研究人员揭示了超声速喷气发动机的噪声反馈回路

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

　　研究人员在佛罗里达先进航空推进中心的短距起飞和垂直着陆实验室中安装测试设备。　　如何解决超声速喷气式飞机在起飞和着陆过程中产生的极端噪声问题，一直是军用航空领域的一道难题。最近，美国佛罗里达农工大学—佛罗里达州立大学工程学院下属佛罗里达先进航空推进中心（FCAAP）的研究人员针对这项难题的研究有了突破。他们的研究发表在《流体力学杂志》上，研究成果展示了一种新的模型，用于理解超声速气流如何与地面或其他结构碰撞，从而产生共振反馈回路，进而产生可达到危险音量水平的极端噪声。　　研究团队考察了短距起飞/垂直降落（STOVL）飞机等喷气式飞机。这类飞机，例如，F-35B战斗机，无需传统跑道即可起降，从而拥有至关重要的战术优势。然而，当它们下降到地面时，尾焰会与着陆面相互作用，产生强烈的噪声，通常超过140分贝，对飞机结构和附近人员构成严重威胁。　　佛罗里达先进航空推进中心创始主任法鲁克·S·阿尔维（Farrukh S. Alvi）解释道：“喷气式飞机的能量只有极小一部分转化为声音，但这一小部分却会产生巨大的影响。喷气式发动机产生的强烈噪声会对飞机结构造成损坏，并损害地面人员的听力。我们正在努力了解这些超声速喷气式飞机及其噪声背后的物理原理，以便开发能够减轻其影响的工具。事实上，我们在开发降低喷气式飞机声音的技术方面已经取得了一些成功。”降低喷气式发动机噪声的重要性　　当喷气式发动机喷出的高速气流与周围空气混合时，会产生大规模的扰动，这些扰动冲击地面，产生强烈的声波，并反向传播回喷气式发动机。这种往复的相互作用会形成共振，即反馈回路，从而产生响亮且反复的噪声。对于飞机而言，这些共振会加速结构疲劳，并可能产生危险的低压区，使飞机下坠。　　对于地面人员而言，即使佩戴防护装备，持续暴露在超过140分贝的声压级下也会造成永久性听力损伤。在峰值强度下，极高的声压甚至会造成器官损伤。一种模拟喷气发动机共振的新方法　　研究团队测试了一架超声速喷气发动机，设定速度为马赫数1.5，并通过调整喷嘴压力和喷气发动机与地面的距离来模拟起飞/着陆，并进行了一系列测量。　　为了观察气流，他们使用了一台高速摄像机和一种名为纹影成像的特殊可视化技术，该技术使他们能够“看到”喷射气流——包括其大规模扰动和实时产生的声波。同时，一个高灵敏度麦克风也记录了喷射气流产生的声音。　　当喷射气流噪声较大时，喷射气流和声波会以规律的节奏重复出现，这是共振周期的特征。通过将图像与周期中的特定点进行匹配，研究人员获得了清晰的气流图像，并测量了空气中大规模扰动的移动速度以及声波向喷嘴传播的速度。　　研究人员发现，在许多情况下，噪声的音调（人脑感知声波频率的方式）主要由声驻波决定，这些驻波在飞机机身和地面之间的空间中呈现静止状态。这些发现表明，音调并非主要由扰动速度决定，从而为现有的共振反馈理解提供了新的视角。他们还发现，速度较慢的扰动往往幅度更大，因此会产生更大的噪声。　　该研究的第一作者、博士后研究员宋明俊（Myungjun Song）表示：“我们发现，这些声驻波在决定音调方面起着更为重要的作用，而扰动的大小和速度则决定了产生的噪声的强度或‘响度’。”　　这项发现为研究团队提供了新的视角。由于扰动速度对俯仰角的影响很小，因此只需了解声驻波的信息即可预测噪声的俯仰角。　　新模型使工程师能够在飞机和起落架设计过程中更轻松地预测噪声频率，这是保护飞机结构和人员免受声损伤的关键一步。先进基础研究设施推动科学发现　　这些实验是在佛罗里达农工大学—佛罗里达州立大学工程学院（F A M U - F S U C o l l e g e o f Engineering）专门用于高速空气动力学研究的先进航空推进中心专业研究设施中进行的。　　研究人员使用了先进航空推进中心的短距起降（STOVL）设施（该设施提供尖端的流动诊断功能）和热射流设施（该设施可在消声室中产生高温高速气流，从而在真实的喷气条件下进行高精度声学测量）。　　阿尔维表示：“虽然喷气推进是我们工作的一个重点，但我们的研究并不局限于此，大学和学院通过先进航空推进中心运营着一座跨声速风洞，可模拟高达马赫数6的超声速气　　流——涵盖超声速到高超声速条件。我们还利用消声风洞和亚声速风洞开展众多其他航空航天相关研究项目。这些设施以及我们研究人员的专业知识共同打造了一个独一无二的生态系统，用于开展航空航天领域的前沿研究。”　　另一项相关计划由佛罗里达州立大学战略伙伴、创新、研究与教育研究所（InSPIRE）牵头，旨在佛罗里达州贝县建立一个新的航空航天和先进制造中心。该计划以先进航空推进中心为基础，开发配套设施，用于建造更大的高超声速风洞，以应对更广泛的应用条件，开展与行业相关的研究。 （航柯）