Page 39 - 《应用声学》2022年第6期

第 41 卷 第 6 期 宋晓等： 机体表面湍流边界层噪声特性及预测方法研究 885

界层噪声的预测精度，为湍流边界层噪声的预测提
0 引言 供了工程依据。

飞机作为一种快捷高效的交通工具，其客舱舒 1 飞行试验
适度日益受到人们的关注。对于民用飞机的舒适性
而言，主要目的是保持客舱内较小的噪声水平。巡 飞机的前后机身和翼身整流罩区域共布置9 个
航阶段是整个飞行过程中时间最长、对乘客舒适性 表面传声器，其中传声器型号为BK4948。各个测点
影响最大的阶段。随着大涵道比发动机的广泛应用， 的具体分布如图 1 所示。表面传声器采用过渡圆盘
的方式进行安装，通过铝箔胶带和双面胶将其固定
发动机噪声有所降低，湍流边界层噪声已成为巡航
过程中最主要的外部噪声源。 于机身表面，与传声器相连的线缆在机身表面顺气
流方向布置，最终通过改装后的舷窗进入客舱内部，
飞机机体表面的流动受边界层外的潜在流动
与数据采集系统连接。
所驱动，流动会在机体表面产生压力脉动，压力脉动
只局限于边界层内。边界层的流动开始于层流，但 1 9
很快就会变为湍流，因此，机身的边界层大部分是湍 2 3 4 5 6 7 8

流。边界层内的压力脉动被称为湍流边界层噪声。
湍流边界层噪声通过复杂的传递路径进入舱内，会 图 1 传声器布置示意图
激发结构振动和噪声。一般而言，湍流边界层噪声 Fig. 1 Microphone layout
对舱内噪声的贡献主要集中在中高频范围，主导了
湍流边界层噪声与飞行高度和飞行速度有密
舱内 400 Hz∼2 kHz 的噪声场 [1] 。湍流边界层内的
切关系，因此，试验点主要选取不同高度、不同速度
压力脉动可以被看作一个随机过程，可用统计学的
的巡航工况，见表1。巡航工况下发动机按需调整转
方法来描述。对于湍流边界层噪声的预测，目前主
速。考虑到当地声速会随高度变化，对工况2∼工况
要是基于半经验的方法，其中包括频率 -波数谱模
4 的马赫数进行一定的调整，使其接近于恒定的真
型和描述局部压力波动的单点谱模型。关于单点谱
空速，以便进行直接比较。调整后，工况 2 和工况 3
模型，国外学者通过大量的实验数据拟合出了多种 的真空速一致，工况 4与工况2、工况3有2%左右的
工程模型。Robertson [2] 根据Lowson [3] 的研究成果 偏差，就其对噪声水平的影响而言，此偏差是可以接
和 NASA 的试验数据建立了 Robertson 模型，随后 受的。在整个试飞过程中，巡航工况至少保持30 s。
Cockburn & Robertson [4] 对其表达式进行了改写，
表 1 试验工况
发展出Cockburn & Robertson模型。Chase [5] 建立
Table 1 Test conditions
了Chase模型，Howe [6] 在其基础上对模型进行了简
化，发展出 Chase-Howe模型。Goody [7] 根据多个实 工况 飞行高度/ft 马赫数/Ma 真空速/(m·s −1 )
验研究结果对 Chase-Howe 模型进行了修正，发展 1 35000 0.78 232

出Goody 模型。Efimtsov等 [8−9] 建立了 Efimtsov1 2 35000 0.7 207
3 25000 0.67 207
模型和Efimtsov2模型。
4 15000 0.66 212
关于湍流边界噪声的研究，国外已经进行了
相关的飞行试验 [10−11] ，而国内针对这方面的研究
2 试验数据分析
还很少。本文通过开展飞行试验获取了某型飞机
的机体表面压力脉动。结合试验数据与定常流动 2.1 发动机噪声的影响
计算，分析了高度、速度、压力梯度等参数对湍流 飞机机体表面的压力脉动主要包括发动机噪
边界噪声的影响。最后利用 Robertson 模型、Cock- 声和湍流边界层噪声。其中，相同的飞行高度、飞行
burn&Robertson 模型对湍流边界层噪声进行了预 速度下，发动机噪声主要受发动机转速影响。为了
测，分析了预测结果与试验结果的差异，并根据试验 分析测点处的噪声水平是否受到发动机噪声的影
数据对预测模型的参数进行了优化，提高了湍流边 响，对相同飞行高度和速度、不同转速下的测点噪