劉正江，黃建萍，陳 煥，汪文濤

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 直升機(jī)旋翼動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

旋翼/噪聲試驗(yàn)是理論計(jì)算正確性驗(yàn)證中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，其試驗(yàn)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(yàn)；一類是風(fēng)洞中的前飛噪聲試驗(yàn)；另一類是戶外飛行噪聲試驗(yàn)[1-2]。

美國在20世紀(jì)80年代初制定了“國家旋翼噪聲研究計(jì)劃”(National Rotorcraft Noise Research Program)，計(jì)劃期間在風(fēng)洞中進(jìn)行了各種旋翼模型的試驗(yàn)，取得了大量的槳葉表面壓力數(shù)據(jù)和近場、遠(yuǎn)場聲學(xué)數(shù)據(jù)，對槳渦干擾噪聲和脈沖噪聲進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究，并最終建立了一套豐富的噪聲數(shù)據(jù)庫。法國國家航空航天研究院(ONER-A)在低速風(fēng)洞中對4片槳葉的旋翼模型進(jìn)行了BVI噪聲試驗(yàn)，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(jì)算出噪聲[3-4]。

國內(nèi)對直升機(jī)旋翼/尾槳噪聲的研究工作起步較晚。2010年，南航消聲室進(jìn)行了尾槳噪聲特性試驗(yàn)及槳渦干擾聲源定位試驗(yàn)，利用傳聲器獲取特征位置的噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了不同試驗(yàn)狀態(tài)下尾槳聲場的分布特性[5-7]。

本文在其基礎(chǔ)上，改進(jìn)了渦發(fā)生器設(shè)計(jì)，針對重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，布置了更密集的傳聲器來同時(shí)獲取噪聲數(shù)據(jù)、振動數(shù)據(jù)和方位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)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(jìn)行了研究。

1 渦發(fā)生器設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目使用的渦發(fā)生器在原有渦發(fā)生器的基礎(chǔ)上改進(jìn)了設(shè)計(jì)，采用全新的三角翼設(shè)計(jì)，能夠生成仿真度更高的槳渦。系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)速度控制外，增加了三軸姿態(tài)控制，可以產(chǎn)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(shù)研究。

圖1 渦發(fā)生器圖

渦發(fā)生器收縮段采用圓形截面，入口直徑設(shè)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(jì)算得到[8]。

(1)

圖2 收縮曲線

圖3是收縮段的FLUENT 仿真結(jié)果，圖中可見風(fēng)速經(jīng)收縮段出來后提高了3-4倍。

圖3 收縮段仿真結(jié)果(單位：m/s)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(shè)有相應(yīng)的進(jìn)排氣通道。可有效避免氣流噪聲、剪切層和多普勒效應(yīng)對傳聲器的干擾，預(yù)期的試驗(yàn)結(jié)果具有更高的準(zhǔn)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(shù)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(shù)：2片；

正裝旋轉(zhuǎn)方向：俯視順時(shí)針；

槳葉弦長：b=60mm；

槳葉扭轉(zhuǎn)角： 0°。

圖4 消聲室

2.3 試驗(yàn)各參試系統(tǒng)布置

試驗(yàn)臺、聲陣列、傳聲器支架以及渦發(fā)生器布置方式及位置關(guān)系見圖5。

各系統(tǒng)之間大致的位置關(guān)系如下：

試驗(yàn)臺位于進(jìn)風(fēng)口一側(cè)，旋翼軸和地面平行，旋翼平面和地面垂直；

渦發(fā)生器位于旋翼軸一側(cè)，垂直旋翼平面；

傳聲器位于渦發(fā)生器一側(cè)，呈扇形分布。

圖5 試驗(yàn)各參試系統(tǒng)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(biāo)稱靈敏度為50mV/Pa，頻率范圍7～1000Hz，動態(tài)范圍到137dB。傳聲器測量點(diǎn)布置如表1所示。試驗(yàn)時(shí)，傳聲器未加防風(fēng)罩，因?yàn)樵囼?yàn)總矩不大，同時(shí)防風(fēng)罩對聲壓級有一定的衰減。傳聲器主要布置在渦發(fā)生器一側(cè)，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(zhuǎn)速傳感器布置

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

圖6 振動和轉(zhuǎn)速傳感器布置圖

2.6 試驗(yàn)狀態(tài)選擇

雖然槳葉設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速超過2000rpm，但考慮到電機(jī)功率只有40kw，同時(shí)為確保試驗(yàn)安全，試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)臺1階和2階振動限制在0.25g以內(nèi)，最終完成的試驗(yàn)狀態(tài)如表2所示。

表2 試驗(yàn)狀態(tài)表

3 槳渦干擾噪聲特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

本項(xiàng)試驗(yàn)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(zhuǎn)速相關(guān)的諧頻噪聲，DNW對旋翼槳渦干擾噪聲數(shù)據(jù)分析采用的是64個(gè)數(shù)據(jù)段的時(shí)間歷程平均后再進(jìn)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(shù)據(jù)平均方法進(jìn)行時(shí)域數(shù)據(jù)處理，而每一圈的起點(diǎn)為轉(zhuǎn)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(yàn)狀態(tài)下78°方位處的傳聲器1圈原始數(shù)據(jù)和100圈平均成1圈的數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，繪制成圖7。

從圖中對比分析可以得到，相比1圈原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過100圈平均成1圈的數(shù)據(jù)，消除了大部分的和轉(zhuǎn)速無關(guān)的高頻干擾信號，同時(shí)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)(試驗(yàn)狀態(tài)同3.1節(jié))100圈平均成1圈的數(shù)據(jù)進(jìn)行階次分析，分析結(jié)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(biāo)出三個(gè)聲壓幅值最大的點(diǎn)，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(jié)中的同一試驗(yàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并依據(jù)3.2節(jié)的結(jié)果，取第22階的數(shù)據(jù)，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(yàn)狀態(tài)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(zhuǎn)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(yàn)狀態(tài)，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(shù)據(jù)，按3.1節(jié)和3.2節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法得到相同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速槳渦干擾聲場分布特性分析

取2片槳葉試驗(yàn)狀態(tài)，出渦速度16 m/s，轉(zhuǎn)速分別為1140rpm、1260 rpm 、1320rpm、1380rpm、1440rpm和1860rpm的噪聲數(shù)據(jù)，按3.1節(jié)和3.2節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法得到相同渦速不同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guī)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(zhuǎn)速增加而增加，聲壓最大方位隨轉(zhuǎn)速增加大致是從45°方位逐漸向90°方位變化。

4 結(jié)論

本文通過渦發(fā)生器產(chǎn)生模擬槳尖渦，獲取不同試驗(yàn)狀態(tài)下的旋翼槳渦干擾噪聲數(shù)據(jù)，利用整周期截取方法對100圈數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到各諧頻下的噪聲數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行了諧頻特性和聲場分布特性的分析，可以得到以下結(jié)論：

1)利用轉(zhuǎn)速零方位脈沖對槳渦干擾噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行整周期截取后再進(jìn)行平均，不僅能夠有效消除干擾噪聲，同時(shí)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(yīng)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(yàn)分析表明，所選階諧頻下，轉(zhuǎn)速對聲壓場分布特性的影響規(guī)律不明顯，具體原因有待進(jìn)一步研究。