航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)

前言

飛機(jī)噪聲問(wèn)題是目前航空界普遍關(guān)心的問(wèn)題之一。對(duì)于民用飛機(jī)，噪聲輻射指標(biāo)已經(jīng)成為飛機(jī)適航審定的強(qiáng)制性指標(biāo)，飛機(jī)噪聲級(jí)的大小直接關(guān)系到適航簽證的獲?。粚?duì)于軍用飛機(jī)，噪聲輻射則會(huì)影響到飛機(jī)的隱身以及結(jié)構(gòu)聲疲勞等。隨著人類環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)和國(guó)際間航空市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，特別是隨著空中運(yùn)輸能力的不斷提高、大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推力和功率的不斷增大、飛行速度的進(jìn)一步加快等，飛機(jī)噪聲問(wèn)題變得更為突出。飛機(jī)的主要噪聲源是航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)噪聲。航空發(fā)動(dòng)機(jī)既是飛機(jī)的動(dòng)力源，也是飛機(jī)巨大噪聲的產(chǎn)生源。飛機(jī)噪聲問(wèn)題真正引起人們的關(guān)注也是20世紀(jì)50——60年代噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始投入使用的時(shí)候，第一代渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的巨大噴氣噪聲一方面引起了強(qiáng)烈的社會(huì)反響，另一方面也激發(fā)了研究人員對(duì)此問(wèn)題的廣泛關(guān)注。從這個(gè)時(shí)期開(kāi)始，人們便以航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣流（燃?xì)猓┝鲃?dòng)過(guò)程產(chǎn)生的噪聲為主要研究對(duì)象，研究飛機(jī)／發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源的機(jī)理、氣流和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響、噪聲級(jí)的理論預(yù)測(cè)方法以及降低噪聲的方法等，并以研究開(kāi)發(fā)基于氣動(dòng)聲學(xué)設(shè)計(jì)方法來(lái)制造出低噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)（也常稱之為安靜發(fā)動(dòng)機(jī)Quiet Engine）為主要目的，形成了航空宇航科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科分支一一氣動(dòng)聲學(xué)。如果以1952年英國(guó)首先發(fā)明成功的第一代噴氣式民用飛機(jī)——彗星號(hào)（Comet）為標(biāo)志，那么過(guò)去50多年的時(shí)間里，民用航空燃?xì)鉁u輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三次更新?lián)Q代，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平得到了很大提高。而噪聲級(jí)大小作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)之一，每一次技術(shù)上的更新?lián)Q代，氣動(dòng)聲學(xué)設(shè)計(jì)都起到了重要的作用。在2003年全球共同慶祝人類動(dòng)力飛行100周年的時(shí)候，面對(duì)未來(lái)迅速發(fā)展的航空運(yùn)輸市場(chǎng)，特別是面對(duì)未來(lái)人類對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，國(guó)內(nèi)外眾多航空研究機(jī)構(gòu)都將氣動(dòng)聲學(xué)設(shè)計(jì)列為未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展水平與先進(jìn)國(guó)家相比仍然有很大的差距，特別是在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)領(lǐng)域，與國(guó)外的技術(shù)差距非常明顯。2005年我國(guó)啟動(dòng)的中長(zhǎng)期科技發(fā)展戰(zhàn)略，將“大型運(yùn)輸機(jī)”列入了國(guó)家重大技術(shù)專項(xiàng)，其中大型客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)及其噪聲問(wèn)題將是我國(guó)大型客機(jī)研制發(fā)展中的重大技術(shù)基礎(chǔ)問(wèn)題之一。面對(duì)現(xiàn)實(shí)，展望未來(lái)，航空動(dòng)力界的科研人員必須重視和關(guān)注航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲研究。

內(nèi)容概要

　　《航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)》可供從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)、流體機(jī)械、飛行器設(shè)計(jì)和動(dòng)力工程及工程熱物理等專業(yè)的科研及工程設(shè)計(jì)人員參考，同時(shí)可作為相關(guān)專業(yè)的教師、研究生和大學(xué)生的參考書(shū)。氣動(dòng)聲學(xué)是氣動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)交叉產(chǎn)生的一門新興的航空科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域分支學(xué)科，航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)噪聲則是氣動(dòng)聲學(xué)的主要研究對(duì)象?！逗娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)》從氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)聲學(xué)的基本理論出發(fā)，研究當(dāng)代先進(jìn)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的物理機(jī)制，系統(tǒng)分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的基本特征;通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)研究工作的總結(jié)和分析，給出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要噪聲源流動(dòng)噪聲的理論分析模型，介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)研究測(cè)量的新方法和新技術(shù)，并重點(diǎn)介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)噪聲控制的原理和方法。

書(shū)籍目錄

第1章 引論1.1 飛機(jī)噪聲問(wèn)題1.1.1 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)開(kāi)辟了人類航空運(yùn)輸?shù)男录o(jì)元1.1.2 噴氣式民用航空運(yùn)輸帶來(lái)了航空噪聲的新問(wèn)題1.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲1.3 飛機(jī)噪聲評(píng)價(jià)參數(shù)1.3.1 噪聲的物理度量1.3.2 頻譜和頻帶1.3.3 噪聲的主觀度量參考文獻(xiàn)第2章 聲學(xué)基本概念和基本方程2.1 流體動(dòng)力學(xué)基本方程2.1.1 守恒律和本構(gòu)方程2.1.2 理想流體動(dòng)力學(xué)基本方程表達(dá)形式2.2 聲學(xué)基本方程2.2.1 流動(dòng)過(guò)程物理量級(jí)分析2.2.2 波動(dòng)方程2.3 聲波方程的解2.3.1 穩(wěn)態(tài)介質(zhì)中的簡(jiǎn)單波2.3.2 運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中的波2.4 聲源分析2.4.1 反問(wèn)題和聲源的唯一性問(wèn)題2.4.2 質(zhì)量和動(dòng)量入射2.5 運(yùn)動(dòng)聲源問(wèn)題2.5.1 方程的解2.5.2 解的說(shuō)明2.5.3 壓力場(chǎng)的說(shuō)明2.5.4 簡(jiǎn)單的諧波聲源2.5.5 多聲源的分析參考文獻(xiàn)第3章 氣動(dòng)聲學(xué)理論3.1 氣動(dòng)聲學(xué)理論的產(chǎn)生及發(fā)展3.2 Lighthill聲類比理論3.2.1 Lighthill方程推導(dǎo)3.2.2 對(duì)流形式的Lighthill方程3.2.3 基本氣動(dòng)噪聲源3.2.4 Lighthill方程聲源項(xiàng)分析3.2.5 Howe對(duì)流波動(dòng)方程3.3 Lighthill方程的解3.3.1 Kirchhoff積分3.3.2 Curle對(duì)氣動(dòng)聲學(xué)方程的積分解3.3.3 對(duì)流Lighthill方程的解3.3.4 遠(yuǎn)場(chǎng)近似3.4 時(shí)間平均解3.4.1 自相關(guān)函數(shù)3.4.2 功率譜密度3.5 靜止固體邊界對(duì)氣動(dòng)聲源聲輻射的影響3.5.1 引論3.5.2 無(wú)限平板表面邊界層噪聲分析3.5.3 具有邊緣平板的氣動(dòng)噪聲分析3.6 運(yùn)動(dòng)固體邊界對(duì)氣動(dòng)聲源聲輻射的影響——FWH方程3.6.1 空間坐標(biāo)系3.6.2 運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系參考文獻(xiàn)第4章 發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲4.1 引論4.2 噴流噪聲聲功率分析4.2.1 Lighthill方程對(duì)湍流流場(chǎng)的應(yīng)用4.2.2 運(yùn)動(dòng)速度對(duì)聲強(qiáng)的影響4.2.3 量綱分析4.2.4 噴流結(jié)構(gòu)及噴流噪聲公式4.3 噴流噪聲遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓時(shí)間平均解4.3.1 功率譜密度4.3.2 圓形射流的螺旋模態(tài)4.3.3 噴流噪聲的指向性4.3.4 噴流氣動(dòng)聲源的波動(dòng)模型與旋渦模型4.4 噴流噪聲比例律關(guān)系4.4.1 噴流流場(chǎng)比例律關(guān)系4.4.2 噴流噪聲聲壓比例律關(guān)系4.5 超聲速噴流噪聲4.5.1 馬赫波輻射4.5.2 寬頻激波噪聲4.5.3 寬頻激波噪聲頻率4.5.4 寬頻激波噪聲頻譜峰值寬度4.5.5 寬頻激波噪聲的飛行效應(yīng)4.5.6 超聲速噴流的尖叫聲4.6 噴流噪聲的預(yù)測(cè)4.6.1 靜止?fàn)顟B(tài)噴流混合噪聲預(yù)測(cè)4.6.2 飛行狀態(tài)噴流混合噪聲預(yù)測(cè)4.6.3 寬頻激波噪聲4.6.4 空中飛行和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系4.7 噴流噪聲抑制4.7.1 大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的使用4.7.2 波瓣形噴管降噪4.7.3 新型波紋形噴管降噪4.7.4 氣流屏蔽和幾何偏置噴管4.8 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第5章 發(fā)動(dòng)機(jī)管道聲學(xué)理論分析5.1 引論5.2 流動(dòng)管道的波動(dòng)方程5.3 無(wú)流動(dòng)矩形硬壁管道中的聲傳播5.3.1 齊次波動(dòng)方程的一般求解5.3.2 剛體管道壁面邊界條件5.3.3 管道端口處的邊界條件5.3.4 聲源處的邊界條件5.4 無(wú)流動(dòng)圓柱或環(huán)形硬壁管道中的聲傳播5.5 具有均勻流動(dòng)的矩形管道內(nèi)的聲傳播5.6 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第6章 葉輪機(jī)噪聲產(chǎn)生和傳播的物理機(jī)制6.1 引論6.2 葉輪機(jī)流動(dòng)噪聲源和噪聲傳播的物理過(guò)程分析6.2.1 葉輪機(jī)流動(dòng)噪聲的產(chǎn)生和傳播過(guò)程6.2.2 葉輪機(jī)流動(dòng)噪聲源6.3 葉輪機(jī)定常和非定常氣動(dòng)力產(chǎn)生的單音噪聲6.3.1 轉(zhuǎn)子葉片厚度噪聲及定常葉片力噪聲6.3.2 非定常葉片氣動(dòng)力噪聲6.3.3 非定常葉片氣動(dòng)力旋轉(zhuǎn)模態(tài)分析6.3.4 超聲速轉(zhuǎn)子激波噪聲6.4 葉輪機(jī)隨機(jī)非定常流動(dòng)產(chǎn)生的寬頻噪聲6.4.1 寬頻隨機(jī)噪聲的理論分析6.4.2 葉輪機(jī)不同隨機(jī)噪聲的分析比較6.5 葉輪機(jī)管道聲模態(tài)的產(chǎn)生6.5.1 單轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的模態(tài)6.5.2 非傳播模態(tài)的衰減6.5.3 轉(zhuǎn)靜干涉產(chǎn)生的模態(tài)6.5.4 對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子干涉產(chǎn)生的模態(tài)分析6.6 葉輪機(jī)管道聲模態(tài)的傳播和輻射6.6.1 葉片排中聲波的傳播6.6.2 管道中聲波的傳播及輻射6.7 結(jié)束語(yǔ)參考文獻(xiàn)第7章 葉輪機(jī)噪聲預(yù)測(cè)模型與控制方法7.1 引論7.1.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)聲學(xué)設(shè)計(jì)和降噪設(shè)計(jì)7.1.2 葉輪機(jī)噪聲分析模型概述7.2 葉輪機(jī)噪聲的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)分析7.2.1 葉輪機(jī)噪聲特征及經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)關(guān)系7.2.2 聲源聲功率計(jì)算7.2.3 指向性函數(shù)7.2.4 頻譜函數(shù)7.3 葉輪機(jī)管道聲學(xué)模型7.3.1 基本方程7.3.2 風(fēng)扇／壓氣機(jī)單音噪聲計(jì)算7.3.3 葉輪機(jī)單音噪聲傳播特性分析7.3.4 葉輪機(jī)輻射聲功率計(jì)算7.4 基于線化非定常流理論的葉輪機(jī)噪聲計(jì)算方法7.4.1 概述7.4.2 準(zhǔn)三維葉輪機(jī)噪聲模型7.4.3 準(zhǔn)三維管道葉柵模型的實(shí)驗(yàn)考核7.5 基于CFD技術(shù)的葉輪機(jī)噪聲計(jì)算方法7.5.1 概述7.5.2 壓力模態(tài)匹配方法7.5.3 聲傳播計(jì)算對(duì)網(wǎng)格的要求7.5.4 計(jì)算實(shí)例7.6 葉輪機(jī)噪聲控制方法7.6.1 選用合適的動(dòng)靜葉數(shù)目降低葉輪機(jī)噪聲7.6.2 增加轉(zhuǎn)子、靜子之間的距離7.6.3 改變轉(zhuǎn)靜干涉的相位分布7.6.4 葉片設(shè)計(jì)7.6.5 葉輪機(jī)葉尖間隙噪聲的減小方法7.6.6 結(jié)論7.7 結(jié)束語(yǔ)參考文獻(xiàn)第8章 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與核心噪聲8.1 引論8.2 燃燒室?guī)缀魏蚑作狀態(tài)變化對(duì)噪聲的影響8.2.1 燃燒室?guī)缀巫兓瘜?duì)噪聲的影響8.2.2 燃燒室工作狀態(tài)變化對(duì)噪聲的影響8.3 燃燒噪聲特征和燃燒噪聲源分析8.3.1 燃燒噪聲和核心噪聲的特征8.3.2 燃燒噪聲源8.4 燃燒噪聲理論分析8.4.1 燃燒噪聲理論的發(fā)展情況8.4.2 燃燒噪聲理論及與實(shí)驗(yàn)的比較8.4.3 燃燒噪聲預(yù)測(cè)方法8.5 燃燒噪聲診斷技術(shù)8.5.1 燃燒噪聲測(cè)量技術(shù)8.5.2 數(shù)據(jù)分析8.5.3 應(yīng)用實(shí)例8.6 燃燒噪聲控制參考文獻(xiàn)第9章 航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)9.1 引論9.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和測(cè)試方法9.2.1 自由聲場(chǎng)與消聲室9.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)氣整流罩9.2.3 測(cè)量傳聲器及安裝方式9.3 噪聲源聲功率測(cè)量技術(shù)9.3.1 自由場(chǎng)測(cè)量方法9.3.2 混響室測(cè)量方法9.3.3 管道內(nèi)測(cè)量方法9.4 發(fā)動(dòng)機(jī)管道聲模態(tài)識(shí)別測(cè)量技術(shù)9.4.1 管道聲模態(tài)測(cè)量的目的9.4.2 模態(tài)測(cè)量試驗(yàn)的必要性9.4.3 周向模態(tài)測(cè)量的方法9.5 基于傳聲器陣列的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別測(cè)量技術(shù)9.5.1 氣動(dòng)噪聲源識(shí)別的重要性及發(fā)展9.5.2 傳聲器陣列聲源識(shí)別技術(shù)的基本原理9.5.3 傳聲器陣列測(cè)量數(shù)據(jù)的處理9.5.4 傳聲器陣列的“波束模式9.6 基于傳聲器陣列的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別測(cè)量實(shí)例9.6.1 基于線性傳聲器陣列的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲識(shí)別實(shí)驗(yàn)9.6.2 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別測(cè)量結(jié)果分析參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：3.噪度與感覺(jué)噪聲級(jí)響度以及基于響度發(fā)展起來(lái)的加權(quán)聲壓級(jí)適合測(cè)試工業(yè)噪聲或其他連續(xù)的日常噪聲。然而，飛機(jī)噪聲有其獨(dú)特之處，它具有一個(gè)寬廣范圍且可變的頻譜特性以及一個(gè)瞬變的聲壓級(jí)時(shí)間歷程，以往那種以1000Hz純音作為比較標(biāo)準(zhǔn)的定標(biāo)方法是不適用的，需要發(fā)展專用的評(píng)價(jià)尺度。克里脫（Kryter）等人對(duì)此提出了新的評(píng)定尺度——噪度和感覺(jué)噪聲級(jí)。其思路是，取代1000Hz純音，以中心頻率為1000Hz的1／3倍頻帶中的隨機(jī)聲作為比較標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試聽(tīng)眾對(duì)不同中心頻率的頻帶聲壓級(jí)的平均響應(yīng)，并用聲壓級(jí)一頻率的形式得到一個(gè)統(tǒng)計(jì)的頻帶等噪度曲線族（見(jiàn)圖1-12）。噪度的單位為noy（吶）。仿照響度與響度級(jí)的關(guān)系，取1000Hz中心頻率上的40dB噪聲所產(chǎn)生的煩擾度為噪度的基本度量單位，稱為1noy。每增加10dB，噪度加倍。由于吶值是頻率和聲壓級(jí)的函數(shù)（見(jiàn)圖1-13），故需要通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系式，在一個(gè)分析頻譜的每一1／3倍頻程子帶內(nèi)累計(jì)吶值，然后以感覺(jué)噪聲級(jí)的PNdB數(shù)給出噪聲煩擾程度的單一數(shù)值表示。

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