CN105468818A - 一种用于直升机旋翼地面声场预测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于直升机旋翼地面声场预测的方法，用于模拟直升机飞行过程中旋翼噪声对地面声场的影响，包括：旋翼气动载荷计算，二级声辐射球的设计与计算，地面观测域点的离散，噪声传播模型建立，地面声场的计算的步骤。本发明的方法可在现有直接计算法基础上，极大降低旋翼噪声对地面影响的计算时间；本发明中考虑了大气、地面等环境因素对噪声传播特性影响的噪声传播模型，相比现有方法，可显著提高预测结果的准确性。

Description

一种用于直升机旋翼地面声场预测的方法

技术领域

本发明属于直升机技术领域，特别涉及一种直升机旋翼地面声场高效预测方法，用于模拟直升机飞行过程中旋翼噪声对地面声场的影响。

背景技术

随着直升机的广泛应用，直升机噪声大的缺点越来越引起人们的重视，并且成为其在军民领域进一步应用的主要限制因素。因此建立能够快速评估直升机飞行过程中噪声对地面影响的预测方法，对于直升机的定型、适航以及使用过程中的降噪都具有重要的支撑作用。

目前地面声场预测只能采用“直接计算法”，即首先进行旋翼的流场计算，得到旋翼的载荷信息；其次采用相应的噪声计算方法计算桨叶旋转一周内，桨叶表面每个声源点对地面观测点的噪声影响。对于一般性地评估，桨叶上的声源点和地面观测点的数量均会达到十万以上，且随着需要评估范围的扩大，地面观测点数量会明显增加。以100000×100000(声源点数×观测点数)为例，仅一次评估时间就达3个小时以上。在实际的直升机噪声评估中飞行状态很多，因而计算时间就非常耗时。

此外，现有的地面声场预测方法中并没有考虑直升机真实飞行过程中大气、地面等环境因素对噪声传播特性的影响。因此，噪声的评估结果会与实际结果相差较大。

发明内容

针对上述现有技术的不足，为了能够准确、快速地预测直升机真实飞行环境中旋翼噪声对地面的影响，本发明提出了一种用于直升机旋翼地面声场预测的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于直升机旋翼地面声场预测的方法，包括以下步骤：

步骤一，旋翼气动载荷计算，获得桨叶表面气动载荷分布；本发明中对于旋翼气动载荷及声源的计算预测不限定方法，可以采用简单的叶素理论或者复杂的计算流体力学方法；

步骤二，噪声声辐射球的计算，在获得旋翼气动载荷分布的基础上，建立以位于桨毂处的声辐射球代替实际桨叶声源，声辐射球上等角度间隔的观测点噪声代表不同方位旋翼的噪声辐射；选择以旋翼中心为球心、半径为25R的球面，通过基于声学类比法的FW-H方程计算球心上离散点的声压时间历程以及声压级；

步骤三，地面观测域点的离散，根据观测域尺寸及评估精度的需要，对地面观测域进行离散划分，采用平均划分的方法，或者在需要密切关注的区域进行观测点加密；

步骤四，噪声传播模型建立，建立基于频域噪声传播模型，按地面观测点循环，连线旋翼的桨毂与地面观测点，并计算观测点对应的二级声辐射点，采用二维线性插值方法插值计算二级声辐射点的噪声；运用时-频变换方法将时域噪声转换为频域噪声，并将频域信号输入噪声传播模型中，进行噪声传播计算；为了提高计算精度，本发明建立了基于频域噪声传播模型，其一方面可以考虑由于传播距离增加造成的几何损失，另一方面可以考虑大气、地面等环境因素对噪声传播特性的影响；

步骤五，地面声场的计算，利用步骤二建立的噪声声辐射球以及步骤四建立的噪声传播模型，直接计算辐射球对地面观测点的噪声；地面声场输出包括：地面观测面噪声的声压级等高图、各观测点声压-时间历程图及噪声频域图。

步骤一中，通过计算获得旋翼桨叶表面的气动载荷，如果计算得到的是展向集中载荷，则通过弦向平均化获得沿弦向的分布。

步骤二中，根据球声源的辐射特征，用二级声辐射球来替代真实的旋翼桨叶声源。

步骤四中，运用傅里叶变换地方法将时域噪声转换为频域噪声。

步骤四中，噪声传播模型中噪声几何衰减、大气吸声、地面吸声及反射的相关计算公式为：

$p_{ra}(x,t)=\frac{1}{r_1}{p}_{ff}(x,t)e^{-\mathrm{\α}\·r_1}+\frac{1}{r_2}{p}_{gr}(x,t)e^{-\mathrm{\α}\·r_2}$

$\mathrm{\α}=-8.686f^2\[1.83\×{10}^{-11}+(\frac{0.01275e^{-2239.1/T}}{f^2/f_{rl,O}+f_{rl,O}}+\frac{0.11e^{-3352/T}}{f^2/f_{rl,N}+f_{rl,N}})$

$\Π({\mathrm{\φ}}_1,\mathrm{\ω})=\frac{0.218(1+i){({\mathrm{\σ}}_e/f)}^{1/2}{\mathrm{cos\φ}}_1-1}{0.218(1+i){({\mathrm{\σ}}_e/f)}^{1/2}{\mathrm{cos\φ}}_1+1}$

其中，p_ff(x,t)，p_gr(x,t)，p_ra(x,t)分别表示噪声接收点接收到的直达声波、反射声波和总声波；r₁，r₂分别表示直达声波和反射声波的传播距离；x，t分别表示观测点接受位置和接收时刻；α，Π(φ₁,ω)表示大气吸声系数和地面反射系数；f_rl,O，f_rl,N分别表示氧气和氮气的弛豫频率；f表示噪声频率；T表示环境温度；φ₁表示直达声波入射角；σ_e表示地面的孔隙率。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的用于直升机旋翼地面声场预测的方法一方面可在现有直接计算法基础上，极大降低旋翼噪声对地面影响的计算时间；

(2)本发明中考虑了大气、地面等环境因素对噪声传播特性影响的噪声传播模型。相比现有方法，可显著提高预测结果的准确性。

附图说明

图1是本发明的技术解决方案示意图；

图2是二级声辐射模型；

图3是大气吸声效应对噪声传播特性影响的计算仿真结果；

图4是地面吸声效应对噪声传播特性影响的计算仿真结果；

图5是地面反射效应对噪声传播特性影响的计算仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例

本实施采用AH-1/OLS试验旋翼。

本发明的用于直升机旋翼地面声场预测的方法，包括以下几个步骤：

第一步，计算状态参数输入，本部分采用的计算状态参数为：拉力系数0.0054，前进比0.164，总距6.2°，纵横向周期变距分别为-2.4°、1.0°。

第二步，计算该状态下AH-1旋翼距桨毂中心25R半径处的二级声辐射球，声辐射球上噪声观测点沿桨叶旋转方向和仰角方向等角度间隔(间隔5°)分布。观测点噪声采用自由尾迹/FW-H方程进行求解；上述两个过程完成了地面声场预测的前期计算。

生成相关的地面观测点分布模型，观测点沿X、Y轴间隔2.5R分布，观测面X、Y轴分别为120m和60m，如图2所示。

第三步，按地面观测点循环，连线桨毂与地面观测点，并计算观测点对应的二级声辐射点：

$\left\{\begin{array}{c}\tan \mathrm{\Ψ}=\frac{\stackrel{\→}{R_{\mathrm{oh}}}\·\stackrel{\→}{j_s}}{\stackrel{\→}{R_{\mathrm{oh}}}\·\stackrel{\→}{i_s}}\\ \sin \mathrm{\θ}=\frac{\stackrel{\→}{R_{\mathrm{oh}}}\·\stackrel{\→}{k_s}}{\stackrel{\→}{R_{\mathrm{oh}}}}\\ \stackrel{\→}{R_{\mathrm{oh}}}=\stackrel{\→}{r_o}-\stackrel{\→}{r_h}\end{array}\right.$

式中，分别表示坐标系中地面观测点将毂中心的位置向量；表示由将毂中心向地面观测点的辐射向量。分别表示坐标系在三个方向的单位向量。Ψ，θ分别表示辐射点方位角和俯仰角。

第四步，采用二维线性插值方法插值计算二级声辐射点的噪声。

第五步，对二级声辐射点噪声进行时-频变换，并将频域信号输入噪声传播模型中，进行噪声传播计算。噪声传播模型中噪声几何衰减、大气吸声、地面吸声及反射的相关计算公式为：

$p_{ra}(x,t)=\frac{1}{r_1}{p}_{ff}(x,t)e^{-\mathrm{\α}\·r_1}+\frac{1}{r_2}{p}_{gr}(x,t)e^{-\mathrm{\α}\·r_2}$

$\mathrm{\α}=-8.686f^2\[1.83\×{10}^{-11}+\left(\frac{0.01275e^{-2239.1/T}}{f^2/f_{rl,O}+f_{rl,O}}+\frac{0.11e^{-3352/T}}{f^2/f_{rl,N}+f_{rl,N}}\right)\]$

$\Π({\mathrm{\φ}}_1,\mathrm{\ω})=\frac{0.218(1+i){({\mathrm{\σ}}_e/f)}^{1/2}{\mathrm{cos\φ}}_1-1}{0.218(1+i){({\mathrm{\σ}}_e/f)}^{1/2}{\mathrm{cos\φ}}_1+1}.$

p_ff(x,t)，p_gr(x,t)，p_ra(x,t)分别表示噪声接收点接收到的直达声波、反射声波和总声波；r₁，r₂分别表示直达声波和反射声波的传播距离；x，t分别表示观测点接受位置和接收时刻；α，Π(φ₁,ω)表示大气吸声系数和地面反射系数；f_rl,O，f_rl,N分别表示氧气和氮气的弛豫频率；f表示噪声频率；T表示环境温度；φ₁表示直达声波入射角；σ_e表示地面的孔隙率。

第六步，对观测点接受到的噪声进行频-时变化，及相关后处理。

第七步，判断地面观测点是否循环完成。若是，则进行下一步骤；若不是，则第四步至第七步。

第八步，采用上述计算方法计算分析了大气吸声、地面吸声(三种不同地面)、地面反射(三种地面观测点高度)对噪声传播特性的影响。典型算例仿真结果如图3-图5所示。

第九步，计算结束。

表1本发明的方法和现有的直接计算法的计算时间对比

本发明的方法一方面可在现有的直接计算法基础上，极大降低旋翼噪声对地面影响的计算时间，如表1所示，本发明的计算时间仅为现有计算方法所需时间的1/30-1/40。

本发明的方法考虑了大气、地面等环境因素对噪声传播特性影响的噪声传播模型，相比现有方法，可显著提高预测结果的准确性。如图3所示，当考虑大气吸声对噪声传播特性影响时，地面观测面声压级等高图幅值降低较为明显。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于直升机旋翼地面声场预测的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，旋翼气动载荷计算，获得桨叶表面气动载荷分布；

步骤二，噪声声辐射球的计算，在获得旋翼气动载荷分布的基础上，建立以位于桨毂处的声辐射球代替实际桨叶声源，声辐射球上等角度间隔的观测点噪声代表不同方位旋翼的噪声辐射；选择以旋翼中心为球心、半径为25R的球面，通过基于声学类比法的FW-H方程计算球心上离散点的声压时间历程以及声压级；

步骤三，地面观测域点的离散，根据观测域尺寸及评估精度的需求，对地面观测域进行离散划分，采用平均划分的方法，或者在需要密切关注的区域进行观测点加密；

步骤四，噪声传播模型建立，按地面观测点循环，连线旋翼的桨毂与地面观测点，并计算观测点对应的二级声辐射点，采用二维线性插值方法插值计算二级声辐射点的噪声；运用时-频变换方法将时域噪声转换为频域噪声，并将频域信号输入噪声传播模型中，进行噪声传播计算；

步骤五，地面声场的计算，利用步骤二建立的噪声声辐射球以及步骤四建立的噪声传播模型，直接计算辐射球对地面观测点的噪声；地面声场输出包括：地面观测面噪声的声压级等高图、各观测点声压-时间历程图及噪声频域图。

2.如权利要求1所述的用于直升机旋翼地面声场预测的方法，其特征在于：步骤一中，通过计算获得旋翼桨叶表面的气动载荷，如果计算得到的是展向集中载荷，则通过弦向平均化获得沿弦向的分布。

3.如权利要求1所述的用于直升机旋翼地面声场预测的方法，其特征在于：步骤二中，根据球声源的辐射特征，用二级声辐射球来替代真实的旋翼桨叶声源。

4.如权利要求1所述的用于直升机旋翼地面声场预测的方法，其特征在于：步骤四中，运用傅里叶变换将时域噪声转换为频域噪声。

5.如权利要求1所述的用于直升机旋翼地面声场预测的方法，其特征在于：步骤四中，噪声传播模型中噪声几何衰减、大气吸声、地面吸声及反射的相关计算公式为：

$p_{ra}(x,t)=\frac{1}{r_1}{p}_{ff}(x,t)e^{-\mathrm{\α}\·r_1}+\frac{1}{r_2}{p}_{gr}(x,t)e^{-\mathrm{\α}\·r_2}$

$\mathrm{\α}=-8.686f^2\[1.83\×{10}^{-11}+\left(\frac{0.01275e^{-2239.1/T}}{f^2/f_{rl,O}+f_{rl,O}}+\frac{0.11e^{-3352/T}}{f^2/f_{rl,N}+f_{rl,N}}\right)$

$\mathrm{\Π}\left({\mathrm{\φ}}_1,\mathrm{\ω}\right)=\frac{0.218\left(1+i\right){\left({\mathrm{\σ}}_e/f\right)}^{1/2}{\mathrm{cos\φ}}_1-1}{0.218\left(1+i\right){\left({\mathrm{\σ}}_e/f\right)}^{1/2}{\mathrm{cos\φ}}_1+1}$

其中，p_ff(x,t)，p_gr(x,t)，p_ra(x,t)分别表示噪声接收点接收到的直达声波、反射声波和总声波；r₁，r₂分别表示直达声波和反射声波的传播距离；x，t分别表示观测点接受位置和接收时刻；α，Π(φ₁,ω)表示大气吸声系数和地面反射系数；f_rl,O，f_rl,N分别表示氧气和氮气的弛豫频率；f表示噪声频率；T表示环境温度；φ₁表示直达声波入射角；σ_e表示地面的孔隙率。