采用LMS Virtual.Lab振动噪声工具设计安静的涡轮螺旋桨飞机 - 文章

采用LMS Virtual.Lab振动噪声工具设计安静的涡轮螺旋桨飞机

作者：豪客比奇飞机公司

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在开发早期，预测噪声水平和评估降噪策略能够减少舱内一半的噪声以及60％的测试工作

对涡轮螺旋桨飞机的需求正在增长。与喷气式飞机相比，燃气涡轮螺旋桨飞机具有价格低及超过40％的燃油经济性的优点。在专用航空市场中，燃气涡轮螺旋桨飞机正在复苏，并且在过去的5年内，其交付使用增加了一倍。由于商业竞争的日趋激烈，飞机制造商通过克服涡轮螺旋桨飞机的一个主要缺点——螺旋桨噪声，从而获得竞争优势。特别地，这种噪声是由于旋转叶片引起的空气压力波产生机舱振动和低频“隆隆”声，这种振动通过飞机结构传播到舱内内饰板，产生主要的噪声。

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Hawker Beechcraft公司目前正在采用LMS公司的声振仿真工具开发能容纳9人的King Air 350i升级版涡轮螺旋桨飞机。

噪声问题通常在开发周期的后期——飞机试验阶段才被发现。由于此时设计已经冻结，除了在飞机不同位置增加振动－阻尼声学吸声材料以及做一些额外的飞行测试，直到噪声降到可以接受的水平外，工程师几乎没有别的解决方法。这种“试验－纠错”的方法是非常昂贵且耗时的，每次飞行试验都将花费大量的资金和数周的时间。然而，豪客比奇飞机公司找到了一个更好的途径，在开发的早期阶段采用LMS Virtual.Lab Acoustics声学解决方案预测声级和评估不同的设计方案，而不至于直到飞行测试才发现令人吃惊的噪声问题。豪客比奇飞机公司最初在能容纳9人的King Air 350i升级产品的模型上使用该方法，它具有两个功率超过1000马力的发动机。这一声学技术和开发流程之后被应用于更小的模型上：King Air B200GT和C90GTi。King Air系列是世界上最大的涡轮螺旋桨飞机生产线，自从1960年以来，生产了近7000架King Air飞机。

在设计早期进行噪声预测

豪客比奇飞机公司的首席声学工程师Indranil Dandaroy博士解释道，采用仿真方法确定舱内噪声需要三个步骤。首先，根据螺旋桨制造商提供的剖面数据，如叶片的尺寸、跨距、及转速，飞机工业标准理论可以直接计算出作用在螺旋桨上的气动载荷辐射的噪声。

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然后将这些噪声载荷数据输入到LMS气动声学解决方案中，模拟噪声在空气中的传播及传播到机身上的噪压，声压载荷是频率的函数。软件具有风扇建模功能，能够自动表示旋转叶片的冲击作用。与传统的技术不同的是，传统技术必须对空气空间进行繁琐的建模，而基于边界元（BEM）技术的LMS软件，只需建立计算区域的边界面网格。所以对于飞机螺旋桨噪音，只需要建立螺旋桨和机身的边界面网格。由于边界元方法能够计算出机身辐射到飞机内部的声音及辐射到自由场的声音，所以它不仅计算速度快，并且精度更高。基于机身的声压载荷，LMS Virtual.Lab声学软件通过流体与结构的耦合计算以确定舱内噪声，耦合计算代表机身结构的固有振动和机舱舱体的振动，其输出结果用飞机结构振动云图和机舱内部声压分布图表示。

利用螺旋桨的声振耦合模型，建立机身和机舱模型并将其结合起来，工程师们能够轻松地探索不同的方法以降低机舱内声压级。LMS软件的参数化功能非常方便，工程师仅通过输入不种参数的合适数值，便可改变结构和声学模型的特性，而无需重新建立模型。“利用振动噪声仿真解决方案，可以轻松地分析和修改模型，从而在几个小时内就可快速探究许多设计不同方案的噪声情况，相比而言，物理试验检测单个修改就需要数周的时间。”Dandaroy博士说。

把握低噪声设计

声振耦合模型首先需要研究的是一对四叶片螺旋桨的相位关系。“有时候两个螺旋桨产生的声冲击可以相互抵消，如果叶片的位置不是同步的——也就是说，两组叶片不是同时成直线。”Dandaroy博士说，“两组螺旋桨的相位差如果是20或30度，就可以稍微降低噪声水平，但是你必须找出合适的角度。从而研究角度与噪音的关系成为使噪声水平达到最低的方法，这可以通过仿真技术快速预测任一角度的噪声水平。”

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下一步，工程师可以在飞机结构的不同位置添加被动噪声内饰装置，以阻碍振动，并评估其效果。这些被动噪声内饰装置是质量－弹簧－阻尼的装配体，类似于小型的减振器，在特定的频率点上进行调谐吸振。调谐吸振贴于外表面上或结构上，隔振装置安装在机身和内饰板之间。产品供应商提供这些设备的动态参数，用于输入到LMS声学模型中。同样地，工程师需要建立约束层阻尼板的效果模型，它是一个贴于飞机内表面的粘弹性层，有助于阻尼振动。“采用LMS振动噪声仿真解决方案，使让我们可以尝试不同的噪声内饰组合，以便找到最理想的方案。我们的目标是在轻质和低成本的前提下设计出最安静的飞机。在开发的早期阶段进行这些研究，使我们可以探究各种设计方案，并在开发前期改正设计缺陷，避免在飞行测试时，甚至是交付使用后出现不可以预测的问题。这些精确细致的仿真研究可以帮助我们洞察采用飞行测试所不能获知的飞机声学性能。”Dandaroy博士表示。

巨大回报

豪客比奇飞机公司从声学仿真中获得了回报。Dandaroy评估，由于在开发阶段完全集成了声学仿真方案，在验证机舱内噪声水平的飞行测试中，噪声降低了60％。King Air 350i型飞机的目标是降低机内噪声4 dBA，相比未采用仿真技术设计的飞机降低了超过25％的噪声。
对于King Air系列的其它飞机模型也能够采用声学仿真进行噪声消减。将LMS的声振技术用于飞机的风道声学、引起机舱噪声的湍流边界层振动，以及产生噪声的其他问题，从而使乘客乘坐最安静的飞机成为可能。

“我们正从一个完全以试验为基础，通过试验找到问题的方法转变为一个更快更有效的以仿真为基础的降噪方法。”Dandaroy博士说。“在专用航空领域，安静的机舱是客户满意的主要因素。未来，通过一流的声学仿真一定能使我们在竞争激烈的市场中巩固领导地位。”(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/18/2009)


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