某民用直升机舱内噪声水平仿真分析研究.pdf

书书书测控技术年 第卷 第期装 备 无 损 检 测 与 健 康 监 测 技 术 专 刊（二）收 稿 日 期：基 金 项 目：黑 龙 江 省 自 然 科 学 基 金（）引 用 格 式：尹 中 伟，王 刚，林 长 亮，等某 民 用 直 升 机 舱 内 噪 声 水 平 仿 真 分 析 研 究测 控 技 术，（）：，（）：某民用直升机舱内噪声水平仿真分析研究尹 中 伟，王刚，林 长 亮，陆洋（航 空 工 业 哈 尔 滨 飞 机 工 业 集 团 有 限 责 任 公 司，黑 龙 江 哈 尔 滨；南 京 航 空 航 天 大 学 直 升 机 旋 翼 动 力 学 国 家 级 重 点 实 验 室，江 苏 南 京）摘 要：声 学 仿 真 分 析 是 进 行 直 升 机 舱 内 降 噪 设 计 的 有 效 技 术 手 段，良 好 的 降 噪 设 计 有 利 于 提 升 民 用 直 升机 的 市 场 竞 争 力。结 合 试 验 数 据 和 统 计 能 量 法 分 析 了 某 民 用 直 升 机 的 舱 内 噪 声 源 贡 献 度，进 而 采 用 声学 边 界 元 法 分 析 了 该 型 机 的 舱 内 噪 声 水 平。研 究 表 明，该 型 机 舱 内 主 要 噪 声 源 为：主 减 振 动、发 动 机 振动、主 减 空 间 辐 射 声、发 动 机 空 间 辐 射 声 和 油 箱 舱 空 间 辐 射 声，在 无 内 饰 状 态 下 人 耳 敏 感 频 率 范 围 内 的舱 内 场 点 噪 声 为，蒙 皮、整 流 罩 和 挡 板 是 影 响 舱 内 噪 声 水 平 的 关 键 结 构，在 考 虑 内 饰 材 料 后，场点 噪 声 最 大 可 下 降。该 分 析 思 路 可 以 为 直 升 机 舱 内 降 噪 设 计 提 供 技 术 支 持。关 键 词：舱 内 噪 声 源；舱 内 噪 声 水 平；声 学 仿 真 分 析；民 用 直 升 机中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）：牞 牞 牞 牗 牞 牞 牞 牷 牞 牞 牞 牘牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牷 牷 牷 直 升 机 的 噪 声 水 平 要 远 高 于 喷 气 式 飞 机、汽 车 等交 通 工 具，目 前 国 内 直 升 机 的 舱 内 噪 声 水 平 普 遍 在（）或 更 高，过 高 的 噪 声 会 严 重 影 响 机 上人 员 舒 适 度。近 年 来，随 着 民 用 通 航 市 场 的 逐 渐 开 放，作 为构 型 或 公 务 机 构 型 的 民 用 直 升 机 对 舱 内 静 音水 平 的 要 求 也 越 来 越 高，针 对 舱 内 噪 声 的 规 章 条 款 也相 继 出 台，例 如 和中 都 对 直 升 机 的 舱 内 噪 声 水 平 做 了 明 确 限 定。降 噪 一 直 是 直 升 机 设 计 领 域 的 热 点 问 题，从 噪 声传 递 路 径 角 度 分 析，可 以 分 别 从 噪 声 源、传 递 途 径 和 目标 位 置个 方 面 开 展 降 噪 设 计。对 于 源 头 处 降 噪 来说，理 论 上 任 何 能 够 降 低 噪 声 源 振 动 水 平 的 措 施 都 有利 于 降 低 机 上 噪 声 水 平。有 研 究 表 明，直 升机 桨 叶 采 用 的 主 动 后 缘 襟 翼 控 制 技 术 可 使 噪 声 水 平 下降，优 化 减 速 器 和 发 动 机 结 构 形 式，也 有 利 于降 低 直 升 机 噪 声 水 平。等在 改 进 了 减 速 器传 动 齿 轮 形 式 后，声 功 率 和 随 之 降 低，直 升 机 在 换 装 发 动 机 后，噪 声 水 平 也得 到 了 有 效 降 低。传 递 途 径 上 的 减 振 降 噪 设 计 则包 含上 采 用 的 主 减 液 弹 隔 振 技 术、上 采 用 的 结 构 响 应 主 动 减 振 技 术 等，另 外 对 舱内 声 学 环 境 进 行 吸 声、隔 声 等 改 进 设 计 也 是 有 效 的 被动 降 噪 手 段。有 源 消 音 降 噪 和 主 动 结 构 声 振 控 制 则 是目 前 比 较 先 进 的 舱 内 主 动 降 噪 技 术，有 源 消 音 降 噪 利用 次 声 场 抵 消 源 声 场，该 技 术 可 降 低 某 型 机 舱 内 噪 声，而 主 动 结 构 声 振 控 制 则 是 通 过 控 制 振 动 达 到抑 制 噪 声 的 目 的。目 标 位 置 处 降 噪 手 段 则 包 括 为驾 乘 人 员 配 备 主 动 降 噪 耳 机、消 音 耳 塞 等。声 学 有 限 元 仿 真 分 析 是 进 行 直 升 机 降 噪 设 计 的 有效 手 段，可 以 在 型 号 设 计 之 初 预 估 出 机 舱 内 外 噪 声 水平，给 出 降 噪 设 计 建 议，评 估 降 噪 技 术 效 果，大 幅 减 少了 后 续 优 化 改 进 和 测 试 成 本。目 前，直 升 机 噪 声 的 仿真 分 析 主 要 集 中 在 旋 翼 和 尾 桨 噪 声 等 舱 外 噪 声 上。王普 缘应 用 有 限 元 方 法，分 析 得 出 在 中 速 前 飞 状 态下，旋 翼 噪 声 在 直 升 机 全 机 总 噪 声 中 的 占 比 超 过。仲 唯 贵 等则 是 采 用方 程 分 析 了 直 升机 尾 桨 与 涡 线 干 扰 噪 声，表 明 干 扰 状 态 下 尾 桨 噪 声 在中 频 段 有 所 增 加 且 具 有 一 定 指 向 性。解 福 田 等同样 应 用方 程 分 析 了 主 旋 翼 噪 声 的 指 向 性。对 于舱 内 噪 声 的 仿 真 分 析，等和 雷 烨 等应用 统 计 能 量 法 分 别 分 析 了和 某 型 直 升 机 的 舱内 噪 声 传 递 路 径，但 对 噪 声 源 判 定 和 简 化 加 载 介 绍 较少。本 文 以 某 在 研 民 用 直 升 机 为 研 究 对 象，较 为 详 细地 介 绍 了 直 升 机 舱 内 噪 声 仿 真 分 析 的 整 体 流 程，为 舱内 降 噪 设 计 提 供 了 技 术 支 持，同 时，本 文 的 分 析 思 路 可为 其 他 型 号 直 升 机 的 降 噪 提 供 借 鉴。噪 声 源 贡 献 度 分 析直 升 机 舱 内 噪 声 源 按 声 媒 介 质 的 特 征 来 分，主 要有 三 大 类：由 结 构 的 机 械 振 动 引 起 的 结 构 噪 声；机 身 壁 板 透 射 传 播 到 舱 内 的 旋 翼尾 桨 旋 转 产 生 的 气动 噪 声；由 发 动 机主 减 等 结 构 的 机 械 振 动 而 引 起的 封 闭 舱 室 内 空 气 振 动 发 声。研 究 表 明，对 于 直 升 机舱 内 噪 声 来 讲，旋 翼 和 尾 桨 旋 转 带 来 的 气 动 噪 声 主 要影 响 低 频 噪 声，如 图所 示，而 人 耳 对 低 频 噪 声 敏 感 度较 低，可 以 在 分 析 时 把 这 部 分 气 动 噪 声 忽 略 掉。图旋 翼尾 桨 带 来 的 气 动 噪 声 影 响 低 频 域通 常 来 讲，进 行 直 升 机 舱 内 噪 声 分 析 和 声 源 贡 献度 分 析 所 用 的 噪 声 源 输 入 载 荷 通 常 来 源 于 试 验 数 据，而 试 验 数 据 的 获 得 有种 方 式，即 试 验 室 试 验 和 飞 行实 测。试 验 室 试 验 获 得 的 噪 声 源 载 荷 通 常 基 于 传 递 路径 分 析 法（，），而 飞 行 实测 获 得 的 噪 声 源 载 荷，通 常 基 于 工 况 传 递 路 径 分 析 法（，），是 传 统法 的 优 化 改 进。但法 仍 然 完 全 基 于 真 实 试验，无 法 适 用 于 处 于 设 计 阶 段 或 不 具 备 进 行 实 测 条 件下 的 舱 内 噪 声 分 析。为 解 决 该 问 题，可 以 采 用 统 计 能量 法（，）分 析 噪 声 源载 荷，将 试 验 测 得 的 振 动 或 声 场 信 息 作 为 输 入，从 能 量的 角 度 定 性 分 析 影 响 舱 内 噪 声 响 应 的 主 要 能 量 传 递 途径 和 贡 献 度。下 面 应 用 统 计 能 量 法 建 立 了 统 计 能 量 分 析 模 型，如 图所 示。选 取 单 位 噪 声 源 强 度 分 析 了 声 源 贡 献度，结 构 噪 声 源 设 置 成 的 单 位 振 动 加 速 度，空气 噪 声 源 设 置 成 的 单 位 声 强。图噪 声 源 贡 献 量 分 析 模 型某 民 用 直 升 机 舱 内 噪 声 水 平 仿 真 分 析 研 究 分 析 得 到 的 结 构 噪 声 源 贡 献 量 和 空 气 噪 声 源 贡 献量 分 别 如 图和所 示，可 以 看 出，主 减 振 动 和 发 动 机振 动 是 主 要 的 结 构 噪 声 源，主 减发 动 机 舱 内 声 场 和 油箱 舱 内 声 场 是 主 要 的 空 气 噪 声 源，贡 献 量 都 达 到 了以 上。图结 构 噪 声 源 贡 献 量图空 气 噪 声 源 贡 献 量噪 声 源 简 化 与 加 载通 过 上 述 分 析，确 定 了 结 构 噪 声 源 分 为 主 减 振 动和 发 动 机 振 动。将 这 些 结 构 噪 声 源 简 化 成 不 同 频 率 下的 等 幅（加 速 度）周 期 性 正 弦 激 励，即 ()（）式 中：为 振 幅，即 振 动 加 速 度；为 振 动 频 率。主 减 撑 杆 振 动 和 发 动 机 支 座 的 振 动 信 息 由 飞 行 实测 得 到，结 果 如 表所 示。表实 测 得 到 的 结 构 噪 声 源 振 动 信 息部 位振 动 加 速 度 频 率 发 动 机 支 座主 减 撑 杆为 使 主 减 的 振 动 信 息 考 虑 得 更 全 面，主 减 抗 扭 板的 振 动 情 况 由 动 力 学 频 响 分 析 得 到，全 机 动 力 学 有 限元 模 型 如 图所 示。首 先，进 行 全 机 振 型 振 频 分 析，找到 抗 扭 板 的 局 部 振 型，以 此 来 确 定 施 加 正 弦 激 励 时 的频 率 值 为；然 后，在 模 型 桨 毂 中 心 施 加 平 飞 时 的 振 动 载 荷，进 行 自 由 状 态 的 频 率 响 应 分 析；最 后，得 到 抗 扭 板 在 频 率 时 的 最 大 振 动 加 速 度值 为。图全 机 动 力 学 有 限 元 模 型在 进 行 舱 内 噪 声 分 析 之 前，还 需 要 计 算 出 所 加 结构 噪 声 源 引 起 的 模 型 整 体 网 格 振 动 响 应 数 据（速 度），以 此 来 作 为 结 构 噪 声 源 引 起 舱 内 声 学 响 应 的 直 接 载 荷输 入，分 析 得 到 的 某 时 刻 下 的 振 动 速 度 云 图 如 图所 示。图结 构 响 应 云 图（速 度）通 过 之 前 分 析，确 定 了 空 气 噪 声 源 分 为 主 减 空 间辐 射 声、发 动 机 空 间 辐 射 声 和 油 箱 舱 空 间 辐 射 声。由于 不 具 备 进 行 空 气 噪 声 场 飞 行 实 测 的 条 件，且 没 有 可借 鉴 的 其 他 机 型 测 试 结 果，在 分 析 中，将 主 减 空 间 辐 射声、发 动 机 空 间 辐 射 声、油 箱 舱 空 间 辐 射 声个 空 气 噪声 源 进 行 当 量 化 处 理，简 化 成 空 间 平 板 辐 射 声 源，声 源强 度 为 。舱 内 声 学 响 应 分 析参 照 文 献 ，在 分 析 结 果 不 被 明 显 影 响 的 前 提下，基 于 图所 示 的 全 机 动 力 学 有 限 元 模 型，采 用 基 于透 射 定 律 的 质 量 定 律，对 直 升 机 的 玻 璃、驾 驶 舱