摘要：大型客机的舱内噪声治理与控制是飞机设计一大难题，通过获得飞机各主要声源的传播机理，进行全尺寸噪声与振动传递特性分析是其中的关键技术之一。本文介绍了基于互易性原理的大型客机噪声与振动传递特性测量与分析方法，利用LMS test.lab、低体积声源及声压与加速度传感器，获得测试样机的噪声与振动频响函数（FRF）、幅值与相位传递函数及相干函数，分析发动机尾吊客机吊挂、机身结构、舱内设施与舱内空腔间的噪声与振动传递特性，验证了该方法在大型客机工程应用可行性。
关键词：噪声与振动；发动机尾吊；大型客机；传递函数
1. 引言
民用飞机的设计、研制与制造是大规模的系统集成型创新过程，是国家科技力量的集中体。目前，大型客机项目作为国家重点专项已经进行全面研制阶段。一方面，大型客机的安全性、可靠性要通过适航验证；另一方面，其经济性、舒适性更要经受商业运营的考验。
飞机舱内噪声环境作为客机舒适性的重要指标，在追求航空旅行人性化的今天，已经越来越受到人们关注。劣质的飞机舱内声学环境更易使机务人员产生疲劳与注意力分散，产生安全隐患；过量的舱内噪声引来乘坐旅客的抱怨与投诉，削弱飞机制造商的核心竞争力，影响客机的商业运营。
为此，各大飞机制造商都相当关注飞机的舱内声学环境，设定飞机声学性能要求，控制与治理舱内噪声。而从声学设计与降噪减振角度分析，获得飞机各主要声源的传播机理，进行全尺寸噪声与振动传递特性分析是综合治理飞机噪声、开展飞机声学设计的关键技术之一。通过对噪声与振动传递路径分析（TPA），幅值与相位的传递函数（TF）识别，相干性函数（Coherence）的获取，得到机身结构与舱内声场间的传递特性，从传播途径上治理飞机的舱内噪声是行之有效的途径。
从噪声源角度分析，商用飞机的主要声源是发动机噪声，因此，发动机的布置，即发动机在飞机上的布局形式对舱内声学环境影响很大。目前，尾吊与翼吊是大型客机发动机布置的两大主要形式。
对于舱内噪声而言，尾吊布置相对翼吊减少了发动机喷流对飞机中后机身直接影响，有利于降低舱内噪声，但是，由于尾吊形式使发动机直接通过吊挂与后机身相连，发动机的风扇激励、振动载荷、不平衡量更易传入飞机客舱，影响舱内声学环境。因此，分析尾吊发动机的振动引起舱内噪声的传递特性是进行减振降噪的关键性步骤。本文从试验测量的方法入手，利用LMS test.lab、低体积声源及声压与加速度传感器，对真实的飞机进行测试，获得测试样机的噪声与振动传递函数，分析了发动机尾吊客机吊挂、机身结构、舱内设施与客舱声场的噪声与振动传递特性。
2. 噪声与振动的传递特性
振动载荷激励板壳结构会引起结构的声辐射，同样，声场噪声激励能够引起与结构的振动。在结构与声场确定下之后，结构与声场之间的传递特性也确定下来，是结构与声场组成系统的固有特性之一。
在线性系统中，根据机械激励和传递函数HpF，可以得到由振动激励引起的声场声压级。
同样，根据声载荷激励和传递函数HxQ，可以得到由振动激励引起的声场声压级。
根据，互易性原理，可以得到：
在飞机成形之后，利用可控体积声源，激励飞机舱内声腔与结构，测量结构上的振动响，获得噪声与振动间的传递函数。
3. 测试样机结构特征
试验用测试样机是某型号干线飞机。舱内布局为单通道，150 个旅客座椅。典型的发动机尾吊布置。发动机通过吊挂与机身后段内机身盒段连接，因此发动机振动量由吊挂安装节点通过机身合段框架，经后舱段地板与侧壁板及旅客座椅进入机舱内部，对舱内产生声辐射。
测试样样的发动机振动引起舱内噪声的传递部件主要包括：吊挂、机身盒段、机身框架、客舱地板、侧壁板及旅客座椅。
试验样机布局形式与吊挂结构如图 1 所示：
图 1. 试验样机布局形式与吊挂结构
4. 传递特性测试
4.1. 测试工况测试工况如下：
工况 1：低频体积声源置于后舱段内，声压传感器与一个加速度传感器置于机舱内，一个加速度传感器置于机舱外吊挂蒙皮上，测试吊挂-机身壁板-机身结构-旅客座椅的噪声与振动传递函数。
工况 2：基本设置与工况1 相同，移动低频体积声源的位置于飞机中舱段，测试测试吊挂-机身壁板-机身结构-中舱段旅客座椅的噪声与振动传递函数。
4.2. 试验设备及要求
低频体积声源（ Low Frequency Volume Source）：频率范围10~800Hz,+-2dB，功率180w。特点是准确测量高量级低频声源，人体效应模拟，时域声信号采集等，应用于舱内声-振模态分析，传递路径分析，空气声源品质分析，声波反射分析，统计能量分析；
测 量 系 统 功率放大器(Measurement Power Amplifier)，特点是宽频率范围，宽频率的低噪特性，允许宽频的阻抗激励，完善的自适应特性，应用于低、中、高频的体积声源，小型体积声源与小型激振器，中型阻抗激励与声源；
8 通道数采系统(8 channel digit acquisition system ),带70Wh 的镍镉充电电池高性能VMEbus控制器，支持1GB/s 的以太网传输。最大信号连续传输速度20MB/s， ICP/模拟电压信号输入，24 位，采样频率102.4kHz/通道，模拟电压信号输出，输出采样频率102.4kHz/通道；原始数据存储、FFT信号分析功能，多种格式数据导出功能，声强测试分析功能，n 倍频程，模态分析软件；
声压传感器：1/2" 自由场传声器；
加速度传感器：PCB 单向加速度传感器。
4.3. 试验系统及测点布置
a) 工况 1
低频体积声源置于机舱中后部的旅客座椅（第30 排B 座）；
数采系统与功率放大器放置于机舱后舱门的旅客座椅（第26 排E 座）；
一个声压传感器置于机舱内部（第25 排E 座）；
试验样机布局形式与吊挂结构感器，一个置于机舱内部内饰壁板之上（第30 排E 座），另一个置于机舱外部吊挂前沿蒙皮处。
工况 1 的试验系统与测点布置如图 2 和图 3所示
图 2. 工况1 试验系统与测点布置图
图 3. 试验系统与试验测点在MD-82 飞机上的布置
b) 工况 2
数采系统、功率放大器与加速度传感器位置与工况2 一致，移动低频体积声源（第20 排c 座）与声压传感器的位置（第20 排b 座）。
4.4. 测试数据处理
声压传感器与加速度传感器通过数采前端采集到了时域信号，利用test.lab 中的FFT 变换功能，转换得到频域信号。
利用相干函数是否接近于 1,判断所测传递函数的有效性。相干函数接近于1，则传递函数有效；相干函数远小于1，则传递函数置信度较低，传递特性不明显。
4.5. 试验结果及分析
a) 吊挂-机身壁板-机身结构-后机身旅客座椅的噪声与振动传递函数
传递函数如图 4 所示
图 4. 吊挂-机身壁板-机身结构-旅客座椅的噪声与振动传递函数及相干函数
幅值与相位传递函数较清晰；
相干函数在 50~450Hz 接近于1，可认为在此频率段内所测得传递函数是有效的；
在 460~550Hz 相干函数很差（远小于1），对应的传递函数幅值也特别小。分析原因，可能是结构动力学响应在此频率范围内存在响应滤波作用。
b) 吊挂-机身壁板-机身结构-中舱段旅客座椅的噪声与振动传递函数
传递函数如图 5 所示
图 5. 吊挂-机身壁板-机身结构-中舱段旅客座椅的噪声与振动传递函数
相位传递函数较清晰，幅值传递函数从 350Hz以上开始存在较多毛刺；
相干函数在 50~200Hz 较近接于1，200Hz 以上均小于1；
测得的吊挂-机身壁板-机身结构-中舱段旅客座椅传递特性的置信度较低，分析其原因有：1）声源距接收体较远；2)舱内的大量旅客座椅与地毯具有较好的吸声特性；3)低频体积声源的声功率有待进一步提高。
5. 结论
1) 本次试验的测试数据证明基于 LMS test.lab,利用低频体积声源发声，采集飞机结构响应信号，获取大型飞机机身结构与舱内声场间的传递特性的方法是完全可行的；
2) 测量得到的传递函数频率范围覆盖了发动机振动激励的主要频率段，可较完整地分析噪声与振动之传递关系；
3) 通过检验相干函数，吊挂-机身壁板-机身结构-后机身旅客座椅的噪声与振动传递函数可直接用于工程分析；
4) 根据测试样机的测量结果，尾吊发动机的振动将对飞机的后舱段舱内声学环境产生有显著的影响，而对于中舱段或前舱段，由于舱内旅客座椅、内饰地毯、机身结构的阻隔，尾吊发动机的振动舱内声学环境产生的影响较后舱段明显减弱。
参考文献
[1] “An Investigation of Structura l-Acoustic Interaction in the Interior Cavity of Vehicle Structures”,Dr D Morrey and Dr F R Whear, Institution of Mechanical Engineers 1995, AutoTech 95 C498/6/018.
[2] U.S. Federal Transit Administration, Transit Noise and Vibration Impact Assessment, Report DOT-T-95-16,April 1995
[3] The vibro-acoustic response and analysis of a full-scale aircraft fuselage section for interior noise reduction. Peter C. Herdic, Brian H. Houston, Martin H. Marcus, Earl G. Williams, Amr M. BazJ. Acoust. Soc. Am. ASA digital library Volume 117, Issue 6, pp. 3667-3678 (June 2005)
[4] Transfer function method for measuring characteristic impedance and propagation constant of porous materials. Hideo Utsuno, Toshimitsu Tanaka, Takeshi Fujikawa A. F. Seybert.J. Acoust. Soc. Am. Volume 86, Issue 2, pp. 637-643 (August 1989)
[5] A field test of the transfer function model for predicting solute transport. William A. Jury. Lewis H. Stolzy. Peter Shouse.WATER RESOURCES RESEARCH, VOL. 18, NO. 2, PP. 369-375, 1982
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