直升机舱内噪声特性分析

殷 鹏，黄斌根，刘忠超

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

以往设计直升机时，主要关注的是动力、结构、气动等方面的问题，而噪声总被认为是一个次要问题。随着直升机在民用和军用领域的应用越来越广，直升机的噪声问题也开始得到了重视。在军用方面，可以利用直升机的噪声特性信息进行探测、定位、识别来反制敌方直升机，而降低己方直升机的噪声则可以减小被探测的概率；在民用方面，降低直升机的噪声则可增加乘员乘坐时的舒适性。进行声源定位和噪声控制之前，首先需要了解的就是直升机的噪声特性。

直升机噪声主要来自三大动部件，即旋翼系统、发动机和传动系统。旋翼系统旋转产生周期变化的气动噪声；发动机噪声主要来自进气部分的压气机噪声和排气部分的排气噪声；传动系统噪声主要为各级齿轮啮合和旋转部件旋转等产生的噪声[1]。

本文以某型直升机为研究对象，测量了多个飞行状态下的噪声，进行了噪声源分析与倍频程声压级分析，了解了直升机的主要噪声源与噪声能量分布情况。分析结果为该型直升机的噪声控制提供了有效的依据。

1 噪声测量试验概述

在直升机机体上共21个位置布置了传声器，位置示意图见图1、图2。其中舱内传声器使用B&K 4189普通传声器，量程为±140Pa；舱外传声器使用CHZ401高声强传声器，量程为±2500Pa；数据采集设备使用B&K 3053采集卡，采样率为65536Hz。

本次测量试验一共记录了6个飞行状态下的噪声数据，飞行状态详见表1。

图1 传声器测点布置示意图(舱外)

图2 传声器测点布置示意图(舱内)

飞行状态速度高度地效悬停-5m无地效悬停-20m爬升-20m～500m平飞160km/h500m平飞180km/h500m平飞200km/h500m

2 A计权网络

评估噪声特性往往需要考虑人耳对噪声的感受。在实际测量中，一般采用A计权网络先对噪声信号进行加权。A计权网络是按IEC规定选取接近人耳对声音频率的等响曲线设计的，加权后得到的信号在低频和高频都有一定程度的减益。这样处理后得到的声压级就能代表人耳对噪声的感受[2]。A计权计算公式在标准IEC61672中给出

(1)

其中，A1000=2.000dB，f1=20.6Hz，f2=107.7Hz，f3=737.9Hz，f4=12194Hz。

3 噪声源分析

对于噪声而言，频谱中的低幅值的宽带噪声一般来源于部件的随机运动以及飞行时的风噪，而频谱中的线谱一般是运动部件周期运动产生的，例如传动系统中齿轮的啮合，旋翼和尾桨旋转等等。

图3给出了160km/h平飞状态下乘员舱内的噪声频谱图，可以看到，噪声能量主要集中在中低频段。其他飞行状态能量分布主要也是集中在中低频段。

使用A计权网络滤波处理后，由于人耳对低、高频噪声的不敏感，噪音能量分布变成主要集中在中频段，如图4所示。其中最大的峰值位于467Hz处。参照该型机的各动部件的特征频率，表2中给出了各主要频率噪声的声压级大小与对应的噪声来源。

图4 160km/h平飞状态A计权乘员舱噪声频谱

频率/(Hz)声压级/(dBA)噪声来源46795.6发动机自由涡轮转速126894.3主减速器第二对齿轮啮合频率157488.2中减速器啮合频率63082.3尾减速器啮合频率139679.4发动机自由涡轮转速频率三阶8078.9旋翼四阶通过频率及尾桨一阶通过频率330976.3主减速器第一对齿轮啮合频率2062.1旋翼一阶通过频率4061.8旋翼二阶通过频率

4 倍频程声压级分析

在噪声处理中，为了比较直观地了解噪声能量在频域上的分布，比较常用的方法就是对噪声做倍频程或1/3倍频程声压级分析。本文采用倍频程声压级进行分析。

研究噪声的总体特性，表3、表4给出了在各个飞行状态下测得的驾驶舱和乘员舱内平均噪声的A计权倍频程声压级。表5给出GJBz 20355《直升机噪声限制》中直升机舱内噪声的限值。原标准中给出的是无计权的限值，本文中已转换为A计权的限值。根据各表中的数据及第三节分析可以得出如下结论：

1)直升机的噪声能量主要集中在低、中频段，但由于人耳对低频噪声不敏感，所以A计权后噪声能量主要集中在中心频率为250～8000Hz的频段。各飞行状态下，驾驶舱内噪声基本达到GJBz 20355的要求，而乘员舱在500～4000Hz均超出标准，该频段噪声来自发动机和传动系统。

2)在各飞行状态下，乘员舱内的总声压级明显大于驾驶舱内的总声压级。在中心频率为500～4000Hz的频段内，乘员舱比驾驶舱高出十几甚至二十分贝。这是由于乘员舱位于主减速器和发动机下方。

3)驾驶舱在中心频率为31.5Hz的频段声压级随着速度的上升明显增加，而且乘员舱该频段的噪声普遍小于驾驶舱。分析原因是在中心频率为31.5Hz的低频段内，主要噪声源自旋翼的载荷噪声，可用偶极子声源来描述[3]，一般位于桨叶中前部。乘员舱位于桨叶根部，而驾驶舱更接近桨叶中前部，所以驾驶舱在该频段的噪声更大。随着前飞速度的增大，旋翼受到的气动激振力也变大，产生的载荷噪声也随之增大，所以驾驶舱内该频段噪声随着速度的增大而增大。

4)中心频率为500～4000Hz的频段内，驾驶舱和乘员舱内噪声值和飞行状态无明显相关性。分析原因为该频段噪声主要是发动机和传动系统内的旋转部件与齿轮啮合产生的，而直升机的发动机和传动系统转速在飞行过程中一般保持不变或波动很小，所以飞行状态与噪声水平无明显相关。

表3 驾驶舱内噪声倍频程声压级(单位:dBA)

表4 乘员舱内噪声倍频程声压级(单位:dBA)

研究舱内噪声的空间分布特性，图5给出了160km/h平飞状态下的乘员舱各处的倍频程声压级。可以看到，噪声的空间分布比较均匀，没有出现特别大的差异。中后段噪声略大于前段，这是由于中后段靠传动系统更近的缘故。中心频率为63Hz的频程段内前段和中后段差异较大，这个频段内主要是尾桨噪声和旋翼的四阶谐波。其他飞行状态下规律相同。

表5 GJBz 20355舱内噪声限值

图5 乘员舱各点的倍频程声压级

图6给出了160km/h平飞状态下舱内外噪声倍频程声压级的对比。可以看到，蒙皮及内饰对隔绝噪声起了很大的作用，舱内各频段的噪声相比舱外普遍降低十几分贝。同时注意到，中心频率为63Hz的频程段内，舱内外声压级差值最小，在其他飞行状态、其他位置也有相同规律，这说明蒙皮和内饰对这个频段内的透射损失最低。

图6 舱内外倍频程声压级对比

5 结论

综合以上研究分析，归纳出该型直升机的舱内噪声特性为：

1)舱内噪声能量集中在中心频率为250～8000Hz的频段，其中发动机和传动系统对噪声的影响最大，乘员舱比驾驶舱噪声水平更高；

2)由于人耳对低频噪声不敏感，旋翼产生的气动噪声影响并不是很大，飞行速度越高，旋翼噪声越大，发动机和传动系统产生的噪声与飞行状态无明显关系；

3)蒙皮和内饰起到了很好的隔声作用，在中心频率为63Hz的频段透射损失最低。

根据该型直升机的噪声特性，可以为该型直升机的降噪设计提供一些思路：

1)该型直升机舱内噪声能量主要来自发动机和传动系统，考虑进行某些设计上的优化改进，以及提出发动机系统和传动系统噪声设计指标的可行性，从声源处减小噪声；

2)乘员舱内噪声能量在中心频率为500～4000Hz的频段非常大，且蒙皮和内饰在中心频率为63Hz的频段透射损失最低，可以采用能隔离这些频段噪声的材料，或者针对该频段设计吸声减噪的结构，增大透射损失[4]；

3)可以根据驾驶舱和乘员舱噪声能量的分布规律，设计对应舱室工作的机组使用的头盔或耳机，从人耳处减小对噪声的接收。