陳亞農，蔡顯新，吳玉萍，吳桂嬌

（1.中國航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空發(fā)動機振動技術重點實驗室，湖南 株洲 412002）

噪聲技術在航空發(fā)動機中的應用

陳亞農1,2，蔡顯新1,2，吳玉萍1,2，吳桂嬌1,2

（1.中國航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空發(fā)動機振動技術重點實驗室，湖南 株洲 412002）

以某民用燃氣渦輪輔助動力裝置為對象，研究噪聲技術在航空發(fā)動機振動分析中的應用。采用課題組自行開發(fā)的頻譜分析軟件，對噪聲測試系統(tǒng)獲得的包含振動量信息的WAV文件數據進行計算，獲得3維頻譜圖。對這些頻譜圖進行詳細分析，可找出可能存在的激振頻率及零件共振頻率。將噪聲測試獲得的振動信息與傳統(tǒng)的安裝在機匣上的振動傳感器的測量數據進行了對比，結果表明噪聲測試方法可獲得更多有用信息。

振動與波；航空發(fā)動機；噪聲測試；頻譜分析；

航空發(fā)動機噪聲源復雜，包括風扇、壓氣機、渦輪和燃燒室噪聲、噴氣噪聲以及各種振動噪聲，有關航空發(fā)動機噪聲技術的研究受到人們的重視。文獻[1]提出了一種以降低發(fā)動機噪聲和耗油率為目標的優(yōu)化方法，這種方法集成了近似分析工具，適用于發(fā)動機初步設計。文獻[2]研究了航空回熱燃氣渦輪發(fā)動機的低噪聲環(huán)境問題。文獻[3]采用數值仿真技術對渦扇發(fā)動機中燃燒室—渦輪—噴管系統(tǒng)的噪聲產生和傳播機理進行了研究。文獻[4]研究了航空發(fā)動機燃燒室噪聲產生機理及其主要影響因素，文獻[5]對常規(guī)試車臺上航空發(fā)動機噪聲及其測量技術進行了研究，認為噪聲與振動、壓力脈動信號同步測量并作相干分析是識別發(fā)動機聲源特征的有效方法，驗證了噴氣噪聲是發(fā)動機臺試噪聲的最主要貢獻，具有低頻帶特性。文獻[6]通過對航空發(fā)動機試車臺噪聲的分析得出了試車臺噪聲主要呈現中高頻頻譜特性并且是連續(xù)寬頻帶的空氣動力性噪聲的結論。文獻[7]利用相似轉換法則研究航空發(fā)動機在地面試驗狀態(tài)與空中巡航對應狀態(tài)下噪聲輻射聲場變化規(guī)律。文獻[8]對某壓氣機的試驗結果進行了氣動、振動、噪聲等物理參數的特征分析，認為該型壓氣機工作中可能存在聲共振現象。文獻[9]研究了基于傳聲器陣列的航空發(fā)動機噪聲源識別技術。文獻[10]建立了民用航空發(fā)動機燃燒室噪聲預測模型，利用該模型預測發(fā)動機燃燒室的聲壓級、總聲壓級、A計權聲壓級和感覺噪聲級等參數。

利用噪聲信息對渦軸、輔助動力裝置（APU）等小型發(fā)動機振動問題研究得較少。渦軸、輔助動力裝置等發(fā)動機的噪聲主要來自于壓氣機、燃燒室和渦輪。在試車時雖然在機匣上安裝了振動傳感器，但根據振動信號難以獲取氣流激振等相關信息。本文針對某民用燃氣渦輪輔助動力裝置，采用課題組自行開發(fā)的頻譜分析軟件，對測量的噪聲數據進行3維頻譜分析，獲得了一些有用的結果。

1 發(fā)動機噪聲信號采集

本文研究對象為配備某民用客機的燃氣渦輪輔助動力裝置，圖1為其結構簡圖。如圖所示，空氣從進氣段流向離心葉輪，壓縮后進入燃燒室，然后從向心渦輪通過由排氣段排出。離心葉輪有12個大葉片和12個小葉片，向心葉輪有14個葉片，進氣端撐桿有7個，在離心葉輪機匣上有21個尺寸較小的開孔。這些結構參數或多或少對發(fā)動機產生的噪聲有影響。

圖1 某燃氣渦輪輔助動力裝置

在進行噪聲信號采集時將傳聲器置于進氣口處，為了防止信號超限，傳聲器包上隔音材料。傳聲器聲壓級為140 dB。為了獲得發(fā)動機的高頻信息，采集頻率設置較高為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

燃氣渦輪發(fā)出的噪聲比較復雜，一些有用的信息往往被掩埋在其他雜亂的噪音里，發(fā)動機不同運行時間段，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 參數設置界面

圖3 閾值為0和0.5的頻譜圖

圖2為頻譜分析參數設置界面。第一行為進行快速傅立葉轉換的參數，包括由WAV文件所給定的總通道數、需要進行快速傅立葉轉換的通道號、進行傅立葉轉換的最低和最高頻率（分別為圖中“左側”和“右側”）、由WAV文件所給定的采集頻率及三維頻譜圖中時間維的步長。3維頻譜圖有3個維度分量：頻率、時間、振動幅值（即體現噪聲聲強的量）。為了能對不同時間段進行細致的頻譜分析，可以對3維頻譜圖中時間維度分量的起始和終止進行設定（參見圖中“時間步”框）?！皶r間步”框中的“閾值”是對振幅維度分量的設定，即大于此設定值時才在視圖中顯示，從而過濾掉振動幅值過小的量，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”框內可對3維頻譜圖3個方向的顯示比例進行設置，有助于將視圖調整得更為清晰。“頻率”框內的“起始”和“終止”用于設置視圖中3維頻譜圖頻率維度的起始值和終止值，有助于針對不同頻率段進行細致分析。

軟件能對顯示的3D頻譜圖通過移動鼠標進行視角的變換和平移，通過撥動鼠標上的滾輪進行圖形的縮放。圖4為時間維度與顯示面垂直時得到的頻譜圖，此時即退化為一般的2D頻譜圖。

圖4 2D頻譜圖

由于采集頻率很高，采集的發(fā)動機噪聲信息數據量一般很大，普通PC機處理有困難，為此軟件還有對WAV文件進行分割的功能，將一個很大的WAV文件自動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行詳細的3D頻譜分析。

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

圖5 點圖、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，因此預計有i×12、i×14、i×24(i=1，2，3...)倍轉子轉速頻率的噪聲出現，這些頻率將作為尾流激振源。

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

圖6 啟動階段頻譜圖

圖7 轉子1、2倍頻

圖8為測得的比較微弱的7倍頻和21倍頻信號的頻譜圖。由前述可知，進氣端有7根撐桿，在離心葉輪機匣上有21個開孔，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，故測得的信號較微弱。

圖8 7倍頻和21倍頻

由此可見，發(fā)動機由結構特征可能引起的氣流激振頻率均被測到。這對研究發(fā)動機的振動特性有幫助。

3.2 葉片振動頻率

對離心葉輪大小葉片進行了模態(tài)試驗，并嘗試性地在3維頻譜圖上尋找對應的信息。圖9標出了與模態(tài)試驗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)試驗值之間的對應性不是非常理想。這說明3D噪聲頻譜圖對葉片振動頻率的分析尤其是對動頻的分析有一定的幫助，但不能作為唯一判定的依據。如何更好地利用3D噪聲頻譜圖進行葉片動頻分析的研究仍在進行。

圖9 葉片振動頻率

表2 噪聲測試與模態(tài)試驗間的誤差（/%）

4 與傳統(tǒng)振動傳感器的對比

發(fā)動機在試車時一般在機匣上安裝振動傳感器進行振動量的測試，主要目的是監(jiān)視整機振動是否異常。但這種傳感器采集頻率一般不會設置得太高，對于發(fā)動機葉片的振動分析往往是不夠的。此外被安裝在機匣上，難以獲得內部氣流激振信息。圖10為安裝在機匣上的振動傳感器經軟件轉換后獲得的頻譜圖。圖的上方標出了倍頻數，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 機匣處獲得的振動信息

5 結語

以某民用APU為對象，研究噪聲技術在航空發(fā)動機振動分析中的應用。通過噪聲測試獲得的3維頻譜圖可揭示氣流激振頻率信息、葉片等零件的振動信息，有助于分析發(fā)動機振動特性。與傳統(tǒng)振動傳感器相比，噪聲測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準確確定葉片動頻等方面，仍需作進一步的研究。

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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，男，研究員，湖北京山人，主要研究方向：發(fā)動機振動。E-mail:newnewice@sina.com