双叶螺旋桨的压力波动及噪声浅析（上）

 

１．绪论

近年来，无人机(Unmanned Aerial Vehicle: UAV)已在全球范围内被广泛应用于各种用途，例如农药喷洒、架线工程、货物运输、侦察、战术轰炸等等。由于无人机的推进器是螺旋桨，因此螺旋桨的性能直接影响无人机的空气动力性能和噪音大小。随着空中物流和飞行汽车的出现，未来将有许多无人机在城市上空飞行，因此螺旋桨噪音将在城市中给人们带很大困扰，这也是飞行汽车等推行困难的原因之一。因此，很有必要降低螺旋桨产生的噪音。在无人机产生的噪音中，最大的是螺旋桨在切割空气时产生的噪音，特别是在旋翼机中，通常需要高速旋转多个螺旋桨，因此会产生非常大的噪音。过去的很多研究已经调查了翼形对空气动力性能和噪音的影响。近年来，麻省理工学院（MIT）的林肯研究所发表声明称，环形螺旋桨具有低噪音和高效率的特性⁽¹⁾。同年，日本航天局JAXA也证实了其独特技术开发的低噪音螺旋桨“Looprop”有很好的静音效果⁽²⁾。Sharrow Marine公司已经实现了船用环形螺旋桨的商业化，但无人机用环形螺旋桨目前仍在研究中。本研究关注普通的双叶片螺旋桨，通过CFD数值计算和实验，查明了螺旋桨叶片壁的压力变化以及在不同转速下产生的噪音大小。

２．螺旋桨形状模型⁽³⁾

2.1 NACA 4-Digit翼型

本研究使用的螺旋桨如图1所示。根据表1，螺旋桨的半径R为0.15米，中心半径R0为0.03米。螺旋桨有2片叶片，断面翼型为NACA 6412。表2是从中心到叶片末端的局部剖面安装角α和局部剖面弦长c的参数。

Fig. 1. Propeller model.

Table. 1 Design conditions.

Airfoil profile	NACA 6412
Radius of hub R0[m]	0.03
Radius of blade R[m]	0.15
Number of blades B	2

 

Table. 2 local installation angle and Wing chord length.

r[m]	α[°]	c[m]
0.2	32.48	0.021
0.4	21.70	0.028
0.6	14.86	0.027
0.8	11.25	0.022
0.1	9.04	0.016
0.15	5.62	0.006

 

3．螺旋桨流体声音的理论分析⁽⁴⁾

3.1叶片周围的流体噪音

　在亚音速流中，物体周围产生的噪音是由存在于物体周围不稳定流中的涡旋引起的加速度运动所伴随的压力变动引起的。这些压力变动最终反映在物体表面的压力变动上。根据Lighthill-Curle理论，在流体经过物体时，由于流体力在物体表面的压力随时间的变化而产生气动声。物体表面的压力变动是由边界层扰动，主要是上游扰动、尾流涡流引起的。对于螺旋桨来说，后两者的影响很大，而且加上翼尖端的涡流影响也很大。

3.2旋转流体音

旋转的螺旋桨不仅会有上述的产生的流体噪音，还会产生旋转噪音，因为螺旋桨的旋转引起了空气流动的扰动。在螺旋桨旋转时，高压区和低压区交替出现，这会导致空气的速度和压力的变化。这些速度和压力的变化将导致在螺旋桨前后形成一个高压区和低压区的交替区域，螺旋桨叶片通过空气产生了周期性的压力变化，这些压力变化在周围的空气中形成了压力波。这些压力波随着时间的推移，以与螺旋桨旋转频率相同的频率扩散到周围的空气中，到达观测点的声压也会随之产生周期为1/ωB的变化。因此，观测点的声音会变成频率为（叶片通过频率[BPF]）f = nωB [Hz]的纯音，形成了离散频率噪声。其中，n是谐波阶数，ω是旋转速度[rps]，B是叶片数。

综上所述，从螺旋桨产生的噪声可分为图3所示的两类。在低压送风机（如通风扇）中，主要问题是宽频噪音，而在高压旋转机（如螺旋桨）中，离散的频率噪音是主要噪音。

Fig. 2. Rotation of pressure field in propeller

Fig. 3. Types of Propeller Noise

3.3 声压级

声压级（SPL）是衡量声音强度的一种指标，以分贝（dB）表示。人类听觉所能听到的声压级范围非常广，从0.00002Pa到20 Pa，因此使用对数函数表示会更加方便。（1）式是声压级的定义，它是测量到的等效声压（Pe）与参考声压P0的比值。

这里的Lp表示声压级，Pe表示测量得到的有效声压，P0表示基准声压（通常为20微帕，也是人类能听到的最小声压级），瞬时声压p会随时间变化而变得十分复杂，因此转换为有效声压Pe更容易计算，公式如（2）所示。

(2)

这里的T是时间