数值建模将取代昂贵的飞机声学测试
来源:中国航空报发表时间:2025-08-21 17:28:24浏览量:83
俄罗斯科学院凯尔德什应用数学研究所和莫斯科物理技术学院的科学家开发了一种数值波束形成方法,该方法能够高精度地定位超声速飞机全尺寸模型上的噪声源。该方法基于亥姆霍兹方程求解逆声学问题;它基于虚拟麦克风阵列的数据重建声源的空间分布和强度。与传统的实验方法不同,数值波束形成方法无须昂贵的物理测试即可对结构的噪声特性进行详细分析。
该方法基于处理来自麦克风阵列的信号,同时考虑了单极子(体积振荡)和偶极子(力效应)噪声源。为了验证该算法的正确性,采用了Fox-Williams-Hawkings方法,该方法可以模拟声音在气动流中的传播。该方法的实施需要大量的计算资源:为了分析一个45x20米的机翼模型,模拟一架超声速公务机在245千米/时速度下的着陆姿态,使用了配备24块NVIDIA Tesla V100显卡的“罗蒙诺索夫-2”超级计算机。处理了约2.2亿个计算点,这意味着飞行的每一秒都需要进行数十小时的计算。
研究结果表明,低频噪声源(低于250Hz)与缝翼区域的涡流结构有关,而高频噪声(高于1kHz)则由机翼机械元件后方的湍流尾流形成。这种差异化使得工程师能够局部优化设计,将关键区域的噪声水平降低5~7dB。这不仅提高了声学舒适度,还有助于满足日益严格的国际民航组织(ICAO)噪声标准,这些标准对新型超声速客机尤为重要。
在凯尔德什应用数学研究所和莫斯科物理技术学院研究的同时,中央航空流体动力研究院也在积极研究运用波束形成方法。中央航空流体动力研究院使用多通道声学测量和球形麦克风阵列对SSJ100驾驶舱内的噪声源进行定位和排序。在IENA项目中,还使用改进的多麦克风波束形成技术对机身附近飞机发动机的气动噪声进行了研究。这些研究可以识别主要噪声源及其频率特性,获得的结果将有助于制定措施减少对乘客和机组人员的声学影响。
此外,中央航空流体动力研究院正在实施综合项目,研究777和空客A320等常见商用客机的噪声特性。具体而言,他们在不同尺寸(6.3%和26%比例)的风洞中以及在飞行试验条件下对这些飞机的模型进行了大规模研究。这些研究能够识别与流动特性和模型缩放相关的噪声源定位和排序的差异,并重新计算模型与全尺寸条件下的噪声特性。通过对波音777-200和空客A320/321的频率范围和噪声方向性进行分析,研究人员能够更准确地评估声学影响,并制定降低结构关键区域噪声的建议。
因此,波束形成方法在中央航空流体动力研究院的应用涵盖了广泛的任务——从定位客舱和发动机噪声源到对模型和全尺寸飞机的气动噪声进行全面分析。这不仅可以提高噪声特性诊断的准确性,还可以将数值方法与实验方法相结合,以优化设计并提高乘客和机组人员的舒适度。
这些研究对航空业的意义在于可以降低物理实验的成本,而物理实验传统
上需要大量的资源和时间。数值波束形成方法可以将此类试验的规模减少40%,同时提供更详细、更准确的噪声特性分析。这为在符合国际环境标准和国际民航组织(ICAO)要求的安静超声速民用飞机的设计过程中结合数值方法和实验方法开辟了前景。此外,该技术还可以用于发动机噪声分析、音爆建模和机身设计优化。
俄罗斯科学家开发的数值波束形成方法与当今声学建模领域的全球趋势相契合。例如,美国国家航空航天局(NASA)正在积极实施集成数字方法,用于在新型飞机配置(包括“环保型”飞机和“飞翼”飞机)的设计阶段预测和分析噪声。空客和一些欧洲实验室广泛使用直接场声学测试(DFAT)等实验方法,以及对机身和机翼分段进行噪声的实验室建模。DFAT可以显著降低成本并加快测试速度,但需要复杂的实验基础。
与欧美方法不同,俄罗斯方法侧重于应用于超声速飞机的全尺寸模型,重点是在虚拟环境中精确定位噪声源。这在昂贵的实验设备有限的情况下尤其重要。比较分析表明,俄罗斯方法不仅可以补充物理测试,而且在某些情况下可以取代物理测试,尤其是在设计阶段,因为计算的效率和可变性至关重要。
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