無論身在客機機艙的你，還是航空母艦甲板指導(dǎo)員，亦或飛行員，均感受過飛機起飛階段的轟鳴，令人不安。這是因為普通人耳的痛閾聲壓級是120dB（相當(dāng)于20Pa，標(biāo)準(zhǔn)狀況下的大氣壓是101325Pa），而航空發(fā)動機的聲壓級通常處于140~160dB范圍內(nèi)；如果沒有機身隔音段與隔音棉的阻擋與吸收，人可能會狂躁、瘋癲或死亡。

既然乘坐飛機的體驗這么差，為何工程師不將飛機設(shè)計得安靜一點？然而，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，這是燃油經(jīng)濟性、結(jié)構(gòu)完整性、污染物排放與噪聲相權(quán)衡的結(jié)果，也可以說是當(dāng)前乘坐體驗的最優(yōu)解。

如果你還是覺得太吵，那就需要一款針對航空發(fā)動機的主動降噪耳機，遺憾的是，目前市面上還沒有這種耳機。這是因為航空發(fā)動機噪聲覆蓋頻段之寬、幅值之高，實屬罕見，想設(shè)計出克服航空發(fā)動機噪聲的耳機需要對航空發(fā)動機的聲學(xué)特征有全面的了解，下面我們簡要扒一扒

為何航空發(fā)動機這么吵？

首先，我們看一下在起飛階段大涵道比渦扇發(fā)動機（該發(fā)動機一般用于裝配民機）的噪聲組成，主要包括風(fēng)扇前傳聲、風(fēng)扇后傳聲、核心機噪聲（包括高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪）、渦輪噪聲和噴流噪聲；其中風(fēng)扇噪聲和噴流噪聲是航空發(fā)動機的主要噪聲源，風(fēng)扇噪聲包含離散單音、寬頻噪聲和多重單音，噴流噪聲包含寬頻噪聲和寬帶噪聲。

風(fēng)扇噪聲中的離散單音和多重單音均屬于單音噪聲，具有頻率特征明顯或具有顯著數(shù)學(xué)關(guān)系的特點，其來源有風(fēng)扇自噪聲、轉(zhuǎn)-靜干涉噪聲和短艙-風(fēng)扇干涉噪聲。風(fēng)扇自噪聲是由于風(fēng)扇對其表面流體的位移和力效應(yīng)，其頻率為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率與風(fēng)扇葉片數(shù)乘積的整數(shù)倍；

當(dāng)葉頂出現(xiàn)超音速時，會激發(fā)出多重單音，此時頻率變?yōu)檗D(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率的整數(shù)倍。轉(zhuǎn)-靜干涉噪聲由周向均勻旋流與下游OGV干涉作用，葉片平均尾跡與下游OGV干涉作用構(gòu)成，該部分頻率噪聲的模態(tài)分解滿足Tyler-Sofrin關(guān)系。短艙-風(fēng)扇干涉噪聲是進氣道與風(fēng)扇的干涉作用，會引起±1的周向模態(tài)。

風(fēng)扇噪聲中的寬頻噪聲具有頻譜范圍寬廣的特點，其來源有風(fēng)扇自噪聲、風(fēng)扇-機匣邊界層干涉噪聲和轉(zhuǎn)-靜干涉噪聲。風(fēng)扇自噪聲是由于湍流邊界層通過葉片尾緣處吸力面上方引起四極子源的放大所致；風(fēng)扇-機匣邊界層干涉噪聲是由于湍流邊界層與風(fēng)扇葉頂間歇流相互作用所致；轉(zhuǎn)-靜干涉噪聲是由于風(fēng)扇尾跡中的非定常流與下游OGV干涉所致。

噴流噪聲主要由湍流混合噪聲和馬赫盤激波噪聲組成。噴流與低速氣流混合層中的湍流包含小尺度和大尺度湍流結(jié)構(gòu)，這二者在噴流中是共存的，其與馬赫數(shù)等參數(shù)密切相關(guān)。馬赫盤激波噪聲一般出現(xiàn)在軍用航空發(fā)動機中，這是激波在噴流中的反射與干涉所致，其與頻率、功率等參數(shù)密切相關(guān)。

航空發(fā)動機噪聲的絕大部分貢獻是氣動噪聲，氣動噪聲與流動緊密聯(lián)系在一起?！傲黧w經(jīng)不住搓，一搓就搓出了渦”，一般情形下渦與聲相伴相隨，在近聲場區(qū)域渦聲相互作用更顯著，熵波、渦波和聲波相互轉(zhuǎn)化，其物理過程較復(fù)雜。如果僅從氣動角度看，航空發(fā)動機本質(zhì)上是由多尺度的渦所構(gòu)成，聲波只是這些渦對外傳遞信息的使者。

這些渦最小為柯莫哥洛夫尺度，最大為機翼寬度；從而航空發(fā)動機的聲波尺度與此相近（這里不考慮微尺度下的聲學(xué)過程）。

最后以一個典型的圓柱繞流噪聲的算例體驗一下被噪聲輻射的感覺，然而要想真正設(shè)計一款針對航空發(fā)動機的主動降噪耳機，我們還有很多工作要做；針對航空發(fā)動機的降噪措施，有掠形/傾斜出口導(dǎo)葉、斜嵌進氣口、風(fēng)扇葉片尾流管理、可變面積噴口、聲襯布置、對轉(zhuǎn)/變?nèi)~距風(fēng)扇、外涵氣流偏轉(zhuǎn)器、壓電制動器主動控制、超高涵道比、多瓣式/鋸齒形/小突片噴管、氣流屏蔽等(這些技術(shù)將在后續(xù)科普上詳述)；相信隨著工程師的不斷努力，將航空發(fā)動機技術(shù)水平進一步提升，將來各位的乘坐體驗也將更好。

參考文獻

[1] Pinelli L, Poli F, Arnone A, et al. On the numerical evaluation of tone noise emissions generated by a turbine stage: An in-depth comparison among different computational methods, GT2015-42376.

[2] Detandt Y. Aeroacoustics research in Europe: The CEAS-ASC report on 2014 highlights, Journal of Sound and Vibration, 357(2015): 107-127.

[3] Jiricek O. Aeroacoustics research in Europe: The CEAS-ASC report on 2015 highlights, Journal of Sound and Vibration, 381(2016): 101-120.

[4] Prasad D, Li D, Topol D A, Dispersion, dissipation and refraction of shock waves in acoustically treated turbofan inlets, Journal of Sound and Vibration, 352(2015): 46-62.

[5] Peake N, Parry A B, Modern challenges facing turbomachinery aeroacoustics, Annual Review of Fluid Mechanics, (2012): 227-248.

[6] 邵衛(wèi)東，李軍.考慮對流效應(yīng)的圓柱繞流氣動噪聲的預(yù)測，工程熱物理學(xué)報，37(2016)：2097-2102.

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