民用航空涡扇发动机静态喷气噪声预测

闫国华，邓 波

（中国民航大学 中欧航空工程师学院，天津 300300）

民用航空涡扇发动机静态喷气噪声预测

闫国华，邓 波

（中国民航大学 中欧航空工程师学院，天津 300300）

喷气噪声是发动机主要噪声源之一，其大小直接影响到飞机的适航取证。由发动机静态噪声数据可以预测飞机飞行噪声级，提前了解飞机噪声的适航性，从而避免进行试验测量，达到节省时间和成本的目的。通过研究STONE喷气预测模型，提出民用航空涡扇发动机喷气噪声预测方法，并开发相应的Matlab预测程序。利用该程序预测C919客机主发的竞争发动机——CFM56-7B的喷气噪声，分析其噪声指向性以及频率特性，并与实验数据对比，验证此预测方法的准确性。

声学；喷气噪声；噪声预测；涡扇发动机；静态测试；

随着我国航空运输业和航空工业的发展，国产民机型号噪声合格审定的需求迫在眉睫。喷气噪声是发动机主要噪声源之一，其大小对飞机的适航性有直接影响，也是某些具有较高噪声飞机的飞行障碍。按照CCAR36部[1]要求，噪声适航审定中飞机的噪声级是通过无数次实际试飞测量得到的，这必将耗费大量的人力、物力和财力。研究证明，可以通过发动机静态噪声数据来预测有更改发动机设计的衍生机型的噪声值[2-3]。因此，若有可靠实用的方法实现对发动机静态噪声的精准预测，就能提前了解衍生机型飞机噪声大小，及时做出修改设计，从而避免不必要的实测，节省成本。CFM56-7B发动机是目前世界主流飞机所用的动力装置，我国自主研发大型客机C919的主发动机LEAP-X1C是以该发动机为原型改进的，预测CFM56-7B的噪声对预测C919的噪声级具有一定的参考意义。

通过研究NASA提出的STONE喷气噪声预测模型[4]，建立静态喷气噪声预测方法，并利用Matlab开发相应的预测程序，实现对涡扇发动机喷气噪声的预测。

1 喷气噪声预测方法

1.1 噪声预测基本方程

STONE模型将亚音速喷气涡扇发动机的喷气混合噪声划分为主流混合噪声、次流混合噪声以及合并流混合噪声三个组分，若存在尾椎，则尾椎分离噪音作为另一个考虑的噪声组分。喷气噪声的预测思路是分别计算出四个噪声组分，最后叠加得到总噪声。不同噪声组分，其预测方程相同。

其中C为常数，为有效速度，θc为修正角度，θc为对流马赫数。

表1 主流混合噪声谱函数（θ≤100°）

表2 主流混合噪声谱函数（θ≥100°）

表3 主流混合噪声指向函数

1.2 噪声评价参数

一般选用总声压级OASPL、A计权声压级dBA和感觉声压级PNL作为飞机噪声的评价参数，其中A计权声压基于噪声响度大小，有效感觉声压级反映了噪声对人的干扰程度[5]。由式（1）可以预测一定距离上，不同角度、不同频率的声压级，在此基础上可以计算出不同角度的OASPL、AdB和PNL[6]。

2 预测程序开发

由于Matlab具有良好的算法开发及数据分析功能，并且简单方便，故选其作为开发预测程序的工具。根据预测方法，可以按图1所示的流程设计预测程序。

图1 预测流程图

预测程序通过输入必要的参数进行计算，最终输出以Excel表格呈现的噪声数据，包括各喷气噪声组分不同角度下、不同频率的声压级SPL，以及不同角度下的OASPL、dBA和PNL值。

3 预测实例

3.1 参数输入

选定CFM56-7B发动机，利用开发的程序预测其在最大转速下的静态喷气噪声。

如图2所示，预测点设在以外涵道喷口为中心，半径rs为45 m的半圆弧上，指向角θ范围为20°～160°，每间隔5°设立预测点，基本输入参数值如表4所示。

图2 预测点布局示意图

表4 基本输入参数

3.2 预测结果分析

表5给出了CFM56-7B喷气噪声OASPL、dBA及PNL的预测结果，为方便展示表中只列出了每隔10°的预测结果。可以发现，随着角度增大，三种噪声级的变化趋势都是先递增再减小，但噪声最大的方向略有不同。PNL的最大值在120°附近方向，说明此区域对人的烦扰程度最突出；dBA在140°附近出现最大值，在这个方向人感觉噪声的响度最大；OASPL的最大值出现在150°附近方向。综合三种噪声值可以得出，CFM56-7B发动机喷气噪声的指向主要在110°～160°范围内。

表5 OASPL、dBA、PNL预测值/dB

图3展示了30°、60°、90°、120°、160°方向上喷气噪声的1/3倍频程频谱图。可以看出，在不同角度方向上噪声频谱变化规律基本一致，即随频率增大，声压级先增大后减小，并且在大角度方向具有很高的低频噪声，小角度方向上中低频噪声相对较强，结果表明CFM56-7B发动机喷气噪声主要为低频或中低频噪声。

图3 几个角度下的噪声频谱

4 预测准确性

为确定算法的准确性，将预测结果与实验数据比较分析，结果发现，预测的OASPL随角度的变化，与实验测得的结果一致，对于不同角度方向的频谱特征也基本吻合。事实上，OASPL的最大预测误差为2 dB（图4）；对于噪声1/3倍频程频谱的预测，在120°、150°方向上有较高的准确度，最大误差不超过1.8 dB（图5、图6）；在30°、60°方向上，低频、与高频段上误差稍大，但最大误差不超过3dB，90°方向除高频部分有2个预测点误差约5d B，其余方向误差也小于3 dB。总体而言，误差在允许范围内，尤其是在100°～160°范围内，预测准确度高，这个范围也是发动机喷气噪声的主要指向区，因此，对于CFM56-7BV发动机喷气噪声的预测，该方法具有一定的优势。

图4 OASPL预测值与实验值比较

图5 120°方向预测频谱与实验值比较

图6 150°方向预测频谱与试验值比较

5 结语

研究了基于STONE模型的涡扇发动机静态喷气噪声预测方法，并开发相应的预测程序，最后预测得到CFM56-7B的静态喷气噪声数据，通过分析得到以下结论：

(1)CFM56-7B发动机喷气噪声的指向主要在110°～160°方向上，在此区域内，噪声响度大，给人较高的烦扰度。

(2)不同方向上，CFM56-7B发动机噪声频谱变化趋势一致，在大角度方向，低频噪声最强，小角度方向上，中低频噪声突出。

(3)基于STONE模型的预测方法具有好的预测精度，能够预测不同角度、不同距离的噪声频谱，进一步算出多个噪声评价参数，可应用于发动机噪声研究及适航审定工作。

[1]中国民用航空总局.CCAR-36-R1航空器型号和适航合格审定噪声规定[S].2007.

[2]刘锦虎，闫国华，谢福.利用航空发动机静态远场噪声数据预测飞行噪声级[J].噪声与振动控制，2012，32(2)：91-94.

[3]陈智强，闫国华，陈智华，等.基于静态发动机噪声测试数据的飞行噪声预测技术[J].航空维修与工程，2012(3)：52-54.

[4]STONE J R,KREJSA E A,CLARK B J,et al.Jet noise modeling for suppressed and unsuppressed aircraft in simulated flight[J].Rep Tm.,2009.

[5]乔渭阳.航空发动机气动声学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[6]张敦煜，闫国华.民用航空发动机燃烧室噪声预测[J].噪声与振动控制，2013，33(6)：134-138.

Static Jet Noise Prediction of a CivilAviation Turbofan

YAN Guo-hua,DENG Bo
(Sino-European Institute ofAviation Engineering,CivilAviation University of China, Tianjin 300300,China)

Jet noise is one of the main noise sources of engines,which directly affects the airworthiness certification of the aircraft.The data of static engine noise can predict the noise level and the airworthiness of the aircraft.So,it can save much time and costs.In this paper,based on the STONE jet prediction model,a method for prediction of jet noise of a civil aviation turbofan is proposed.A corresponding Matlab program is written and utilized to predict the jet noise of the engine CFM56-7B,which is the competitive engine of aircraft C919.The accuracy of this method is verified by comparing the results with those of a real noise test.

acoustics;jet noise;noise prediction;turbofan engine;static testing

V216.5+4

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.019

1006-1355(2016)06-0097-04

2016-07-13

闫国华(1964-)，男，陕西人，博士，教授，研究方向为飞机噪声控制、节能减排和航空噪声适航审定。

邓波（1991-），男，湖南省衡阳市人，硕士研究生在读，主要研究方向为发动机噪声。E-mail:bdeng15@163.com