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摘要：航空发动机的试车噪声进行了现场采集和分析，通过对发动机噪声信号的分析，得到发动机工作的状态信息、，对航空发动机试车台噪声环境进行初步评估，为发动机试车台的降噪设计以及试车台的选址建造提供了参考。实践表明噪声测量研究不仅是降低发动机噪声的必要途径，也是发动机结构和性能故障诊断的一种辅助手段。
关键词： 航空发动机 试车噪音 生功率谱分析
中图分类号： S219.031 文献标识码： A
一、噪声信号分析
声波与振动紧密相关，任何机械振动都会激发周围既有弹性又有惯性的空气做疏或密交变的压缩波向外传播，形成声波。人耳接收到这种空气压力的扰动，由听觉神经传至大脑使人听到的声波称为声音。人耳听觉范围为20Hz~20KHz,低于20Hz的声波叫次声，高于20KHz的声波叫超声.
引起空气质点振动的物体叫声源，传播声波的物质叫媒质。声源与媒质是产生声波的必要条件。常见的媒质有气体、液体和固体，在气体中声波的传播方向与质点振动位移的方向相同，称为压缩波或纵波。在液体中声波的传播方向与质点运动方向相垂直，被称为剪切波或横波。在固体中声波传递复杂，既有纵播也有横波。本文只讨论声波在空气中的传播问题。声波传递的空间称为声场，声场的存在说明了声波的矢量性。振动量(位移、速度和加速度)只是时间的函数而声波的波动量(声压、声强等)不仅是时间的函数同时也是空间的函数。
人耳对声音有很高的灵敏度和极大的动态范围。从听觉心理上讲，人们可以把不想要的声音都列为噪声。它与听者的主观要求密切相关。比如舞者可以把一首歌视为乐音，而想要入睡的人可能认为这是一种噪声。因此噪声与声波本身的特性并没有必然的关系。
在物理上单一振动频率的声波，使人听到的声音叫純音。例如音叉在自由振动时所发出的声音。许多相互有关的纯音组成复音，人们听到的音乐大多为复音。复音中频率最低的谐音称为基音，其余的都称为基音的泛音。从这个意义上讲噪声也可定义为许多不同频率与强度的声波无规律的、间歇的或随机的组合。这种噪声声波在时域为杂乱无章的信号，在频域是一个连续的宽带频谱。在稳定的噪声声场中应该有稳定的噪声特征参数。
通常机械结构都比较复杂，例如车、船、飞机或机床等都是由许多元件所组成，工作原理也异常复杂，所以它们的工作噪声通常是复杂的函数，检测到的声波信号也是如此。在机械学中人们往往把复杂的运动系统简化为线性系统，认为复杂振动形态是许多简谐振动的线性组合。这种假设虽不十分严谨，但是在工程上却很实用，既保持了一定的分析精度又简化了分析的方法。
二、发动机试车噪声分析
试验与研究中采用的测量分析系统见图1，主要由NI-DAQ6024E采集卡、日本RION公司生产的NI-60型声级计和计算机组成该系统。
图1噪声信号采集、处理系统
由于风吹到传声器上时，传声器膜片上压力会产生变化，从而引起风噪声。为了降低风噪声的影响，选用一种用多孔尼龙细网做成的风罩，将风罩套在电容传声器头上，就可以大大衰减风噪声，而对于声音却无衰减，从而提高了在有风环境下测量的准确性.
在实现数据采集过程中，采用NI一DAQ6024E便携式采集卡，这款采集卡最大采样率可达200kS/s，输入电压为±0. 05V到±10V，采集速度快，满足噪声采样的要求且体积很小，可以直接插入笔记本电脑中，将声级计与计算机方便的联系起来，对于实地采集非常有利。
在实际测量中，将声级计前端探头和后边的数字显示表用30米的延长线连接，使和计算机连接的显示表部分与试验人员一起，而让前端的探头在延长线的移动范围内活动，这样不仅利于室内的安装也利于室外噪声的移动测量。
试车工作时除发动机这个主要噪声源外，还有来自厂房表面复合反射形成较为复杂的混响声场。混响的程度与房间大小、壁面的吸声系数有关。为减少这种混响效果，目前试车间内都采用了一定的降噪设计，如在试车间及进气部分，观察间内壁广泛采用内填玻璃丝绵的吸声筒或板，主要用以吸收250Hz以上的噪声能量。排气部分采用消音引射筒加装特制的消音墙结构。观察间与设备间通道加装两组双层门构成的消音斗室。采用侧面观察窗结构，减小双层观察窗面积，采用工业电视作为辅助观察手段。增设传感器间，广泛采用电动操纵杆，尽量减少由试车间直通观察间的接管箱，进入观察间的测试及控制电缆均采用全封闭的电桥桥架，并用玻璃丝绵填封电缆桥架或地沟内的气隙，所以被测环境可以认为属于半混响声场，应该指出要在现有条件下详细进行试车间、观察间室内声学的各种观测比较困难，但是利用混响条件下室内声场在很大范围内基本为不变值这一特点，选取适当的观测点即可方便地求出室内噪声声压级。由于仪器的限制，在距声源6米的地方安装了声级计的探头，进行了试车间内整体噪声的测量。
除了混响声场的影响，还要考虑其它声源的存在而产生的背景噪声对测量结果的影响。背景噪声的存在对噪声测量的影响是:它增加了我们要测量的噪声。背景噪声会影响测量的准确性，但可以按照图2进行修正。例如测量某发动机噪声，当机器未开动时，测量背景噪声为76dB，开动机器测得总噪声级(包括机器噪声和背景噪声)为83dB，两者之间相差7dB，查图曲线，修正值为1dB,于是机器的噪声值为82dB.
图2背景噪声影响的修正
比较粗略的修正方法是:两者之差为3dB时，应在总噪声级中减去3dB;两者之差为4~5 dB时，应减去2 dB;两者之差为6-~-9dB时，应减去1 dB;当两者之差大于10 dB时，则背景噪声的影响可以忽略。事实上，对于本次测量的环境，试车间内的试车噪声远远大于本底噪声10dB以上，所以在试车间内的测量可以不考虑本底噪声的影响。
三、WP-7发动机噪声实测数据分析
本次试车类型为工厂试车，对额定、慢车这两个状态进行了实时监测。采样长度为8192，采样率为20K，当时的大气压力为99. 14Pa，大气温度为30℃.
根据空气动力性噪声的产生机理及气动声学，作用于气体单位体积的广义力对空间发生变化，引起空气振动和压力变化，从而产生具有偶极子辐射效应的旋转离散噪声。其频率实质上就是在单位时间内对空气质点的打击次数或气流的脉动次数，也称为叶片通道频率:
其中，B为转子叶片数，n为发动机转子转速，k为谐波数(1, 2, 3...)
则转子叶片数为:
被测发动机叶片数如下：
一级压气机叶片24片
二级压气机叶片53片
三级压气机叶片51片
四级压气机叶片66片
五级压气机叶片72片
WP-7发动机试车间内各种状态下声功率谱分析(线性计权):
1、在额定状态下(119dB )，低压转子转速为10369r/min，高压转子转速为11367r/min。
基频:低压转子旋转频率f1=10369/60=172.8Hz，
高压转子旋转频率f2=11367/60= 189.5Hz
1/2倍频程:
2阶谐频:2f1=345.7 Hz, 2f2=378.9 Hz
3阶谐频:3f1=518.5 Hz, 3f2=568.3Hz
4阶谐频:4f1=691.3 Hz, 4f2=757.8 Hz
其声功率谱分析如图3所示:
图3额定状态下声功率潜分析
峰值最高点对应频率为f=378.7Hz，是高压压气机二阶谐频，此频率对应高压压气机二阶谐波;频率f=756.8Hz时，为高压压气机四阶谐频，此频率对应高压压气机四阶谐波;当f = 4109Hz,n=10369r/min，k取1，频率f=4109Hz处为低压压气机一级叶片产生的旋转噪声。
2、在慢车状态下(106dB )，即低压转子转速为3780r/min，高压转子转速为6055r/min，其声功率谱分析如图 4所示:
图4慢车状态下声功率谱分析
涡喷发动机最主要的旋转部件是压气机和涡轮。发动机在经过良好的动、静平衡后，旋转可能出现的固体噪声会被抑制，但工作叶片高速旋转，加上静止叶片的影响，造成了发动机内部的紊流和大量涡流，这种在局部概念上的不稳定流动所产生的剧烈气体压力变化，是一个占显著地位的气动噪声源，它仅次于喷气噪声。涡喷发动机地面试车产生噪声的最主要声源为排气射流噪声，而排气噪声具有宽频带特性，声谱上特征频率不明显。但压气机旋转产生的离散音则在声谱上表现为现状，较易识别。
此次试验的WP一7发动机在试车间内起发吹风状态下的背景噪声为86. 4dB,通过对WP一7在额定和慢车这两个状态下噪声功率谱分析，可以得到压气机旋转噪声分量，它具有高频离散特性，在高频部分出现的峰值频率为压气机各级叶片通过频率，这部分高频离散纯音主要指压气机叶片产生的旋转噪声，在低频部分是宽带噪声，主要指喷流噪聲，最大峰值的频率几乎都出现在发动机压气机基频或者谐频附近。
结语：随着人们环保意识的加强，在以人为本、追求工农业可持续发展的今天，研究和治理噪声问题引起了更加广泛的重视。以计算机为核心，基于虚拟仪器技术的发展，为开发新型通用的噪声分析仪器创造了条件，丰富了噪声分析系统的功能，并且集成化的体系结构也降低了噪声分析系统的开发和维护成本，可以看出，利用计算机技术对噪声进行采集、分析是一项很有意义的工作。
参考文献：
[1]沙云东，盛元生，涡喷发动机台架试验声强测量技术研究[J]，沈阳航空工业学院学报，199815(4):1 ~10
[2]刘波，王掩刚，高丽敏，涡扇发动机噪声控制技术分析，民用飞机设计与研究，2000(4) :11一13
关键词： 航空发动机 试车噪音 生功率谱分析
中图分类号： S219.031 文献标识码： A
一、噪声信号分析
声波与振动紧密相关，任何机械振动都会激发周围既有弹性又有惯性的空气做疏或密交变的压缩波向外传播，形成声波。人耳接收到这种空气压力的扰动，由听觉神经传至大脑使人听到的声波称为声音。人耳听觉范围为20Hz~20KHz,低于20Hz的声波叫次声，高于20KHz的声波叫超声.
引起空气质点振动的物体叫声源，传播声波的物质叫媒质。声源与媒质是产生声波的必要条件。常见的媒质有气体、液体和固体，在气体中声波的传播方向与质点振动位移的方向相同，称为压缩波或纵波。在液体中声波的传播方向与质点运动方向相垂直，被称为剪切波或横波。在固体中声波传递复杂，既有纵播也有横波。本文只讨论声波在空气中的传播问题。声波传递的空间称为声场，声场的存在说明了声波的矢量性。振动量(位移、速度和加速度)只是时间的函数而声波的波动量(声压、声强等)不仅是时间的函数同时也是空间的函数。
人耳对声音有很高的灵敏度和极大的动态范围。从听觉心理上讲，人们可以把不想要的声音都列为噪声。它与听者的主观要求密切相关。比如舞者可以把一首歌视为乐音，而想要入睡的人可能认为这是一种噪声。因此噪声与声波本身的特性并没有必然的关系。
在物理上单一振动频率的声波，使人听到的声音叫純音。例如音叉在自由振动时所发出的声音。许多相互有关的纯音组成复音，人们听到的音乐大多为复音。复音中频率最低的谐音称为基音，其余的都称为基音的泛音。从这个意义上讲噪声也可定义为许多不同频率与强度的声波无规律的、间歇的或随机的组合。这种噪声声波在时域为杂乱无章的信号，在频域是一个连续的宽带频谱。在稳定的噪声声场中应该有稳定的噪声特征参数。
通常机械结构都比较复杂，例如车、船、飞机或机床等都是由许多元件所组成，工作原理也异常复杂，所以它们的工作噪声通常是复杂的函数，检测到的声波信号也是如此。在机械学中人们往往把复杂的运动系统简化为线性系统，认为复杂振动形态是许多简谐振动的线性组合。这种假设虽不十分严谨，但是在工程上却很实用，既保持了一定的分析精度又简化了分析的方法。
二、发动机试车噪声分析
试验与研究中采用的测量分析系统见图1，主要由NI-DAQ6024E采集卡、日本RION公司生产的NI-60型声级计和计算机组成该系统。
图1噪声信号采集、处理系统
由于风吹到传声器上时，传声器膜片上压力会产生变化，从而引起风噪声。为了降低风噪声的影响，选用一种用多孔尼龙细网做成的风罩，将风罩套在电容传声器头上，就可以大大衰减风噪声，而对于声音却无衰减，从而提高了在有风环境下测量的准确性.
在实现数据采集过程中，采用NI一DAQ6024E便携式采集卡，这款采集卡最大采样率可达200kS/s，输入电压为±0. 05V到±10V，采集速度快，满足噪声采样的要求且体积很小，可以直接插入笔记本电脑中，将声级计与计算机方便的联系起来，对于实地采集非常有利。
在实际测量中，将声级计前端探头和后边的数字显示表用30米的延长线连接，使和计算机连接的显示表部分与试验人员一起，而让前端的探头在延长线的移动范围内活动，这样不仅利于室内的安装也利于室外噪声的移动测量。
试车工作时除发动机这个主要噪声源外，还有来自厂房表面复合反射形成较为复杂的混响声场。混响的程度与房间大小、壁面的吸声系数有关。为减少这种混响效果，目前试车间内都采用了一定的降噪设计，如在试车间及进气部分，观察间内壁广泛采用内填玻璃丝绵的吸声筒或板，主要用以吸收250Hz以上的噪声能量。排气部分采用消音引射筒加装特制的消音墙结构。观察间与设备间通道加装两组双层门构成的消音斗室。采用侧面观察窗结构，减小双层观察窗面积，采用工业电视作为辅助观察手段。增设传感器间，广泛采用电动操纵杆，尽量减少由试车间直通观察间的接管箱，进入观察间的测试及控制电缆均采用全封闭的电桥桥架，并用玻璃丝绵填封电缆桥架或地沟内的气隙，所以被测环境可以认为属于半混响声场，应该指出要在现有条件下详细进行试车间、观察间室内声学的各种观测比较困难，但是利用混响条件下室内声场在很大范围内基本为不变值这一特点，选取适当的观测点即可方便地求出室内噪声声压级。由于仪器的限制，在距声源6米的地方安装了声级计的探头，进行了试车间内整体噪声的测量。
除了混响声场的影响，还要考虑其它声源的存在而产生的背景噪声对测量结果的影响。背景噪声的存在对噪声测量的影响是:它增加了我们要测量的噪声。背景噪声会影响测量的准确性，但可以按照图2进行修正。例如测量某发动机噪声，当机器未开动时，测量背景噪声为76dB，开动机器测得总噪声级(包括机器噪声和背景噪声)为83dB，两者之间相差7dB，查图曲线，修正值为1dB,于是机器的噪声值为82dB.
图2背景噪声影响的修正
比较粗略的修正方法是:两者之差为3dB时，应在总噪声级中减去3dB;两者之差为4~5 dB时，应减去2 dB;两者之差为6-~-9dB时，应减去1 dB;当两者之差大于10 dB时，则背景噪声的影响可以忽略。事实上，对于本次测量的环境，试车间内的试车噪声远远大于本底噪声10dB以上，所以在试车间内的测量可以不考虑本底噪声的影响。
三、WP-7发动机噪声实测数据分析
本次试车类型为工厂试车，对额定、慢车这两个状态进行了实时监测。采样长度为8192，采样率为20K，当时的大气压力为99. 14Pa，大气温度为30℃.
根据空气动力性噪声的产生机理及气动声学，作用于气体单位体积的广义力对空间发生变化，引起空气振动和压力变化，从而产生具有偶极子辐射效应的旋转离散噪声。其频率实质上就是在单位时间内对空气质点的打击次数或气流的脉动次数，也称为叶片通道频率:
其中，B为转子叶片数，n为发动机转子转速，k为谐波数(1, 2, 3...)
则转子叶片数为:
被测发动机叶片数如下：
一级压气机叶片24片
二级压气机叶片53片
三级压气机叶片51片
四级压气机叶片66片
五级压气机叶片72片
WP-7发动机试车间内各种状态下声功率谱分析(线性计权):
1、在额定状态下(119dB )，低压转子转速为10369r/min，高压转子转速为11367r/min。
基频:低压转子旋转频率f1=10369/60=172.8Hz，
高压转子旋转频率f2=11367/60= 189.5Hz
1/2倍频程:
2阶谐频:2f1=345.7 Hz, 2f2=378.9 Hz
3阶谐频:3f1=518.5 Hz, 3f2=568.3Hz
4阶谐频:4f1=691.3 Hz, 4f2=757.8 Hz
其声功率谱分析如图3所示:
图3额定状态下声功率潜分析
峰值最高点对应频率为f=378.7Hz，是高压压气机二阶谐频，此频率对应高压压气机二阶谐波;频率f=756.8Hz时，为高压压气机四阶谐频，此频率对应高压压气机四阶谐波;当f = 4109Hz,n=10369r/min，k取1，频率f=4109Hz处为低压压气机一级叶片产生的旋转噪声。
2、在慢车状态下(106dB )，即低压转子转速为3780r/min，高压转子转速为6055r/min，其声功率谱分析如图 4所示:
图4慢车状态下声功率谱分析
涡喷发动机最主要的旋转部件是压气机和涡轮。发动机在经过良好的动、静平衡后，旋转可能出现的固体噪声会被抑制，但工作叶片高速旋转，加上静止叶片的影响，造成了发动机内部的紊流和大量涡流，这种在局部概念上的不稳定流动所产生的剧烈气体压力变化，是一个占显著地位的气动噪声源，它仅次于喷气噪声。涡喷发动机地面试车产生噪声的最主要声源为排气射流噪声，而排气噪声具有宽频带特性，声谱上特征频率不明显。但压气机旋转产生的离散音则在声谱上表现为现状，较易识别。
此次试验的WP一7发动机在试车间内起发吹风状态下的背景噪声为86. 4dB,通过对WP一7在额定和慢车这两个状态下噪声功率谱分析，可以得到压气机旋转噪声分量，它具有高频离散特性，在高频部分出现的峰值频率为压气机各级叶片通过频率，这部分高频离散纯音主要指压气机叶片产生的旋转噪声，在低频部分是宽带噪声，主要指喷流噪聲，最大峰值的频率几乎都出现在发动机压气机基频或者谐频附近。
结语：随着人们环保意识的加强，在以人为本、追求工农业可持续发展的今天，研究和治理噪声问题引起了更加广泛的重视。以计算机为核心，基于虚拟仪器技术的发展，为开发新型通用的噪声分析仪器创造了条件，丰富了噪声分析系统的功能，并且集成化的体系结构也降低了噪声分析系统的开发和维护成本，可以看出，利用计算机技术对噪声进行采集、分析是一项很有意义的工作。
参考文献：
[1]沙云东，盛元生，涡喷发动机台架试验声强测量技术研究[J]，沈阳航空工业学院学报，199815(4):1 ~10
[2]刘波，王掩刚，高丽敏，涡扇发动机噪声控制技术分析，民用飞机设计与研究，2000(4) :11一13