無(wú)論身在客機(jī)機(jī)艙的你，還是航空母艦甲板指導(dǎo)員，亦或飛行員，均感受過(guò)飛機(jī)起飛階段的轟鳴，令人不安。這是因?yàn)槠胀ㄈ硕耐撮撀晧杭?jí)是120dB（相當(dāng)于20Pa，標(biāo)準(zhǔn)狀況下的大氣壓是101325Pa），而航空發(fā)動(dòng)機(jī)的聲壓級(jí)通常處于140~160dB范圍內(nèi)；如果沒(méi)有機(jī)身隔音段與隔音棉的阻擋與吸收，人可能會(huì)狂躁、瘋癲或死亡。

既然乘坐飛機(jī)的體驗(yàn)這么差，為何工程師不將飛機(jī)設(shè)計(jì)得安靜一點(diǎn)？然而，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，這是燃油經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)完整性、污染物排放與噪聲相權(quán)衡的結(jié)果，也可以說(shuō)是當(dāng)前乘坐體驗(yàn)的最優(yōu)解。

如果你還是覺(jué)得太吵，那就需要一款針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)降噪耳機(jī)，遺憾的是，目前市面上還沒(méi)有這種耳機(jī)。這是因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)噪聲覆蓋頻段之寬、幅值之高，實(shí)屬罕見(jiàn)，想設(shè)計(jì)出克服航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的耳機(jī)需要對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的聲學(xué)特征有全面的了解，下面我們簡(jiǎn)要扒一扒

為何航空發(fā)動(dòng)機(jī)這么吵？

首先，我們看一下在起飛階段大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（該發(fā)動(dòng)機(jī)一般用于裝配民機(jī)）的噪聲組成，主要包括風(fēng)扇前傳聲、風(fēng)扇后傳聲、核心機(jī)噪聲（包括高壓壓氣機(jī)、燃燒室和高壓渦輪）、渦輪噪聲和噴流噪聲；其中風(fēng)扇噪聲和噴流噪聲是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲源，風(fēng)扇噪聲包含離散單音、寬頻噪聲和多重單音，噴流噪聲包含寬頻噪聲和寬帶噪聲。

風(fēng)扇噪聲中的離散單音和多重單音均屬于單音噪聲，具有頻率特征明顯或具有顯著數(shù)學(xué)關(guān)系的特點(diǎn)，其來(lái)源有風(fēng)扇自噪聲、轉(zhuǎn)-靜干涉噪聲和短艙-風(fēng)扇干涉噪聲。風(fēng)扇自噪聲是由于風(fēng)扇對(duì)其表面流體的位移和力效應(yīng)，其頻率為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率與風(fēng)扇葉片數(shù)乘積的整數(shù)倍；

當(dāng)葉頂出現(xiàn)超音速時(shí)，會(huì)激發(fā)出多重單音，此時(shí)頻率變?yōu)檗D(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率的整數(shù)倍。轉(zhuǎn)-靜干涉噪聲由周向均勻旋流與下游OGV干涉作用，葉片平均尾跡與下游OGV干涉作用構(gòu)成，該部分頻率噪聲的模態(tài)分解滿足Tyler-Sofrin關(guān)系。短艙-風(fēng)扇干涉噪聲是進(jìn)氣道與風(fēng)扇的干涉作用，會(huì)引起±1的周向模態(tài)。

風(fēng)扇噪聲中的寬頻噪聲具有頻譜范圍寬廣的特點(diǎn)，其來(lái)源有風(fēng)扇自噪聲、風(fēng)扇-機(jī)匣邊界層干涉噪聲和轉(zhuǎn)-靜干涉噪聲。風(fēng)扇自噪聲是由于湍流邊界層通過(guò)葉片尾緣處吸力面上方引起四極子源的放大所致；風(fēng)扇-機(jī)匣邊界層干涉噪聲是由于湍流邊界層與風(fēng)扇葉頂間歇流相互作用所致；轉(zhuǎn)-靜干涉噪聲是由于風(fēng)扇尾跡中的非定常流與下游OGV干涉所致。

噴流噪聲主要由湍流混合噪聲和馬赫盤激波噪聲組成。噴流與低速氣流混合層中的湍流包含小尺度和大尺度湍流結(jié)構(gòu)，這二者在噴流中是共存的，其與馬赫數(shù)等參數(shù)密切相關(guān)。馬赫盤激波噪聲一般出現(xiàn)在軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，這是激波在噴流中的反射與干涉所致，其與頻率、功率等參數(shù)密切相關(guān)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的絕大部分貢獻(xiàn)是氣動(dòng)噪聲，氣動(dòng)噪聲與流動(dòng)緊密聯(lián)系在一起?！傲黧w經(jīng)不住搓，一搓就搓出了渦”，一般情形下渦與聲相伴相隨，在近聲場(chǎng)區(qū)域渦聲相互作用更顯著，熵波、渦波和聲波相互轉(zhuǎn)化，其物理過(guò)程較復(fù)雜。如果僅從氣動(dòng)角度看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是由多尺度的渦所構(gòu)成，聲波只是這些渦對(duì)外傳遞信息的使者。

這些渦最小為柯莫哥洛夫尺度，最大為機(jī)翼寬度；從而航空發(fā)動(dòng)機(jī)的聲波尺度與此相近（這里不考慮微尺度下的聲學(xué)過(guò)程）。

最后以一個(gè)典型的圓柱繞流噪聲的算例體驗(yàn)一下被噪聲輻射的感覺(jué)，然而要想真正設(shè)計(jì)一款針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)降噪耳機(jī)，我們還有很多工作要做；針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的降噪措施，有掠形/傾斜出口導(dǎo)葉、斜嵌進(jìn)氣口、風(fēng)扇葉片尾流管理、可變面積噴口、聲襯布置、對(duì)轉(zhuǎn)/變?nèi)~距風(fēng)扇、外涵氣流偏轉(zhuǎn)器、壓電制動(dòng)器主動(dòng)控制、超高涵道比、多瓣式/鋸齒形/小突片噴管、氣流屏蔽等(這些技術(shù)將在后續(xù)科普上詳述)；相信隨著工程師的不斷努力，將航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平進(jìn)一步提升，將來(lái)各位的乘坐體驗(yàn)也將更好。

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