航空器声爆飞行试验测量技术研究进展

声爆影响航空器飞行的安全性、经济性、环保性等，通过飞行试验进行真实条件下的声爆测量是进行声爆问题研究的重要技术手段。声爆飞行试验是一项复杂的系统工程，面临全传播路径声爆测量技术难点。首先，对近70年的航空器声爆飞行试验研究进行概览，总结了技术发展阶段；其次，对声爆传播特征及对测量的要求进行简要分析，总结了声爆飞行试验测量技术方案；再次，对近场至地面的全传播路径声爆测量关键技术以及辅助参数测量技术进行综述，解析技术要点和发展趋势；最后，对声爆飞行试验测量技术及其发展方向进行了总结，且对中国声爆飞行试验技术研究现状进行简略分析，并提出了建议。     

高温合金的声传播特性

本文研究不同热变形工艺和组织状态与声传播特性的对应关系，以及改善声传播特性的途径，在试验分析基础上提出高温合金噪声电平和底反射损失评定方法和限制界限。     

均匀各向同性大气湍流对声爆传播特性的影响

基于离散Fourier模态有限和生成的随机大气湍流场，采用修正波形参数方法，开展了均匀各向同性大气湍流对典型超声速客机声爆传播特性的影响分析。计算采用的超声速客机模型为自行生成的简化超声速公务机模型。首先，应用航空工业空气动力研究院自主研制的CFD软件ARI_Overset在三维空间求解Navier-Stokes方程，得到作为声爆远场传播初始值的近场空间压力分布；其次，基于Von Karman能量谱，采用离散Fourier模态有限和形式生成随机均匀各向同性大气湍流场；最后，采用修正波形参数方法模拟了声爆信号在随机速度湍流场中的传播过程。数值结果表明：各向同性大气湍流对于地面声爆特征有重要影响。与无湍流状态相比，均匀各向同性大气湍流使得地面声爆特征增强的概率约为55%，使得地面声爆特征减弱的概率约为45%，故总体而言大气湍流效应更倾向于增强地面声爆特征；均匀各向同性大气湍流对于声爆传播路径影响相对较小，但是这一变化仍会导致地面信号接收点的不确定性。     

可渗透面对流FW-H方程伪声产生机制和抑制方法

可渗透面对流FW-H方程及其积分解在远场气动噪声预测中广泛应用，但当涡波通过可渗透面时会产生伪声传播。本文旨在清晰阐明这种伪声的产生机制，并提出有效抑制方法。耦合分析可渗透面对流FW-H方程的右端厚度源和载荷源，发现厚度源的物质导数和载荷源的散度操作可使积分面源自动过滤伪声源。伪声的产生源于对流FWH方程的求解采用了Farassat提出的分部积分公式，因部分积分项被忽略，导致伪声源自动过滤功能失效。从厚度源和载荷源中抽取含有涡波扰动的项，在对流波动方程求解过程中保留相应的物质导数和散度操作，以抑制涡波伪声传播。数值测试算例验证了伪声产生机制和抑制方法的正确性。     

基于KZK方程的声爆频域预测法

建立了一种快速预测声爆传播特性的频域方法,基于传统Khohklov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK)方程,描述声爆沿激波波阵面法线方向的传播。为了验证模型正确性,以NASA TD N-161中试件C为对象,首先基于不同网格,利用计算流体力学(CFD)方法得到超音速流场;将CFD结果作傅立叶变换后代入模型方程,快速求解声爆传播特性。预测结果与NASA实验结果符合很好,研究表明：预测方法能够捕捉声爆的非线性传播,声衍射项使得声场在远场趋于轴对称分布,远距离传播后声能量集中于低频分量。     

基于Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov方程的声爆频域预测法

建立了一种快速预测声爆传播特性的频域方法,基于传统Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程,描述声爆沿激波波阵面法线方向的传播.为了验证模型正确性,以NASA TD N-161中试件C为对象,首先基于不同网格,利用计算流体动力学(CFD)方法得到超声速流场;将CFD结果作傅里叶变换后代入模型方程,快速求解声爆传播特性.预测结果与NASA实验结果符合很好,研究表明:预测方法能够捕捉声爆的非线性传播,声衍射项使得声场在远场趋于轴对称分布,远距离传播后声能量集中于低频分量.      

包含平均旋流的圆环管道声传播的模态分析

通过对三维线化欧拉方程的特征模态分析,研究包含平均旋流情况下声波在敷设声衬的圆环管道中的传播.特征模态分析采用谱配置方法计算轴向波数谱及扰动量的分布.当有平均旋流存在时,特征模态谱主要包括近/纯声模态和近/纯对流模态,旋流的存在甚至会改变传播模态个数,从而改变声波传播截止特性.在验证程序正确性的基础上,研究流动参数及声衬对声模态及对流模态的影响.      

超声速飞行器近场声爆信号反演技术

超声速民机是新一代民机的重要发展方向，其独有的声爆现象是制约其在陆地上空进行超声速飞行的最关键因素。对超声速飞行器的气动外形进行反设计是声爆抑制的有效途径。基于等效面积分布开展反设计，需要远场感知声压级作为直接指导。为此，提出了逆向传播分别与本征正交分解（proper orthogonal decomposition, POD）及伴随方程结合，根据远场声爆信号反演近场声爆信号的方法。采用第二届声爆会议（SBPW）提供的LM1021标模算例，并从远场频域内声压级、响度级和感觉噪声级进行反演可信度评估。结果表明，对于给定的任意远场声爆信号，基于逆向传播结果进行POD反演及伴随方程反演，都可以得到较为准确的近场过压信号，且伴随方程反演方法具有更优的高频信号即局部激波信号反演能力，远场感知声压级更精准。反演结果相应的等效面积分布与参考值高度吻合，表明此方法能够为等效面积指导的低声爆气动优化设计提供基础。     

风扇／压气机气动噪声实验研究

通过WP11压气机转子在亚音、跨音速条件下运行时的声近场测试，得到了风扇/压气机转子的各类气动噪声声源声近场频率及其传播特性，探讨了风扇/压气机各类气动噪声声源的发声机理。为航空涡扇发动机短仓进气部分消声声衬结构设计和位置选择及风扇/压气机声学设计与噪声预测提供了依据。     

噪声在均匀流等截面圆环形排气管道中声传播的数值模拟

应用模态分析方法对转/静干涉噪声在敷设声衬的风扇静子后排气管道中的声传播,声衰减进行了数值模拟。前传声波在遇到声导纳间断面时,声波反射模态增加,前传模态相应减少,因此可利用多段声衬声导纳间断面上的模态反射来抑制管内噪声的传播。计算并分析了均匀流情况下声衬声阻和声抗对管内消声量的影响。在高频声源和大Mach数气流情况下,随声阻或声抗变化,噪声衰减量都存在局部峰值和波动,此时不再呈现低频情况下的单调特征。因此,选择适当的声衬阻抗可有效地抑制发动机噪声传播。     

基于声扰动方程的气动噪声传播积分计算方法

传统声比拟思想假设声传播介质均匀,所获得的远场噪声积分方法无法考虑近场流动非均匀性引起的声折射效应,声场预测结果往往存在较大的数值误差。为解决上述问题,本文采用声扰动方程描述声波运动,并利用声学互易原理,在频域内构建关联近场声源与远场声压的伴随格林函数,从而将非均匀介质折射效应纳入伴随格林函数。基于伴随格林函数和声扰动方程源项的数值结果,利用积分方程计算气动噪声的空间传播。结合上述方法对二维圆柱和NACA0012翼型绕流噪声开展了数值预测研究,远场声压预测结果与CFD直接计算值吻合。数值研究表明,本文提出的基于声扰动方程的气动噪声传播积分计算方法可以考虑非均匀介质对声传播的影响,能够提高气动噪声的预测精度。     

高速铁路全封闭声屏障列车压力波和微气压波数值模拟研究

利用Fluent动网格技术,对高速列车通过圆形全封闭声屏障产生的压力波和出口微气压波开展数值模拟研究.研究结果表明:列车通过圆形全封闭声屏障时,声屏障壁面风压变化过程与压缩波和膨胀波的产生、传播及反射有关,压缩波传播到壁面测点时压力上升,膨胀波传播至壁面测点时,压力下降;在声屏障横截面上,靠近列车的测点压力极值大于远离列车的测点压力极值,最大差异量达到28％;声屏障壁面压力变化幅值、车头鼻尖压力最大值与车速的二次方近似呈正比关系;与隧道结构类似,列车以较高的速度通过声屏障时,将在声屏障出口产生微气压波,微气压波的极值随着到出口的距离增大而迅速降低,并与列车速度的三次方近似呈正比关系.     

分层大气湍流场对远场声爆传播的影响

研究大气湍流对声爆的影响对于新一代超声速民机的低声爆设计具有重要意义。在真实大气环境中，大气湍流是普遍存在的，其会使低声爆波形在由高空向地面传播的过程中发生扭曲、畸变和振荡，并改变波形的能量分布。利用基于单向近似假设的二维HOWARD方程，以类Tu-144飞机的N型波和经过JSGD声爆最小化理论设计的低声爆波形为对象，研究分层大气湍流对N型波和低声爆波形的影响。首先，介绍了考虑大气边界层湍流效应的声爆传播模拟方法，包括改进的二维HOWARD方程及其离散求解方法、分层大气湍流场的建模方法，并采用JAXA抛体试验数据对预测方法的有效性进行了验证，同时与KZK方程预测结果进行了对比。其次，运用本文发展方法研究了N型波和低声爆波形在分层大气边界层湍流场中的传播情况，对地面可观测波形的主观噪声级和超压峰值进行了统计分析，发现大气湍流对增大N型波和低声爆波形主观噪声级（ASEL、PLdB）的概率很小，但很大程度上会增强波形超压峰值。最后，通过改变大气湍流生成过程中3个参数的数值，研究了不同强度的大气湍流场对声爆波形的影响，结果表明：风速脉动幅值和湍流积分尺度的增强对N型波和低声爆波形的感觉声压级影...     

飞机超声速机动飞行条件声爆预测方法

针对飞机超声速机动飞行条件下的超声爆问题，基于广义Tricomi方程建立了表征焦散线附近压力波强非线性演化过程的空间模型，采用伪时间步推进和算子分裂算法，结合时域和频域方法开发了可求解超声爆问题的计算程序ARI＿Superboom。构建的求解方法可分为3个步骤：首先，应用航空工业气动院自主研制的CFD软件ARI＿Overset在三维空间求解N-S方程，得到作为声爆远场传播初始值的近场空间压力分布；其次，基于自主研发的ARI＿Boom声爆预测程序开展射线追踪和声爆远场传播计算，获得焦散线及指定高度处声爆信号；最后，通过ARI＿Superboom预测程序获得焦聚区的地面超声爆信息。通过飞机超声速匀加速状态下地面产生的超声爆预测算例，验证了基于广义Tricomi方程建立的超声爆预测方法的可行性和准确性。     

基于流管试验的管道声传播预测

通过平板声衬流管试验,测试了管道内无流动和有流动下不同入射声波频率的管道壁面复声压,并基于试验模型与数据分别开展了二维和三维管道声传播预测,将试验测量结果与预测结果进行了对比。结果表明:二维和三维的预测结果非常吻合,尤其是在无流动条件下;在不同流动条件和不同频率下,声传播预测给出了与试验数据较为吻合的结果,壁面声压级的趋势与试验结果一致,基本验证了管道声传播预测模型的准确性;对比不同流动条件和频率点,有流动下预测的壁面声压级的误差比无流动更大,低频下预测的壁面声压级的误差比高频更大。      

加力燃烧室热声振荡纵向传播特性及控制

建立了管道声传播与不稳定热释放耦合的热声振荡理论模型,并用来对复杂的航空发动机加力燃烧室中的纵向传播的振荡特征频率及稳定性进行分析和预测.利用二维定常计算流体动力学(CFD)模拟结果获得流动平均参数,在此基础上讨论了加力燃烧室内热释放位置、隔热屏穿孔率等结构的变化对热声振荡特性的影响,表明该模型能够方便地应用于对加力燃烧室热声振荡影响因素的研究并揭示某些控制规律.      

基于广义Burgers方程的声爆传播特性大气湍流影响

声爆是发展超声速民机不可回避的关键问题之一。目前流行的声爆预测技术主要针对静止大气，对大气中的湍流扰动效应考虑不足，尚未建立高效高逼真度的预测方法。基于广义Burgers方程的远场声爆预测方法，通过与射线法相结合，建立了一套可考虑热黏性吸收、分子弛豫等物理效应的大气湍流声爆影响快速预测方法，并采用该方法开展了大气湍流强度和大气边界层厚度对典型远程超声速民机的声爆特性影响规律研究。计算结果表明：建立的预测方法能够合理表征热黏性吸收、分子弛豫等大气物理效应，相比前期基于波形参数法框架的预测方法，能够更加真实地反映大气湍流对声爆传播特性的影响；相比于前期的典型超声速公务机，采用的远程超声速民机声爆波形更加复杂，该预测方法仍能给出复杂波系的大气湍流影响规律；随着湍流强度和边界层厚度的增加，大气湍流效应对声爆特性产生的随机性影响呈增强趋势；同时，声爆在地面到达点的位置也呈现出更加分散的趋势，其可能会改变声爆毯对地面的影响范围，应在飞行轨迹规划中予以考虑。     

快速声散射方法在变截面管道中的应用

 快速声散射方法(FSM)是一种基于无流动Helmholtz方程边值问题的声散射预测工具,具有快速、灵活的特点.以航空发动机消声短舱的声学设计为背景,用该方法对变截面管道声传播特性进行数值模拟研究,用直接边界元方法(DBEM)进行数值求解,避免了求解管口反射系数,有效地提高了计算速度.数值研究了刚性壁面和不同位置壁面声衬组合对变截面圆环管道形状声传播的影响,并分析了管道厚度对散射声场的影响,数值结果与声类比方法结果进行了相互验证.最后,还对一种真实转子声源进行了管道声散射的数值研究,结果表明本方法在航空发动机声学设计中具有工程应用价值.     

载流双层壳的振动功率流特性研究

以无限长的载流双层圆柱壳为模型，根据Flugge壳体理论和均匀流场中的声波方程，研究了壳流耦合系统中，内外壳体外内力传播描率流的特性，为进一步研究载流双层壳的声振特性作了准备。     

基于广义Burgers方程的超声速客机远场声爆高精度预测方法

声爆高精度预测技术是新一代环保型超声速客机设计的核心关键技术之一。基于广义Burgers方程发展了可考虑"大气风"效应的远场高精度预测方法,开发了声爆预测程序"bBoom",并研究了近场声爆信号提取位置和"大气风"对远场声爆计算结果的影响。首先,给出了广义Burgers方程和声爆传播射线的计算方法,重点讨论了方程中计算分子弛豫效应和热黏吸收效应的关键参数。其次,通过简单轴对称构型标模算例、NASA的C25D构型和洛马的LM1021构型等复杂超声速客机算例对所发展的方法进行了验证,表明本文发展的方法在预测远场声爆时具有较高可信度。最后,基于所发展的方法对比了由不同近场提取位置传播到地面的波形,研究了飞机向不同方向飞行时,"大气风"对地面声爆强度和地面影响域的影响。结果表明:对于类C25D标模构型,为了确保远场声爆预测结果具有较高精度,应取机身下方约3倍机身长度位置处的近场压强信号作为传播方程的输入;另外,"大气风"会影响地面声爆强度及地面影响域,在预测时有必要加以考虑。