航空微教材：飞机气动噪声
撰稿：北京航空航天大学 刘沛青教授
编辑：一溪清泉
随着社会的发展和工业技术的不断进步，人们对民用航空工业提出了越来越严格的环保要求，如何设计出更加绿色环保的飞机是目前航空界共同关注的焦点。国际民航组织(ICAO) 制定了航空器气动噪声审定的建议标准，美国和欧洲等基于此制定了一系列飞机气动噪声适航条例，对民用客机气动噪声水平加以限制，其中第四阶段要求2006 年以后提出适航申请的新型民用客机噪声水平应比第三阶段低10EPNdB（其中，EPN为Effective Perceived Noise的缩写，称为有效感觉噪声）。有效感觉噪声级是指考虑了持续时间和纯音修正后的感觉噪声级，单位为EPNdB。飞机从观察者头顶上飞过时，噪声的音调是变化的，另外飞机噪声中的纯音成分或窄带分量以及飞越头顶时的持续时间都会影响人们对飞机噪声所感觉到的烦恼程度，因此提出了有效感觉噪声级，用于飞机噪声的评价。有效感觉噪声级的计算和测量十分复杂，一般可用A声级加15dB来估计。NASA更是于1997年提出10年内降噪10EPNdB、20年内降噪20EPNdB的目标。除此之外，民用客机噪声水平也逐渐成为各航空公司在采购飞机时需要考虑的重要指标。这些对于我国正在研制的大型民用客机来说无疑是巨大的挑战，噪声水平成为其能否取得适航证及未来在世界航空领域占据一席之地的关键因素之一。
图1 飞机气动噪声源主要部件
飞机外部噪声主要包括推进系统噪声、机体噪声和动力系统与机体的干扰噪声，如图1所示。推进系统噪声即发动机噪声，包括风扇噪声、压气机/涡轮噪声、燃烧噪声和喷流噪声等，属于动力噪声。机体噪声包括增升装置和起落架噪声，其和动力系统与机体的干扰噪声都属于无动力噪声。随着大涵道比涡轮风扇发动机的使用，加上如消声短舱、V型花瓣喷嘴等降噪技术的有效应用，使得发动机噪声在整体噪声中所占比例日益减小。尤其在飞机降落阶段，在发动机处于低功率状态、增升装置和起落架全部打开的情况下，机体噪声与发动机噪声相当，甚至超过了发动机噪声，如图2和图3所示。
图2 飞机进近阶段机体和发动机各部分气动噪声比例
图 3 飞机气动噪声源分布
(2001年9月，波音在美国蒙大拿州对全尺寸B777-200做飞行试验，试验中通过自由域麦克风和麦克风阵列测试后缘襟翼打开和发动机空置等不同状态下的气动噪声源。)
由于现代大型客机绝大部分采用带有前缘缝翼和后缘襟翼的多段翼型作为增升装置，因此在飞机降落过程中，前缘缝翼、后缘襟翼和起落架是机体噪声的重要噪声源。对于前缘缝翼，尾缘涡脱落和凹槽区内的不稳定脉动是其主要噪声源，不稳定脉动包括剪切层内涡与涡之间的相互作用、再循环区以及再附区附近涡与固体壁面之间的相互作用（如图4和图5所示）。对于后缘襟翼，当襟翼打开时，由于展向升力的突然改变，在襟翼的侧缘产生了强大的涡，包括高频的小尺度不稳定涡和低频的大尺度涡，这两种不同尺度的涡形成了其主要噪声源（如图6所示）。对于起落架，起落架舱是一个典型的空腔结构，空腔流激振荡不但能产生额外的气动噪声，而且会导致非定常载荷，因此钝体分离是其产生气动噪声的主要原因（如图7所示）。
图4 前缘缝翼气动噪声
图5 前缘缝翼气动噪声传播
图6 后缘襟翼侧缘涡系与气动噪声
图7 起落架气动噪声
这些噪声源的相对噪声大小依具体构型而定。风洞实验（如图8和图9所示）和飞行试验一致表明：增升装置噪声在机体噪声中占据很大比例，不容忽视。针对增升装置噪声，NASA、波音、空客以及一些大学的研究机构等通过实验手段和数值模拟等对其噪声原理已开展深入研究。
图8 B777缩比模型试验（缩比26%，NASA Ames风洞气动噪声试验）
图9 全尺寸B737起落架模型气动声学试验（NASA低速气动声学风洞）
在降噪技术方面，针对增升装置和起落架也提出了一些有效的措施。例如起落架采用整流罩或表面开孔的整流罩可以降低气动噪声2-3dB。对于前缘缝翼，降噪技术可分为两类：一类是用来降低高频窄频噪声的，如前缘缝翼尾缘锯齿、前缘缝翼表面主动流动控制等，主要起到降低缝翼尾缘涡脱落的作用；另一类是用来降低低频宽频噪声的，如前缘缝翼凹槽遮挡、凹槽填充、在前缘缝翼下表面和主翼安装声衬、下垂前缘结构、前缘缝翼下表面安装多孔渗透结构等，主要起到降低凹槽内部不稳定脉动的作用。对于后缘襟翼，侧边噪声控制的主要着手点是弱化涡系结构以及减弱流场与壁面的相互干扰。按照是否向流场注入能量，降噪技术可分为被动控制技术和主动控制技术，被动控制技术是指通过改变或修正侧边的造型来降低噪声的一种手段，无需向流场注入能量，主要有以下几种：襟翼侧边加装多孔材料、襟翼侧边使用栏栅结构（fence）和连续型线法。主动控制技术是指向流场中注入能量将涡系吹离壁面，降低了涡系和壁面的相互干扰达到降低侧边噪声的方法（吹气控制）。根据现有各部件有效的降噪措施，NASA预测的未来低噪声飞机如图10所示。
图10 NASA给出的未来低噪声飞机
刘沛清，男，1982年在华北水利水电大学获学士学位。1989年在河海大学获硕士学位，1995年在清华大学获博士学位。1997年至今，在北京航空航天大学流体所工作。2000年-至今，任教育部流体力学重点实验室责任教授，博士生指导教师。2003年至2012年，任航空科学与工程学院副院长。现任中国空气动力学学会理事，中国力学学会流动显示委员会副主任委员，全国流体力学委员会工业组长。长期从事飞行器空气动力学实验和数值模拟等研究工作。《空气动力学》国家级精品课程负责人，国家级航空航天实验教学示范中心主任，空气动力学学报编委。
