航空发动机试车台噪声环境测试研究

杨明绥，刘凯，贾平芳，王萌，闫海蛟，冯敏

(中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015)

航空发动机试车台噪声环境测试研究

杨明绥，刘凯，贾平芳，王萌，闫海蛟，冯敏

(中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015)

航空发动机试车台噪声控制是试车台设计的关键技术之一，如何针对现有典型试车台开展噪声环境测试和评估，是航空发动机试车台噪声环境研究的一项重要内容，是设计和评估高品质试车台的重要技术手段。在我国典型试车台上，针对大涵道比涡扇发动机开展噪声测试和综合分析，分别完成了发动机噪声源特性分析、进排气塔消声和隔声分析、周围环境噪声分析等，并对试车台降噪设计关键问题进行了探讨，对今后试车台的降噪设计具有重要借鉴意义。

航空发动机试车台；噪声控制；噪声测试；大涵道比涡扇发动机；噪声源分析；进气塔；排气塔

1 引言

航空发动机台架试车是发动机研制过程中至关重要的环节，贯穿于发动机的预研、研制、生产和使用、改进和改型等全过程。因此，国内外对航空发动机试车台的设计十分重视，投入大量人力物力进行科研攻关，以满足不同类型、型号发动机试车试验要求。然而值得注意的是，在航空发动机试车台的选址和建造过程中，噪声控制俨然已成为试车台建设的一项十分重要的技术内容，以及试车台建设是否符合规范、设计是否先进的重要考核标准[1-2]。这是由于国内外航空发动机试车台设计规范中，均对操纵间、准备待试间、进排气塔外场30.0 m等处的噪声限值有明确的规定[3-5]。

航空发动机的噪声与一般声源产生的噪声不同，其具有强度大、声压级高、频谱(带)范围宽、危害广的特点，使得航空发动机试车台的噪声治理难度极大。随着我国对噪声污染问题的日益重视，加之新研制发动机向着流量大、推力高、叶尖马赫数大、喷流排气速度高等方向发展，必将使得航空发动机试车台的噪声控制难度加大，经费耗费巨大。据不完全统计，通常整个试车台降噪设施所需经费约占总基建投资的三分之一[6]。如2007年罗·罗公司建设的58号大型试车台，采用了具有降噪功能的双层顶盖结构(包含11 000 m3的混凝土结构及容量达1 000 t的进排气消声装置)，耗费巨大。而我国的上海航空发动机露天试车台和西安266号试车台，建成后因初期选址及论证等原因无法正常投入使用，使国家资源得不到充分合理利用[7]。因此，噪声问题已逐渐在试车台论证初期引起国内外的关注，需要在设计之初就进行详细论证，有针对性地开展降噪设计。

对声源特性的准确把握和合理的降噪设计，是航空发动机试车台降噪的两个关键问题，国内对此进行了大量研究。1993年，张元周[8]对停放在停机坪上的东方航空公司的飞机上的B1213发动机进行了远场噪声测试。1994年，606所对该机远场噪声信号进行了1/3倍频程频谱分析。金业壮等[9]对航空发动机台架试车噪声进行了声压级测量，通过细化谱分析等定性和定量手段，获取了该发动机的声学特性。1996年，孙松岭等[10]对航空发动机试车台试车时发动机产生噪声的机理及频谱特性进行了细致的分析和研究，得到了试车台噪声主要是呈现中高频频率特性、连续宽带的空气动力性噪声的结论。1999年，沙云东等[11]结合涡喷发动机台架试验进行了声强测量和声源识别，讨论了该型发动机的噪声级、主要噪声源及其特征，并进一步指出：低转速时发动机噪声以压气机叶片通过频率处的离散纯音为主，随着转速的增加喷流声上升为主要成分，转速最大时压气机离散纯音在高频段仍有出现，但喷流噪声占绝对主导，喷流噪声峰值频带集中在250～1 000 Hz，中间状态时最高声强级达150 dB，最大声功率达160 dB。2006年，黄晶晶等[12]基于航空发动机试车台噪声的声功率谱分析技术，对涡桨发动机试车噪声的声功率谱进行了分析；2012年，王娜等[1]为掌握涡扇发动机在室内试车时的噪声特性，并检验试车台建筑物和各项降噪设备的效果，对某新建试车台的声环境进行了现场测量，获取了试车台内、外环境噪声数据及各项降噪设备的降噪效果。在降噪设计方面，试车台的进/排气消声器是降低发动机噪声对外部污染的重要手段。其中阻性消声器适于降低中、高频噪声，抗性消声器适于降低中、低频噪声[8，13]。牛延云等[14-15]针对国内发动机台架试车过程中排气噪声抑制效果差的缺点，突破国内传统工艺，提出一种内插管扩张室消声器，并在606所A109试车台的排气消声塔上得到应用，获取了较好的效果。目前，国内新建试车台数量不少，但公开发表的全面进行事后评估降噪设计效果的报告不多。从少量公开的文献和报告中发现，从设计之初就充分评估待设计试车台噪声源，并有针对性的开展降噪设计、评估的工作更加少之又少。

随着我国航空发动机事业的不断进步发展，我国将开展各种先进试车台的设计与建设工作。在此背景下，如何准确给出能反映我国在研航空发动机的噪声源强度及频谱特性，如何总结和提炼已有试车台降噪技术手段，并给出测试评价，就显得十分重要且具有很强的工程技术价值。

本文基于国内某先进试车台，着重阐述了其主要降噪措施和相关特点，然后在某型大涵道比涡扇发动机试车时完成了试车台噪声、进排气消声塔噪声及外部环境噪声的测试，详细分析了该发动机的声源特性，并以此为基础分析了试车台各项降噪措施的消声、隔声特性。一方面摸清了该型发动机噪声源特征，另一方面对我国典型航空试车台降噪措施进行了测试评估。

2 航空发动机试车台

2.1 试车台总体情况

该航空发动机试车台于2013年12月建成，可满足我国在研多种型号发动机整机的常规试车任务。试车台厂房采用垂直进、排气，屋顶悬挂式试车台架，一次进气、一级引射的设计方案。试车台主要布局见图1。试车台主要技术指标：试车间截面积12.0 m×12.0 m，发动机中心标高6.0 m，试车间最大空气流量高于1 500 kg/s。

2.2 进气消声塔

进气消声塔(简称进气塔)塔高为25.0 m，横截面为12.0 m×12.0 m，墙壁结构为600 mm厚混凝土。进气塔采用比较先进的矩阵式消声器(图2)。这种消声器具有以下特点：①能最大化提高降噪频率范围，且整个消声段都参与消声，降噪效果明显；②流阻系数小，气动性能好；③易于安装和检修维护；④吸声面面积大，降噪效率高，体积小。

2.3 排气消声塔

排气消声塔(简称排气塔)塔高为33.5 m，横截面为19.0 m×19.0 m，墙壁结构组成为300 mm混泥土/ 370 mm普通砖/190 mm消声砖。排气塔采用比较先进的内插管式消声器(图3)。这种消声器专业用于航空航天发动机试车台及中低频噪声高的降噪项目中，可进行分频降噪，且降噪频带宽。尤其是针对低频噪声降噪量极大，属抗性消声器。

3 噪声测试方案

3.1 试验用发动机

试验用发动机为某型大涵道比涡扇发动机。该发动机由风扇、增压级、高压压气机、短环形燃烧室、高压涡轮和低压涡轮组成，内外涵分别排气。发动机试车程序为，起动-慢车(3 min)-95%高压压气机转子转速(2 min)-最大状态(1 min)-85%高压压气机转子转速(2 min)-89%高压压气机转子转速(1 min)-慢车(2 min)。本次测试采用声压传感器直接测量声压，当发动机达到目标工作状态时进行数据采集。获取发动机在慢车状态、最大状态下的噪声源特征及其强度；在发动机最大状态下获取进/排气塔的噪声源输入、输出强度，获取进/排气塔的消声效果；获取试车台周围的噪声分布及传播，进行环境噪声影响评估分析；有针对性地对试车台的噪声控制措施进行分析，为今后降噪设计提供依据。

3.2 噪声测点位置

噪声测试共选取10个噪声测点，其中地面测点8个，高空测点2个。具体测点位置如图4所示。

噪声测点可分为进气端组、室内组和排气端组。

(1)进气端组：包括测点1、测点3、测点8和测点9。其中测点1为高空测点，位于进气塔口前缘与发动机中心线交汇处；其他3点为地面测点，均距地面1.5 m高。测点3距试验间墙壁1.0 m，测点8、测点9在室外距西面外墙壁分别为30.0 m和50.0 m。

(2)室内组：包括测点2和测点4，均为地面测点，距地面1.5 m高。测点2距发动机进口23.0 m，测点4距发动机外涵喷口1.5 m，与发动机排气方向约为90°。

(3)排气端组：包括测点5、测点6、测点7和测点10。其中测点5为高空测点，位于排气塔口后缘与发动机中心线交汇处；其他3点为地面测点。测点6、测点7在室外，分别距东面外墙壁1.0 m、20.7 m，高均为1.5 m；测点10在室外厂界处的墙壁上，距试车台东面外墙壁33.0 m，高4.4 m。

3.3 测试系统

测试系统包括传感器、放大器和数据采集系统。传感器采用BK4191型传感器，该型传声器可用于较宽频带范围、高精度的自由声场测量。外部极化的4191型传感器与2669L型前置放大器一起使用，如图5所示。数据采集系统采用BBM公司的Mueller BBM MKⅡ硬件系统，如图6所示。

4 测试结果及分析

4.1 各测点总声压级

在发动机慢车和最大状态下测量得到的各个测点总声压级如图7所示。可见，测点2和测点4距离发动机较近，具有很高的噪声强度，是试车台降噪需考虑的核心对象。测点2和测点4的测量结果可作为进气消声塔的降噪设计输入，对其进行深入分析，一方面能得到进气和排气系统的降噪特性，完成对试车台现有降噪措施的评估；另一方面还能获得该类发动机的主要噪声源特性及强度预估，对于新建试车台具有重要的指导意义。

4.2 主要噪声源特性分析

对于大涵道比涡扇发动机，其主要噪声源为风扇噪声和喷流噪声。

4.2.1 风扇噪声源特性分析

风扇噪声主要由叶片通过频率(也称BPF)噪声构成，而叶片通过频率噪声主要包括转子叶片周期性压缩空气引起的噪声和转静干涉噪声两部分。叶片通过频率噪声的特征是以叶片通过频率为基频，同时还要考虑其谐频(为基频的整数倍频)。叶片通过频率fi⋅BPF可按下式计算：

式中：B为转子叶片数，N为转子转速，i为叶片通过频率谐波数。

测点2主要来自于发动机的风扇前传噪声，因此可通过测点2的测试结果分析风扇前传噪声源的特性。从图8中可看到，发动机风扇前传噪声源主要表现为离散噪声特性，其主要噪声成分为BPF、BPF倍频及与BPF相差为轴频及整数倍轴频的激波噪声。测点4主要来自于风扇后传噪声和喷流噪声，从图9中可看到风扇后传噪声与前传噪声类似，具有强烈的离散声源特性。但测点4的BPF噪声强度更大，比测点2的BPF噪声还要高8.0 dB(A)。

4.2.2 喷流噪声源分析

大涵道比涡扇发动机的喷流噪声由混合噪声、激波噪声和尖塞上的流动脱体噪声组成。由于双涵道的喷流由发动机主喷流和风扇出口喷流组成，喷流噪声和激波噪声可按声源位置分为内涵、外涵和双涵道合并的噪声，如图10所示[16]。喷流的混合噪声来源于喷流中湍流的混合过程。对于双涵道发动机，喷流中湍流的混合过程主要包括：外涵道风扇出口喷流与静态介质的混合，内涵道发动机主喷流与风扇出口喷流的混合，以及双涵道喷流与静态介质的混合。混合噪声的频谱特征都为宽频，但其各自的声源位置和特征频率有很大的不同；喷流的激波噪声仅存在于超声速喷流中，源于喷流中的激波与湍流的相互作用，也是宽频噪声。

由于在最大转速状态时，大涵道比涡扇发动机的声源主要以风扇噪声为主，加之喷流噪声主要表现为宽频噪声，在测试频谱中很难分离。因此本文将试验测得的频谱与Tam[17-18]的两声源理论拟合出的频谱曲线进行对比，来确定喷流声源的频带范围，进而完成喷流声源分离。根据Tam的两声源理论，喷流噪声向上游和向下游传播的频谱存在较大差异，根据喷流噪声频谱的自相似性，并结合大量试验数据，Tam给出了喷流噪声频谱的经验公式：

式中：S代表频谱，F、G分别为下游方向和上游方向频谱经验公式，A、B、Dj由试验工况和喷口尺寸决定，fL和fH为与频率有关的经验参数。

按公式(2)计算得到的该发动机的喷流噪声如图11所示。可见，喷流噪声主要集中在5～630 Hz频率范围内，表现为宽带噪声源特性。基于图11结果，采用最小二乘拟合法对图9所示结果进行拟合，进而可得到喷流噪声强度。经分析，喷流噪声强度比风扇噪声要低12.0 dB(A)。

综上，发动机本身最主要的声源主要由风扇噪声和喷流噪声两部分构成。针对这种声源特性，在对整个试车台进行消声设计时，应兼顾风扇噪声源和喷流噪声源的频率范围与强度，开展针对性设计。

5 试车台降噪措施分析

5.1 进气塔墙壁隔声量分析

进气塔墙壁的隔声量可由测点2和测点3的测试结果近似得出，其中测点3的测试结果如图12所示。结合图8、图12的频谱测试结果，可得到进气塔墙壁的1/3倍频程隔声量分析结果，如图13所示。进气塔墙壁隔声量为69.2 dB(A)，在5 000 Hz处最大，最大值为78.3 dB(A)。主要隔声频率段400 Hz以上，此范围内隔声量均在60.0 dB(A)以上。

5.2 进气塔消声量分析

进气塔的消声量可由测点2和测点1的测试结果近似得出，其中测点1的测试结果如图14所示。结合图8、图14的频谱测试结果，可得到进气塔的1/3倍频程消声量分析结果，如图15所示。进气塔总消声量为48.0 dB(A)，在800 Hz处最大，最大值为52.7 dB(A)。主要消声频率段125～4 000 Hz，此范围内消声量均在40.0 dB(A)以上。

5.3 排气塔墙壁隔声量分析

排气塔墙壁的隔声量可由测点4和测点6的测试结果近似得出，其中测点6的测试结果如图16所示。结合图9、图16的频谱测试结果，可得到进气塔墙壁的1/3倍频程隔声量分析结果，如图17所示。排气塔墙壁隔声量为76.5 dB，在10 000 Hz处最大，最大值为92.5 dB(A)。主要隔声频率段200 Hz以上，此范围内隔声量均在60.0 dB(A)以上。

5.4 排气塔消声量分析

排气塔的消声量可由测点4和测点5的测试结果近似得出，其中测点5的测试结果如图18所示。结合图9、图18的频谱测试结果，可得到排气塔的1/3倍频程消声量分析结果，如图19所示。排气塔总消声量为60.7 dB(A)，在10 000 Hz处最大，最大值为78.4 dB(A)。主要消声频率段400 Hz以上，此范围内消声量均在50.0 dB(A)以上。

通过以上分析可以发现：在墙壁隔声方面，排气塔墙壁隔声效果明显比进气塔墙壁的好，这是因为在排气塔端周围的墙壁结构组成为300 mm混泥土、370 mm普通砖及190 mm消声砖，而在进气塔端周围的墙壁结构为600 mm混泥土。

5.5 环境噪声评价

根据我国现行的《声环境质量标准》[19]中对五类声环境功能区的环境噪声限制值的规定，该试验台周围区域属于第二类。其限制值为昼间上限60.0 dB(A)，夜间上限为50.0 dB(A)。根据图7中发动机在最大状态下各测点的噪声值，在厂房边界围墙处的测点10，其A计权声压级已降到50.0 dB(A)，满足国家标准对试验台周围环境噪声的要求。同时，也进一步说明该试车台的消声措施对于大涵道比涡扇发动机试车时的噪声抑制效果很好，满足设计要求。

6 结论及探讨

以国内某先进试车台为基础，针对某型大涵道比涡扇发动机进行了噪声测试分析。一方面摸清了该型发动机的噪声源特征，另一方面对我国典型航空发动机试车台的降噪措施进行了测试评估，其内容可以反映当前试车台降噪设计关键问题的能力与水平。主要获得如下认识：

(1)该试车台各降噪措施合理有效，在某型大涵道比发动机试车过程中满足环境噪声的限制要求。但同时还应注意，本次测试对象为大涵道比涡扇发动机，其主要噪声源为高频段风扇噪声，因此本次测试分析结果仅能反映该试车台及其现有降噪措施对该发动机的降噪效果。

(2)发动机达到最大状态时，排气塔周围噪声存在不均匀特性。隔声门附近噪声要大于其他地方，因此在注重隔声门选型和降噪设计的同时，还需注意排气塔塔体、引射间墙体及各墙体缝隙的降噪设计处理，进一步提高土建的隔声效果。

(3)对于具有加力状态的军用发动机，其低频(630 Hz以下)噪声将急剧增加，设计该类发动机试车台时应对进/排气塔的低频降噪引起足够重视。

(4)进/排气塔的输入声源不仅包含高频的风扇噪声，还包括低频的喷流噪声。因此在进/排气塔设计过程中应根据各频段声源的特性及能量大小，综合考虑全频段的降噪设计。如当进/排气塔声源较大时，要考虑双层墙体结构以提升隔声效果。

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Noise environment test and analysis of an aero-engine test cell

YANG Ming-sui，LIU Kai，JIA Ping-fang，WANG Meng，YAN Hai-jiao，FENG Min
(AECC Shenyang Engine Research Institute，Shenyang 110015)

Noise control of an aero-engine test cell has become one of the crucial technologies in the de⁃sign of test cell.Therefore,the noise surrounding test and analysis,a significant part in the research of the aero-engine test cell,are important means to design and assess high-quality test cell.Based on a certain type of high bypass ratio turbofan engine,noise test and analysis were conducted on a typical test cell.Char⁃acteristics of noise source,noise reduction and insulation of inlet and outlet tower,and surrounding noise were analyzed,respectively.In addition,critical issues on the design of test cell noise reduction were dis⁃cussed,providing significant reference to the future design of test cell noise reduction.

aero-engine test cell；noise control；noise test；high bypass ratio turbofan engine；noise source analysis；intake tower；exhaust tower

V263.4+7

：A

：1672-2620(2017)01-0018-07

2016-09-26；

：2017-02-13

杨明绥(1980-)，男，辽宁沈阳人，高级工程师，博士，现从事航空发动机噪声控制技术研究。