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看工程师如何测量 飞机外表面噪声

2018-11-16 14:01 来源:大飞机报

陈栋摄

 

  噪声,是大型商用飞机研制阶段必须重视的空气动力学问题之一。严重的噪声可能使乘客与飞行员产生疲劳、心跳加快、血压升高等不舒适,也会使飞机内部的设备仪器因舱内噪声与振动产生失稳和灵敏度减弱等现象。随着商用飞机舒适性的不断提高,噪声也越来越受到业界重视,这其中,了解噪声来源、收集噪声数据是飞机降噪研究的基础。

  为了让人们搭乘的飞机更加安静舒适,中国商飞的工程师团队前段时间进行了试飞,收集飞机外表面噪声数据。想知道他们为了这次试飞,对飞机进行了什么样的测试与改装吗?本期《大飞机报》帮你来答疑解惑。

  1 什么是飞机外表面噪声?

  噪声是一个大家都很熟悉的名词,但要搞清楚噪声是什么却是一件困难的事情。要知道,噪声在不同的领域有着完全不同的解释。物理课本上说,噪声是发声体做无规则振动发出的声音;从生理学上来看,凡是妨碍人们正常休息、学习和工作的声音都是噪声;在通信领域,干扰信号传输的能量场称为噪声。看来对于噪声是什么这个问题,只能具体情况具体分析了。

  现在,如果把研究对象设定到飞机在气流中做高速运动,飞机表面会出现湍流边界层,湍流边界层内部会产生高频的压力脉动,进而形成了辐射场噪声,也就是所谓的飞机外表面噪声。

  2 为什么要测试飞机外表面噪声?

  外表面噪声测试并不是一个新鲜的话题。对于军用飞机,飞行包线更大,特别是在高速飞行时,产生巨大的气动噪声,长时间运行会导致机体结构声疲劳,破坏飞机结构。对于商用飞机,声疲劳可能并不是一个突出的问题,研究重点在于通过测量飞机外表面噪声,为舱内噪声评估模型提供数据和输入,为结构减振降噪设计提供依据,提高旅客乘坐的舒适性。

  3 如何测量外表面噪声呢?

  为了测量机体外表面真实工况下的噪声数据,工程师们需要定制一款具有如下特性的噪声传感器。

  首先,传声器体积要足够小,厚度要尽可能薄,尽量减小因传声器对原机体表面气流分布的影响,进而测得真实工况下机体表面的脉动声压。

  其次,传声器需要有良好的频响特性和足够大的动态范围。随着商用飞机的巡航速度不断增大,脉动声压随速度迅速增大,脉动声压既包含了机体振动低频信号,也包含了气动压力的高频脉动压力噪声,因此传感器要有足够宽的频响范围。

  最后,传感器能够适应各种极端气象条件。飞行过程中可能会遇到雨水或者结冰气象,高空和地面温度相差较大,要保证在这些条件下传感器能够稳定正常工作。

  4 如何在外表面安装噪声传感器?

  外表面噪声传感器的安装方式要满足两个要求。

  第一是安装方式不会对飞机气动特性造成影响,确保噪声数据的有效性。

  第二是传感器在飞行过程中不会脱落,这里要特别注意对于尾吊式发动机的飞机,传感器脱落后吸入发动机的风险较大,因此对安装方式可靠性提出更高要求。

  要满足这些要求并不是一件容易的事情,在经过反复尝试摸索和创新之后,测试团队形成了一套行之有效的传感器安装方法,不仅对飞机气动特性没有影响,也是非常安全可靠的。

  5 如何在外表面敷设线缆?

  虽然传感器完成了安装,但外表面噪声测试并没有大功告成,因为还有大量的线缆敷设。ARJ21-700飞机外表面噪声测试在机身外表面敷设的线缆长度将近100米,线缆敷设的工作量和难度丝毫不亚于传感器。

  首先,传感器测试线缆是非常纤细脆弱的,敷设时需要小心翼翼,避免无意间扯断或者磨线缆;其次,线缆路径规划要合理,需要根据传感器布局确定线缆汇合点位置和走线路径,毕竟是在飞机外表面敷设,走线路径的美观也是一个重要考虑的因素;最后,线缆在外表面需要用胶带进行保护和固定,防止出现翘起和脱粘,为此测试工程师还制定了外表面测试线缆敷设标准和规范。

  6 如何处理噪声试飞数据?

  试飞测试改装的目的是为了获取精准的试飞数据。在测量方法、安装工艺等环节做到精益求精,获取精准的试飞数据自然是水到渠成。但是对于噪声测试而言,数据处理的工作也是异常繁重。针对不同的数据用途和分析手段,噪声数据处理方式也是种类繁多,可以开发数据处理软件,得到声压级、功率谱,分析不同工况下声压分布情况,还可以将噪声数据导入CFD软件进行计算。

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