒結構對轉螺旋槳，并在地面聲學環境下對其氣動性能參數和噪聲水平進行測試，對比分析仿生學鋸齒結構槳能否在保持或提高氣動性能的同時降低噪聲。

1 試驗原理

本文將開展的對轉螺旋槳氣動噪聲試驗包括氣動性能測試和遠場噪聲測試。氣動性能測試的目的是評估鋸齒結構對對轉螺旋槳氣動性能的影響，不降低氣動效率也是降噪設計的前提。飛機起降時對機場周邊環境的噪聲輻射最為嚴重，遠場噪聲測試的目的是評估鋸齒結構對遠場噪聲特性的影響。

試驗中測量對轉螺旋槳的拉力、扭矩，通過式（1）計算得出功率

2 試驗方案

2.1 試驗件

本次試驗件包含一套鋸齒結構對轉螺旋槳（簡稱鋸齒槳）和一套基本型對轉螺旋槳（簡稱基準槳），兩套槳對比驗證鋸齒結構的降噪效果。兩套對轉槳直徑均為0.66m，前后兩排槳葉數量均為6片，槳葉安裝角為20°，槳葉均為復合材料。鋸齒槳前排槳葉尾緣切割成鋸齒形狀，后排槳葉前緣切割成鋸齒形狀，實物如圖1所示。

根據參考文獻[15]中的尾緣噪聲理論預測模型（BPM）設計了前后緣鋸齒幾何參數，如圖2所示。鋸齒振幅A為 10.2mm，為10%弦長。鋸齒波長λ為4.1mm，為4%弦長。齒根厚度b為0.7mm。通過線切割方法在基準葉片尾緣上切割出鋸齒結構，鋸齒內側和尖角處無導角，鋸齒邊緣采用直線設計。基準槳前后兩排槳葉光滑完整，無鋸齒，其他參數與鋸齒槳保持一致。

2.2 試驗平臺

為了在半消聲室開展氣動噪聲試驗，研制了一套對轉螺旋槳氣動噪聲試驗平臺，如圖3所示。試驗平臺具備拉力、扭矩測量功能。試驗平臺最大轉速為3500r/min，拉力測量范圍為0～4000N，扭矩測量范圍為0～400N·m。兩排葉片共軸反轉，前后排葉片之間的距離為17cm，旋轉軸距離地面2.2m。

2.3 測試方法

本次試驗在半消聲室內進行，對轉螺旋槳試驗臺安裝在半消聲室內中間位置，試驗現場如圖3所示。模擬對轉螺旋槳地面起飛工況，固定槳葉安裝角，以轉速為變量，研究轉速對氣動噪聲的影響規律。根據葉尖馬赫數相似原則，設計試驗工況見表1。

對轉螺旋槳到達預設工況后，可以從控制系統直接讀取拉力和扭矩。在半消聲室布置傳聲器陣列，測量遠場輻射噪聲。傳聲器陣列包含12個BK4954型自由場傳聲器（mic），指向角為40°～150°，間隔10°，布置如圖4所示。傳聲器陣列圓心為后排螺旋槳旋轉中心，半徑為3.5m。試驗時，傳聲器同時采集20s聲壓數據。采樣頻率設為32768Hz，傳聲器須經過計量校準。

3 試驗結果與分析

以下從氣動性能測試結果和遠場噪聲測試結果展示說明鋸齒結構對轉螺旋槳和基準槳的氣動噪聲特性。

圖5為基準槳和鋸齒槳的拉力試驗結果。在1500～ 3000r/min轉速范圍內，鋸齒槳和基準槳的拉力均隨著轉速的升高而增大，且增長趨勢一致。兩套槳在2500r/min處的拉力相差最大，為15N。考慮到拉力傳感器精度和半消聲室內氣流擾動帶來的測量誤差，可以認為兩套槳具有同等的拉力水平，鋸齒結構未產生明顯的拉力損失。

圖6為基準槳和鋸齒槳的扭矩試驗結果。兩套槳在所測轉速范圍內，扭矩均隨著轉速的升高而增大，但二者增速有所差別。鋸齒槳在2000r/min之后，扭矩增速加大；在2000r/min以內，扭矩增幅較小。基準槳全程增速比較均勻。相同轉速下，鋸齒槳比基準槳的扭矩值大。兩套槳扭矩差最大為3N·m，差值較小。考慮到扭矩傳感器測量精度和半消聲室氣流擾動帶來的誤差，認為兩套槳的扭矩差值為小量。可以認為鋸齒結構不會帶來扭矩損失。

圖7為基準槳和鋸齒槳的功率試驗結果。可以看出，在所測轉速范圍內，兩套槳的功率從3000W左右增大到9000W左右，增幅比較明顯。從1500r/min至3000r/min，鋸齒槳的功率始終大于基準槳的功率，在2500r/min時，鋸齒槳的功率比基準槳大約1000W，說明鋸齒槳的效率更高。

選取2000r/min、2500r/min、2800r/min三個轉速展示鋸齒槳和基準槳的遠場噪聲頻譜，如圖8所示。在4000Hz以內，兩套槳的噪聲頻譜比較接近，低頻純音噪聲占據主導地位，噪聲峰值位于槳葉通過頻率及其高階諧波處。在4000～16000Hz區間，不同轉速的遠場噪聲差值比較明顯，尤其是在6000～10000Hz區間，有明顯的降噪效果。

圖9為兩套槳在轉速為2000r/min時、4000～14000Hz區間的遠場噪聲對比，可以看出，鋸齒槳在該頻率區間有降噪效果，最大降噪量超過5dB。

螺旋槳飛機起降階段的噪聲最大，適航規定是以遠場噪聲評價飛機噪聲水平的。從圖9可以看出，螺旋槳的噪聲峰值主要集中在低頻區域的通過頻率及其諧波處，這些純音噪聲應該重點關注。圖10為轉速為2800r/min時，基準槳和鋸齒槳在一階通過頻率（1BPF）和二階通過頻率（2BPF）處的遠場噪聲指向性結果。可以看出，兩套槳的遠場噪聲分布規律相似，鋸齒結構并未改變基準槳葉的指向性特征。但鋸齒槳的降噪效果不明顯，甚至大于基準槳的噪聲。

從圖8可以看到，兩套槳都在2BPF處噪聲最大。圖11展示了兩套槳在轉速為3000r/min時，2BPF處的遠場噪聲結果。顯然，相比于基準槳，鋸齒槳在40°～150°的指向角區間，沒有降噪效果，在部分指向角區間甚至增大了噪聲。

整體來看，在所測轉速范圍內，對轉螺旋槳的噪聲峰值主要產生在2BPF處，主要產生于兩排螺旋槳的氣流干涉，這也為降噪指出了方向。同時還可看到，鋸齒結構槳葉在6000～10000Hz高頻區域的寬頻噪聲降噪效果很明顯，最大達5dB。但是，在螺旋槳前兩階通過頻率處的離散噪聲降噪效果并不明顯，在部分指向角處甚至噪聲增大，這和鋸齒尾緣、鋸齒前緣的降噪機制不同有關。

尾緣鋸齒結構主要影響葉片尾緣附近的流動，對齒根上游的流動影響較小，尾緣鋸齒可能觸發旁路轉捩，減小或消除尾緣附近的分離區（分離泡），進而削弱和抑制邊界層引起的寬頻噪聲。但降噪效果如何還取決于鋸齒結構的幾何參數設計，不同的幾何參數達到的降噪效果也不同，甚至會增大噪聲，這也是本文所述鋸齒結構在前兩階通過頻率處部分指向角處降噪效果不明顯，甚至增大了噪聲。結合參考文獻[16]，噪聲增大的原因可能有兩個：一是尾緣鋸齒結構誘導產生了新的離散噪聲；二是尾緣鋸齒結構引起了鈍尾緣渦脫落噪聲。相對于鋸齒尾緣，鋸齒前緣的降噪機制是前緣的鋸齒結構可以打碎前排葉片的尾渦從而減弱尾渦對后排葉片的沖擊，進而降低噪聲。

因此，降低對轉螺旋槳噪聲，要從降低干涉噪聲著手，降低對轉螺旋槳的干涉噪聲，可以通過降低后排槳葉的壓力峰值來實現，具體措施可以是槳葉穿孔結構，也可以將后排槳葉適當后掠，延長前排尾渦的到達時間，使尾渦自然減弱。如果要采用鋸齒結構降噪，還需要進一步開展鋸齒結構幾何參數與降噪效果的影響關系研究，指出鋸齒結構的幾何參數優化方向。以上思路可以為對轉螺旋槳的降噪設計提供參考。

4 結論

本文通過半消聲室內的氣動噪聲試驗研究了仿生學鋸齒結構對對轉螺旋槳的降噪效果。通過研究，可以得出以下結論：

（1）鋸齒結構在6000～10000Hz高頻區域降噪最高可達5dB，但在對轉螺旋槳前兩階離散噪聲處降噪效果不明顯，甚至增大了噪聲。

（2）降低對轉螺旋槳噪聲可以通過降低后排槳葉的壓力峰值來實現。鋸齒結構降噪還需進一步開展鋸齒結構幾何參數與降噪效果的影響關系研究。

（3）本文所設計的鋸齒結構在同等拉力、扭矩和功率前提下，未引起明顯的氣動性能損失，即可以在保持氣動性能的同時，降低部分頻率段的噪聲。

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Experimental Study on the Noise Reduction Effect of Bionic Sawtooth Blades

Wei Kai1，2， Cao Qi1，2， Yan Qun1，2， Chen Yonghui1，2， Xue Dongwen1，2， Chen Weijie3

1. National Key Laboratory of Aviation Acoustics and Vibration Aviation Technology， Aircraft Strength Research Institute of China， Xi’an 710065， China

2. National Key Laboratory of Strength and Structure Integrity， Aircraft Strength Research Institute of China， Xi’an 710065， China

3. Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China

Abstract： Improving the aerodynamic performance and noise level of an engine with bionic structure is a hot research topic in green aviation， and it has important engineering application value for controlling the aerodynamic noise of counter-rotating propellers. In this paper， the aerodynamic noise reduction characteristics of the bionic sawtooth structure on the rotary propeller are investigated through the aerodynamic noise test under the ground acoustic environment， and the aerodynamic performances of the sawtooth blade and the reference propeller in terms of tension and torque， as well as the directivity of the far-field noise are tested. The test results show that the designed sawtooth structure does not cause the loss of the aerodynamic performance of the reference propeller， and the noise reduction design can be carried out while maintaining the aerodynamic performance. The sawtooth structure does not change the noise directivity characteristics of the reference blade in the frequency range of 4000～12000Hz， and the maximum noise reduction is more than 5dB； there is no obvious noise reduction effect in the first-order pass-by frequency and second-order pass-by frequency of the measured rotational speed conditions. This further indicates that the sawtooth structure has a noise reduction effect on the broadband noise， but not on the discrete noise in the low-frequency band.

Key Words： bionic type； sawtooth structure； counter-rotating propeller； aerodynamic noise； experimental test