噪聲技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

陳亞農(nóng)，蔡顯新，吳玉萍，吳桂嬌

（1.中國航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412002）

噪聲技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

陳亞農(nóng)1,2，蔡顯新1,2，吳玉萍1,2，吳桂嬌1,2

（1.中國航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412002）

以某民用燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置為對(duì)象，研究噪聲技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分析中的應(yīng)用。采用課題組自行開發(fā)的頻譜分析軟件，對(duì)噪聲測(cè)試系統(tǒng)獲得的包含振動(dòng)量信息的WAV文件數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得3維頻譜圖。對(duì)這些頻譜圖進(jìn)行詳細(xì)分析，可找出可能存在的激振頻率及零件共振頻率。將噪聲測(cè)試獲得的振動(dòng)信息與傳統(tǒng)的安裝在機(jī)匣上的振動(dòng)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明噪聲測(cè)試方法可獲得更多有用信息。

振動(dòng)與波；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；噪聲測(cè)試；頻譜分析；

航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源復(fù)雜，包括風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪和燃燒室噪聲、噴氣噪聲以及各種振動(dòng)噪聲，有關(guān)航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲技術(shù)的研究受到人們的重視。文獻(xiàn)[1]提出了一種以降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和耗油率為目標(biāo)的優(yōu)化方法，這種方法集成了近似分析工具，適用于發(fā)動(dòng)機(jī)初步設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2]研究了航空回?zé)崛細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的低噪聲環(huán)境問題。文獻(xiàn)[3]采用數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒室—渦輪—噴管系統(tǒng)的噪聲產(chǎn)生和傳播機(jī)理進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室噪聲產(chǎn)生機(jī)理及其主要影響因素，文獻(xiàn)[5]對(duì)常規(guī)試車臺(tái)上航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及其測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了研究，認(rèn)為噪聲與振動(dòng)、壓力脈動(dòng)信號(hào)同步測(cè)量并作相干分析是識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)聲源特征的有效方法，驗(yàn)證了噴氣噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)試噪聲的最主要貢獻(xiàn)，具有低頻帶特性。文獻(xiàn)[6]通過對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)噪聲的分析得出了試車臺(tái)噪聲主要呈現(xiàn)中高頻頻譜特性并且是連續(xù)寬頻帶的空氣動(dòng)力性噪聲的結(jié)論。文獻(xiàn)[7]利用相似轉(zhuǎn)換法則研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)在地面試驗(yàn)狀態(tài)與空中巡航對(duì)應(yīng)狀態(tài)下噪聲輻射聲場(chǎng)變化規(guī)律。文獻(xiàn)[8]對(duì)某壓氣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了氣動(dòng)、振動(dòng)、噪聲等物理參數(shù)的特征分析，認(rèn)為該型壓氣機(jī)工作中可能存在聲共振現(xiàn)象。文獻(xiàn)[9]研究了基于傳聲器陣列的航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別技術(shù)。文獻(xiàn)[10]建立了民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室噪聲預(yù)測(cè)模型，利用該模型預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的聲壓級(jí)、總聲壓級(jí)、A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和感覺噪聲級(jí)等參數(shù)。

利用噪聲信息對(duì)渦軸、輔助動(dòng)力裝置（APU）等小型發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)問題研究得較少。渦軸、輔助動(dòng)力裝置等發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲主要來自于壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪。在試車時(shí)雖然在機(jī)匣上安裝了振動(dòng)傳感器，但根據(jù)振動(dòng)信號(hào)難以獲取氣流激振等相關(guān)信息。本文針對(duì)某民用燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置，采用課題組自行開發(fā)的頻譜分析軟件，對(duì)測(cè)量的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行3維頻譜分析，獲得了一些有用的結(jié)果。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲信號(hào)采集

本文研究對(duì)象為配備某民用客機(jī)的燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置，圖1為其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。如圖所示，空氣從進(jìn)氣段流向離心葉輪，壓縮后進(jìn)入燃燒室，然后從向心渦輪通過由排氣段排出。離心葉輪有12個(gè)大葉片和12個(gè)小葉片，向心葉輪有14個(gè)葉片，進(jìn)氣端撐桿有7個(gè)，在離心葉輪機(jī)匣上有21個(gè)尺寸較小的開孔。這些結(jié)構(gòu)參數(shù)或多或少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲有影響。

圖1 某燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置

在進(jìn)行噪聲信號(hào)采集時(shí)將傳聲器置于進(jìn)氣口處，為了防止信號(hào)超限，傳聲器包上隔音材料。傳聲器聲壓級(jí)為140 dB。為了獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻信息，采集頻率設(shè)置較高為65 536 Hz。

采集后的信息是以WAV文件格式保存的。WAV文件是微軟公司開發(fā)的波形聲音文件，WINDOWS操作系統(tǒng)支持這種格式。課題組按以下WAV文件格式編制音頻輸入部分的程序。

表1 WAV文件格式

2 三維頻譜分析軟件

燃?xì)鉁u輪發(fā)出的噪聲比較復(fù)雜，一些有用的信息往往被掩埋在其他雜亂的噪音里，發(fā)動(dòng)機(jī)不同運(yùn)行時(shí)間段，噪聲信息不一樣。為此課題組開發(fā)了3維頻譜分析軟件，通過對(duì)軟件生成的3維頻譜圖的各種操作及人工分析尋找有用信息。

圖2 參數(shù)設(shè)置界面

圖3 閾值為0和0.5的頻譜圖

圖2為頻譜分析參數(shù)設(shè)置界面。第一行為進(jìn)行快速傅立葉轉(zhuǎn)換的參數(shù)，包括由WAV文件所給定的總通道數(shù)、需要進(jìn)行快速傅立葉轉(zhuǎn)換的通道號(hào)、進(jìn)行傅立葉轉(zhuǎn)換的最低和最高頻率（分別為圖中“左側(cè)”和“右側(cè)”）、由WAV文件所給定的采集頻率及三維頻譜圖中時(shí)間維的步長。3維頻譜圖有3個(gè)維度分量：頻率、時(shí)間、振動(dòng)幅值（即體現(xiàn)噪聲聲強(qiáng)的量）。為了能對(duì)不同時(shí)間段進(jìn)行細(xì)致的頻譜分析，可以對(duì)3維頻譜圖中時(shí)間維度分量的起始和終止進(jìn)行設(shè)定（參見圖中“時(shí)間步”框）?！皶r(shí)間步”框中的“閾值”是對(duì)振幅維度分量的設(shè)定，即大于此設(shè)定值時(shí)才在視圖中顯示，從而過濾掉振動(dòng)幅值過小的量，使大振幅量顯示更清晰。圖3所示即為閾值分別為0和0.5的圖形。在圖中的“比例”框內(nèi)可對(duì)3維頻譜圖3個(gè)方向的顯示比例進(jìn)行設(shè)置，有助于將視圖調(diào)整得更為清晰?！邦l率”框內(nèi)的“起始”和“終止”用于設(shè)置視圖中3維頻譜圖頻率維度的起始值和終止值，有助于針對(duì)不同頻率段進(jìn)行細(xì)致分析。

軟件能對(duì)顯示的3D頻譜圖通過移動(dòng)鼠標(biāo)進(jìn)行視角的變換和平移，通過撥動(dòng)鼠標(biāo)上的滾輪進(jìn)行圖形的縮放。圖4為時(shí)間維度與顯示面垂直時(shí)得到的頻譜圖，此時(shí)即退化為一般的2D頻譜圖。

圖4 2D頻譜圖

由于采集頻率很高，采集的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲信息數(shù)據(jù)量一般很大，普通PC機(jī)處理有困難，為此軟件還有對(duì)WAV文件進(jìn)行分割的功能，將一個(gè)很大的WAV文件自動(dòng)分割成一系列較小的WAV文件，采用普通筆記本電腦就可以分段快速地進(jìn)行詳細(xì)的3D頻譜分析。

3D頻譜圖上各個(gè)點(diǎn)的繪制有點(diǎn)圖（即像素點(diǎn)）、線圖（即用直線聯(lián)接曲線上相連點(diǎn)）和面圖（即每個(gè)時(shí)間步以平面繪出）的形式，可根據(jù)具體需要選擇進(jìn)行繪制，圖5a)、b)、c)分別為同一視角的點(diǎn)圖、線圖和面圖。

圖5 點(diǎn)圖、線圖及面圖示意圖

3 APU噪聲頻譜分析

3.1 氣流激振頻率分析

由前所述可知，離心葉輪有大、小葉片各12片，渦輪葉片為14片，因此預(yù)計(jì)有i×12、i×14、i×24(i=1，2，3...)倍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率的噪聲出現(xiàn)，這些頻率將作為尾流激振源。

圖6為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段測(cè)得的3維頻譜圖。由該圖可以看到，與壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子葉片相關(guān)的前幾階尾流激振頻率均測(cè)得。圖7為通過對(duì)圖形的局部操作獲得的1倍及2倍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，這些頻率由轉(zhuǎn)子不平衡或氣流沿周向不均勻所引起。

圖6 啟動(dòng)階段頻譜圖

圖7 轉(zhuǎn)子1、2倍頻

圖8為測(cè)得的比較微弱的7倍頻和21倍頻信號(hào)的頻譜圖。由前述可知，進(jìn)氣端有7根撐桿，在離心葉輪機(jī)匣上有21個(gè)開孔，這些都可能成為氣流激振源，但由于撐桿附近氣流速度還較低，開孔流量有限，故測(cè)得的信號(hào)較微弱。

圖8 7倍頻和21倍頻

由此可見，發(fā)動(dòng)機(jī)由結(jié)構(gòu)特征可能引起的氣流激振頻率均被測(cè)到。這對(duì)研究發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)特性有幫助。

3.2 葉片振動(dòng)頻率

對(duì)離心葉輪大小葉片進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)，并嘗試性地在3維頻譜圖上尋找對(duì)應(yīng)的信息。圖9標(biāo)出了與模態(tài)試驗(yàn)的頻率平均值相近的部位。二者之間的誤差列于表2。該表列出的誤差雖然并不太大，但是頻譜圖上的峰值與模態(tài)試驗(yàn)值之間的對(duì)應(yīng)性不是非常理想。這說明3D噪聲頻譜圖對(duì)葉片振動(dòng)頻率的分析尤其是對(duì)動(dòng)頻的分析有一定的幫助，但不能作為唯一判定的依據(jù)。如何更好地利用3D噪聲頻譜圖進(jìn)行葉片動(dòng)頻分析的研究仍在進(jìn)行。

圖9 葉片振動(dòng)頻率

表2 噪聲測(cè)試與模態(tài)試驗(yàn)間的誤差（/%）

4 與傳統(tǒng)振動(dòng)傳感器的對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)在試車時(shí)一般在機(jī)匣上安裝振動(dòng)傳感器進(jìn)行振動(dòng)量的測(cè)試，主要目的是監(jiān)視整機(jī)振動(dòng)是否異常。但這種傳感器采集頻率一般不會(huì)設(shè)置得太高，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的振動(dòng)分析往往是不夠的。此外被安裝在機(jī)匣上，難以獲得內(nèi)部氣流激振信息。圖10為安裝在機(jī)匣上的振動(dòng)傳感器經(jīng)軟件轉(zhuǎn)換后獲得的頻譜圖。圖的上方標(biāo)出了倍頻數(shù)，1、3、5倍頻比較明顯，但重要的7、12、14、21等倍頻信息均無法得到。

圖10 機(jī)匣處獲得的振動(dòng)信息

5 結(jié)語

以某民用APU為對(duì)象，研究噪聲技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分析中的應(yīng)用。通過噪聲測(cè)試獲得的3維頻譜圖可揭示氣流激振頻率信息、葉片等零件的振動(dòng)信息，有助于分析發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性。與傳統(tǒng)振動(dòng)傳感器相比，噪聲測(cè)試能獲得更多的氣流激振頻率等信息。在如何利用噪聲技術(shù)準(zhǔn)確確定葉片動(dòng)頻等方面，仍需作進(jìn)一步的研究。

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Application of Noise Technique toAero Engines

CHEN Ya-nong1,2,CAI Xian-xin1,2,WU Yu-ping1,2,WU Gui-jiao1,2
(1.ChinaAviation Powerplant Research Institute,Zhuzhou 412002,Hunan China; 2.Key Laboratory ofAero Engine Vibration Technique,Zhuzhou 412002,Hunan China)

Noise technique was applied to vibration analysis of an aero engine.Spectrum analysis of the noise measurement data in the WAV file was carried out by means of the software developed by the project team.The 3-D spectrum diagrams were obtained and analyzed to find the possible exciting frequencies and components and resonant frequencies.The information obtained by noise measurement was compared with that obtained by traditional vibration sensors.The results indicated that the noise measurement can get more useful information.

vibration and wave;aero engine;noise measurement;spectrum analysis

TB535

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.043

1006-1355(2015)03-0200-04

2014－12－17

陳亞農(nóng)，男，研究員，湖北京山人，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)。E-mail:newnewice@sina.com