民用飞机客舱舱门啸叫问题研究

2020-07-06杨小军武戎戎

民用飞机设计与研究 2020年2期

吴斌杨小军韩峰武戎戎

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

0 引言

飞机舱内噪声是影响乘客舒适性的一项重要指标[1]。由于飞机功能需要，客舱舱门与门框之间存在间隙，该种间隙容易导致气密区界面小缝泄漏问题以及在飞机外表面形成凹腔,在飞机飞行中产生啸叫噪声，对乘客和乘务员的乘坐舒适性有较大影响。

民用飞机客舱舱门啸叫机理种类主要为气密区界面小缝泄漏产生高速射流啸叫和飞机外面凹腔在高速飞行下产生凹腔噪声。气密区界面小缝泄漏产生高速射流啸叫直接原因为客舱舱门存在明显的集中漏气点，可通过在地面完成客舱充压试验定位集中漏气位置，通过调试舱门等手段解决集中漏气问题，进而解决啸叫问题。飞机外表面凹腔在高速飞行下产生凹腔噪声啸叫与飞机飞行高度和飞行速度关系密切，啸叫现象无法在地面复现，解决难度较大。

文献[2]提出通过密封带来实现舱门与门框之间缝隙的隔音，在舱门内部覆盖隔音绝热块或在舱门内填充硬质泡沫塑料实现舱门门体壁板的隔音。由于舱门内部存在大量运动机构、支架及贯穿式结构，舱门内部无法覆盖完整的隔音绝热材料，被动降噪方法的降噪效果有限，并且会增大飞机重量[1]。文献[3]和文献[4]总结了飞机常见的异响种类以及对应的解决方法，文献[5]研究了大量包括机身和发动机在内的降噪技术，文献[6]研究了大角度进近降低外界环境噪声的方法，然而针对民用飞机客舱舱门啸叫问题未能提出有效的解决方案。因此，本文通过研究客舱舱门啸叫产生的原理，提出了一种定位客舱舱门啸叫源的方法，并针对民用飞机客舱舱门啸叫问题提供了一种改变啸叫源结构形式以避免啸叫产生的方法。

1 传递路径

民用飞机客舱舱门啸叫问题，啸叫源引发的激励实质可转化为噪声源与振动源，理论上可通过空气传递与结构声传递，影响内部声压级[7-8]。空气传递通过间隙、凹腔、通孔传递噪声能量形成声辐射，结构声通过激励结构框、梁与板等的振动传递振动能量形成声辐射，在实际情况中噪声与振动传递则往往是两种模式交替与混合进行。

按照民用飞机客舱舱门的结构形式，啸叫传递途径包括结构外侧的蒙皮，泄漏点；舱门内部的结构框架(加强框、机构件)，填充隔热隔声层，结构与结构之间、隔热隔声层与结构之间、隔热隔声层与内装饰之间、结构与内装饰之间存在的凹腔、通孔与间隙；舱门的内装饰与内装饰未遮蔽区透声等。

基于上述分析，根据啸叫源的频率特性，啸叫传递路径为：啸叫源-客舱舱门蒙皮尖壁-客舱舱门蒙皮-客舱舱门结构内侧凹腔-内装饰未遮蔽-舱内噪声。啸叫传递路径分析如图1所示。

图1 客舱舱门啸叫传递路径图

2 啸叫机理

当气流流过凹腔区域，在凹腔顶部产生气流扰动，在凹腔内产生气流回旋，会产生声波波动，当凹腔尺寸(深度D与航向长度L)一定后，飞行达到特定的高度与速度时，声波在凹腔周围刚性结构与顶部高速气流形成凹腔中复杂激荡，在凹腔航向后沿产生量级较高的纯音噪声源。其机理可通过Rossiter提出的涡运流声反馈模型[9]解释，即气流经过机身表面凹腔，在开口凹腔的前缘形成振荡剪切层，前缘脱落的漩涡向下游传播，撞击凹腔后缘从而形成声波，其中一部分向上游传播到达凹腔前缘，当频率与凹腔模态(由凹腔尺寸确定)匹配合适时，会加剧剪切层的振荡和漩涡脱落，形成一个自激反馈系统，产生一系列叠加在宽频湍流噪声上的纯音。Rossiter基于上述振荡机理提出凹腔流动振荡频率方程如式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：

Stn为振荡的第n阶Strouhal数；fn为振荡的第n阶频率；L为凹腔长度；U∞和M∞分别为来流速度和Mach数；n为模态阶数；α和kv是由实验确定的经验常数；α为声波到达上游时凹腔前缘脱落相互作用而产生的时间滞后；kv与涡运流速度与主流速度的比值有关，一般对浅凹腔(L/D≥2) ，α=0.25，kv=0.57[10]。

某型飞机客舱舱门与门框的间隙间存在凹腔，并且舱门蒙皮边缘伸出产生尖壁，形成的缝隙剖面如图2所示。根据凹腔的自激振荡物理模型，如果客舱舱门与门框的间隙较大，气流窜入量引起凹腔内气流扰动剧烈，引起尖劈受迫振荡通过客舱舱门蒙皮传递高频噪声(啸叫)传入客舱内部。

图2 舱门门缝间隙剖面

此类带尖壁凹腔啸叫量级与凹腔尺度关系密切。某型飞机客舱舱门区域啸叫与飞行参数对应关系如图3所示。舱门打开状态下，舱门蒙皮边缘伸出的尖壁与其下方密封件距离较近(部分区域甚至贴合)；而当舱门关闭、飞机飞行高度为6 000 ft～15 000 ft(或地面增压4 psi～5 psi)，舱门结构受压往机身外侧移动，密封件与门框挡件挤压，使尖壁与密封件之间形成一个腔体，在高速气流(飞行速度250 kts～280 kts)扰动下产生明显啸叫；而随着飞机高度继续升高(或地面增压7 psi以上)，密封件会因内外压差增加而逐渐向机身外侧鼓胀，逐步填塞尖壁与密封件之间形成的腔体，啸叫减至不易识别甚至消失。

图3 啸叫与飞行参数对应关系图

将啸叫频率与飞行参数代入式(2)计算，引起啸叫的凹腔长度约8 mm，检查飞机客舱舱门与机身门框之间的间隙，顺航向后侧直线段8个测量点位的间隙值为8 mm～9 mm，可确定啸叫源为顺航向后侧直线段区域。

3 解决方案及试验验证

根据Rossiter提出的凹腔流动震荡频率方程可知，凹腔引发的啸叫一旦产生后，啸叫峰值频率随速度增加而增加，随高度增加而降低，随凹腔间隙长度减小而减小。因此，可通过减小凹腔间隙长度降低啸叫频率。

飞行试验表明，在修切客舱舱门顺航向后侧直线段蒙皮之前，飞机完整的一个飞行循环无啸叫现象；在修切客舱舱门顺航向后侧直线段蒙皮之后，飞机在飞行中出现啸叫现象；对客舱舱门顺航向后侧直线段区域填角密封，填充了尖壁下方腔体，如图4所示，飞机完整的一个飞行循环无啸叫现象。抑制措施实施前后噪声频谱对比，如图5所示。