基于Clean-SC 的航空发动机整机喷流噪声定位识别研究

杜 军，刘元是，文 璧，刘 斌

(中国航发四川燃气涡轮研究院，四川 绵阳 621000)

1 引言

航空发动机喷流经过喷管高速排放冲击外界空气并急剧混合，形成非定常湍流运动而引起的喷流噪声，是航空发动机最主要的噪声源之一。对于小涵道比的军用发动机，喷流噪声更是最主要的噪声源[1]。对于民用航空发动机来说，在飞机起飞和降落过程中，喷流噪声是影响飞机适航性和舱内舒适性的关键因素；而对于军用航空发动机来说，喷流噪声直接影响相关工作人员健康、发动机隐身特性及发动机薄壁结构件的完整性。因此，喷流噪声不仅是航空发动机固有的目标特征，而且也是社会普遍关注的公害之一，对航空发动机的喷流噪声进行研究，在军用和民用方面均有着重要的现实意义。

国外从喷气式航空发动机问世就开始关注喷流噪声带来的相关影响，并为此开展了诸多关于航空发动机整机喷流噪声理论、测试及降噪方面的研究[2-6]。如美国空军为了研究其先进战机F-22 的喷流噪声特性，开展了应用传声器阵列结合多种声成像方法的喷流噪声源定位识别研究[7]；波音公司联合GE 公司，通过应用多种传声器阵列结合的方式对全尺寸航空发动机喷流噪声进行了相关测试研究，全面阐述和展示了传声器阵列技术在喷流噪声测试研究中的应用[8]。国内北京航空航天大学郑克扬[9]与庄家煜[10]等开展了关于喷流噪声控制方面的实验研究，获得了喷流噪声的机理及不同喷管下的噪声特性结果；南京航空航天大学单勇等[11]对比研究了不同结构的冠状锯齿对喷流噪声的抑制特性，验证了锯齿冠状结构对分开排气式大涵道比涡扇发动机喷流噪声有明显抑制作用。但国内在喷流噪声研究方面主要还是集中在理论及实验室方面，相比国外，在喷流噪声测试技术方面还存在欠缺。

本文从喷流噪声测试方面，针对航空发动机整机喷流噪声源的定位识别问题，研究了基于Clean-SC结合线形传声器阵列的声源定位识别方法，并以某型小涵道比涡扇发动机为对象，通过测试分析获得了发动机喷流噪声的主要声源特性。

2 Clean-SC 声源定位识别算法

Clean-SC 是航空声学中最常用的基于反卷积的声源定位识别技术，其不仅可以有效地移除声源成像中旁瓣和主瓣间相干的斑点(假声)，而且还可以提高声成像的分辨率。关于Clean-SC 的算法过程，这里只做简要介绍，具体可以参考文献[12]。Clean-SC 算法过程主要分为3 步：第1 步，通过经典的Beamforing 算法[7]得到初步的声源成像结果，称为“脏图”；第2 步，搜寻找出“脏图”中的峰值，从“脏图”中移除掉由此峰值产生的波束旁瓣，更新“脏图”；第3 步，经过反复迭代I步后，最后得到干净的声源成像图：

式中：j表示成像扫描点数，Q称为洁净波束，P为经过迭代后剩余的“脏图”。

3 喷流噪声测试

3.1 实测试方案

为了准确获得航空发动机整机喷流噪声的主要声源位置，测试环境应该为自由声场(只有直达声，没有反射声)，一般是大型消声室或户外露天试车台。同时，测试时测试现场周围应没有高声压级声源的影响，测试点环境噪声的1/3 倍频程声压级需要明显低于发动机噪声的1/3 倍频程声压级。本文借助于某型小涵道比涡扇发动机户外露天静态地面试验，进行了喷流噪声源定位识别测试。

传声器阵列测试技术是进行声源定位识别的重要方法，为了定位识别喷流噪声在喷流方向的声源特性，本次采用近场线形传声器阵列对喷流噪声进行声源定位识别研究。其中近场线形传声器阵列由32 个驻极体预极化电容式麦克风组成，麦克风的动态范围不低于160 dB。阵列与发动机轴线平行，沿着发动机喷流方向等间隔分布，从距离发动机轴线d=9 m、测点位置90°处沿着发动机喷流方向等间隔0.6 m 分布32 个测点，如图1 所示。数据采集选择带宽不低于20 kHz 的高速动态采集系统。测试前，高速动态采集系统及传声器均经过校准检定以保证测试数据可靠。

图1 喷流噪声测试线形传声器阵列布局示意图Fig.1 Layout of linear microphone array for jet noise test

本次，进行了高压转子换算转速n2r=82%，84%，87%，89%，92%下的喷流噪声源定位识别测试。

3.2 声源定位测试结果分析

3.2.1 声源一维定位结果

图2 为采用Clean-SC 声源定位识别技术获得的各状态下喷流噪声源一维定位结果。其中，横坐标代表发动机轴线方向(轴方向)；纵坐标代表频率信息，单位为Hz；色卡颜色表示幅值大小，单位为dB；位置(10，0)为尾喷管中心点。从图中可以看出：主要声源区域集中在(10，0)至(4，0)的区域，也就是尾喷管出口至轴线方向6 m 处；主要为1 000 Hz 以下的低频声源；随发动机状态的增加，离尾喷管远处的高频成分幅值明显增加，而主要低频成分在尾喷管出口表现得越来越明显。

图2 不同高压转子换算转速状态下声源一维定位Fig.2 Sound source 1D location under different n2r

3.2.2 声源二维定位结果

图3 为采用Clean-SC 声源定位识别技术获得的各状态下喷流噪声源平面定位结果。其中，横坐标、纵坐标分别代表发动机轴线方向(x轴方向)及垂直于轴线且平行于地面的方向(y轴方向)；色卡颜色表示幅值大小，单位为dB；位置(-10，0)为尾喷管中心点。从图上可以看出：各状态下，喷流噪声源的主要声源区域具有相似性，主要声源区域分布在沿发动机喷流轴线方向及与发动机轴线呈一定角度的方向，且该角度不随发动机状态的变化而变化，为该发动机的固有属性。从发动机喷流噪声的主要产生源分析，这种特性与发动机的喷管结构特性直接相关。随着发动机状态的增加，喷流轴线方向上声源特性越来越明显，且传播距离越来越远。

图3 不同高压转子换算转速状态下声源平面定位Fig.3 Sound source planar location under different n2r

4 结论

应用Clean-SC 声源定位方法，对某型小涵道比涡扇发动机喷流噪声进行了测试研究，得出以下几点结论：

(1) 发动机喷流噪声在声源一维定位结果上显示，主要声源区域集中在尾喷管出口至轴线方向6 m 处，主要为1 000 Hz 以下的低频声源。

(2) 发动机喷流噪声在声源平面定位结果上显示，喷流噪声的主要声源特性不随发动机状态的变化而变化，为发动机的固有属性，与喷管结构特性相关；主要声源区域分布在沿着发动机的喷流轴线方向及与发动机轴线呈一定角度的方向。

(3) 基于Clean-SC 的声源识别算法，结合线形传声器阵列的测试方法，能有效捕获喷流噪声的声源特性，可以为今后航空发动机喷流噪声工程测试提供方法指导。