声学风洞传声器阵列测试的射流剪切层修正技术研究

Currently we are developing large civil aircraft. The accurate measurement of airframe noise distribution, carrying out corresponding research on noise level assessment and noise control method, making the large civil aircraft satisfy the newest ICAO standards, are very important for our large civil aircraft to be competitive in the international market. In the open-jet test section of an anechoic wind tunnel, the shear layer problem should be noticed when localizing the noise source with microphone array technology. The shear layer will make the measured data deviate from the true value, which is harmful to accurately identify the noise source position and evaluate the noise source level. Therefore, it’s very necessary to develop an effective method to correct the shear layer influence. The physical process and theoretical problem involved in the project including: the interaction of noise signal and the boundary of shear layer, the propagation of sound wave in the shear layer which consists turbulences and vortexes, and the processing of acoustic signal received by microphone array elements. This project is aimed at building theoretical and computational model for sound wave in and out of the shear layer, discussing the relationship between transient flow field variation and the sound mode change at the reveiving point of microphone sensors, laying a solid foundation for the precise measurement of aero-acoustic noise using microphone array.

目前我国正在研制大型民用客机，准确测量机体噪声源分布，开展相应的噪声评估和降噪研究，使我国大型民用客机噪声水平满足最新的国际民航组织标准，对我国大型民用客机跻身国际市场具有非常重要的意义。在声学风洞开口试验段内，利用传声器阵列测量飞机气动噪声源会遇到射流剪切层干扰的问题，即当声波透过剪切层后其相位和幅值将发生改变，使得阵列测量值和真实值发生偏差，从而不利于噪声源的准确定位和噪声级的准确评估，因此亟需发展相关技术对传声器阵列测量进行修正。本项目涉及的物理过程和理论问题主要包括：噪声信号与射流剪切层界面的相互作用，声波在含湍流的剪切层内部的传播，以及传声器阵列对声信号的处理等。本项目旨在建立射流剪切层内外气动噪声传播的理论模型和计算模型，探讨瞬态流场变化与传声器阵列接收点处声场模式改变的关系，为实现声学风洞内传声器阵列准确测量噪声源奠定坚实的理论基础和技术基础。

在声学风洞开口试验段内，核心射流与周围静止空气之间会形成剪切层，利用射流外传声器阵列测量射流内气动噪声源时会遇到剪切层干扰的问题。本项目旨在通过理论研究、数值模拟和实验研究的方法，建立恰当的剪切层修正方法，解决噪声源测量“测不准”的难题。.本项目建立了风洞自由射流剪切层流场的理论预测模型，通过数值计算和实验研究获得了剪切层速度剖面、厚度、湍流强度及湍流频谱特性等参数随风速的变化规律。提出了可用于空间弯曲剪切层修正的简化射线法，推导了更适合矩形喷口风洞的三维剪切层修正方法，改进了声波穿过剪切层传播计算的射线追踪法，建立了射线追踪法的快速计算方法，对比分析了四种剪切层修正方法：平均马赫数法、简化射线法、Amiet方法和射线追踪法，结果表明：马赫数≤0.3，测量角40°~140°范围内，在二维条件下, 不同方法在声波相位修正上差别不明显；三维修正方法和Amiet方法在声压幅值修正上差值可达0.8dB，在相位修正上相对误差可达5%。针对内流式声源、侧壁安装式声源、翼型后缘噪声开展了传声器阵列测试，实验验证了剪切层修正算法的正确性。建立了基于统计学原理和DNS计算方法的剪切层湍流和单个旋涡声散射计算模型，进行了数值计算，研究发现：散射声压在正对声源和旋涡中心的方向上幅值最小，在离开声源旋涡中心连线一定角度后达到局部最大值。实验研究表明：声波的频谱变宽效应随着风速、频率和剪切层厚度增加而变得更加明显。在某型高速列车气动噪声型号试验中，开展了剪切层修正方法的工业应用研究，结果表明本项目研究提出的剪切层修正方法可以有效提高噪声源成像的质量，抑制声源位置的漂移。.本项目研究建立了声学风洞传声器阵列测试的射流剪切层修正技术，为大型飞机、高速列车等的气动噪声源的准确测量和评估奠定了坚实的理论和技术基础。