传统螺旋桨的噪声问题

 

 

为了使飞行汽车被社会接受，不仅要考虑安全保障和安心感，还要考虑一下螺旋桨发出的噪音和强风问题。除非将来发明一种可以在没有螺旋桨的情况下就能飞行的技术（比如说反重力技术，等离子推进技术，摆线滚轮桨），否则只要有螺旋桨，噪音和强风就是必须考虑的问题。在这里说一下反重力，等离子体技术和摆线滚轮桨，首先对于反重力，我只能保持中立态度，理论上貌似可行，就像暗物质和黑洞一样，理论上说得通，但是证实太难，黑洞已经在2019年被拍到，但是暗物质还只存在理论中。反重力技术就算可行，但是在坐个各位应该都看不到了。其次等离子推进技术在各国都在研究中，麻省理工大学（MIT）已经完成了试验（图1），虽然只就有区区个位数牛顿的推力，让飞机在空中飞行几十米，相信几十年之后会有很大突破，就像当时莱特兄弟的飞机也只飞行几十米一样。这个可以期待一下（之后会对等离子推进技术单独说明）。最后就是摆线桨（图2），摆线桨和螺旋桨有共同点，在很久以前人们就在研究摆线桨，但是由于装置过于复杂，又加上难以控制和材料的原因，就很少人再去深究了，不过当今科技对于控制以及材料已经不是问题，摆线桨也值得重新拿出来研究，关于摆线桨，之后单独介绍，在此文中只讨论的传统螺旋桨飞行方案。

 

 

图1 MIT设计的等离子飞机

 

图2 日本黑猫物流公司设计的摆线桨无人机

 

 

噪音的影响

 

 

直升机噪音的主要来源是发动机噪音和螺旋桨气动噪声。前者将因电动化而消失。后者使用小型螺旋桨来提高转速以确保相同的升力，从而产生更高频率的声音。在这种情况下，会有更多的刺耳声音，通常会感到嘈杂。但是，高频声音往往会快速衰减，无人机的话在起飞后快速上升到高处就不会吵到地面上的人，但是对于有人乘坐的飞行汽车来说，这个噪声就让人很头疼了。因此，也会有一些公司使用大型螺旋桨，降低转速从而减少刺耳的高频声音。

 

 

强风的影响

 

 

螺旋桨吹下来的风在水面上会引起波浪，在地面上则会引起灰尘，因为吹下来的风是不可见的，为了便于理解，使用了在水面上盘旋时引起海浪的图片（图3）。飞行汽车在150米距离处的声压级预计约为80分贝，而传统直升机的声压级为90分贝或更高。

螺旋桨旋转会带动空气往下跑，从而产生升力。其实就是高中时学的牛顿第三定律，作用力与反作用力的原理。因此为了获得更大的升力，螺旋桨就必须要把空气往下面丢出的空气速度更快，只需要增加螺旋桨转速即可。因此吹向地面的风也会越猛（参考现在的直升机即可），这会导致飞行汽车飞行环境变得苛刻，周围不可有人或者其他物品，这会使飞行汽车的使用有很大的限制。虽说从噪声的角度看，安装少数大型螺旋桨更好一点，但是，为了使使用环境更广泛，安装更多小型螺旋桨更有优势。而且螺旋桨数量多会增加安全冗余和更高的效率。

 

 

图3 直升机在海上产生的水波

 

 

 

 

螺旋桨噪声理论和特性

 

 

压缩波（压力波动）在气体（包括液体和固体的连续介质中）传播密度波动（高压和低压），而人耳可以检测到的压缩波就是声波。在大气中，作为声波的压力波动在静止压力（大气压力）周围是不均匀的，这些波动的振动幅度就是声压。声波的行为可以表示为流体动力学中线性近似范围内的波动方程（波动方程的推导方法之后单独说明，不在科普文章中解释）。

 

 

由空气动力产生的噪声（气动噪声）

 

 

在正常旋转条件下，螺旋桨产生的噪音主要是空气动力噪音。气动噪声可分为周期性强的离散频率噪声（如旋转噪声）和宽带频率噪声（如湍流噪声和翼尖端噪声）（图4）。

 

 

图4 离散频率噪声（左）和宽带频率噪声（右）频谱图

 

01

 

主导噪声（旋转噪声）

 

 

旋转噪声是由螺旋桨叶片通过引起的周期性压力波动引起的，并且在叶片数量×转速（=叶片通过频率）及其谐波中具有峰值水平。一般来说，对整体噪音水平的影响较大，声音会变得刺耳。旋转噪声又可分为叶片周围形成的压力场周期性变化引起的噪声（潜在噪声）和尾流干扰引起的噪声（干扰噪声）。前者即使只有一个叶片也会发生，但后者会干扰气流并在叶片附近有物体时产生很大的噪音。

02

 

宽带噪声（湍流噪声）

 

首先，宽带噪声（湍流噪声）是一种嘶嘶声成分，是由湍流噪声引起的（图5）。宽带噪声来自随机分散的源，可分为两种类型：一种是叶片上的空气动力波动产生的，另一种是来自叶片尾流中的湍流和叶片通过湍流时产生的，这是由于相对于叶片的迎角随机变化，导致随机压力载荷和力波动。

螺旋桨湍流产生的宽带噪声由湍流边界层噪声和分离流噪声组成，前者是由湍流边界层中的不稳定流动在固体边界表面产生压力波动，压力波从表面辐射的机制引起的。后者是由分离流中的湍流在固体边界表面产生压力波动的机制引起的。两者都对应于偶极源发出的声音，湍流边界层下方粘性过渡层的爆裂现象就是边界层噪声。

湍流边界层噪声也称为空气刮擦噪声。湍流边界层中的不稳定流动引起固体边界表面的压力波动，由于反作用的原因压力波会从固体表面反射，音源相当于偶极子噪声。爆裂产生边界层底部的乱流生长成为本身的声源，同时在壁面上诱发压力波动。在垂直于壁面的方向上表现出强烈方向性的压力波动是由于壁面的镜面效应与镜像涡流的干涉效应而合成的。

分离流噪声也称为风噪声，是湍流边界层发展，流动开始与固体界面分离后听到的声音，剥离流区的湍流在固体边界处引起压力波动并产生声音，这也相当于偶极子噪声。

螺旋桨的湍流噪声是由主流的湍流、边界层的分离流、湍流边界层引起的噪声以及从叶片的后缘放出的涡流引起的噪声。

主流初始湍流引起的噪声，当流动中垂直于叶片方向的速度波动分量较大时，导致叶片攻角不稳定变化，使叶片产生不规则的升力波动。这种噪声是这种升力波动所产生的。这种噪声在频谱中通常表现为宽带分量，但由于这种噪声的值高于其他湍流噪声，所以它的噪声特性最明显。

从机翼后缘发出的涡流大小相等，并在机翼周围引起相反方向的环流。这种机翼环流的时间变化导致机翼升力波动并产生噪声。当涡流脱落不规则地发生时就形成宽带噪声,当它随着周期性涡流脱落时就形成离散频率噪声。

 

 

图5 叶片上产生的涡流数值计算仿真图

 

03

 

翼尖端噪声

 

 

由于叶片上表面压力小，下表面压力大（图6），空气就会从高压往低压流动而产生翼尖端涡流。又因为高速脉冲前叶片翼尖的相对速度为跨音速而引起的翼尖端噪声（High Speed Impulsive Noise）由前叶片的翼尖涡流干扰后续叶片引起的BVI噪声（Blade Vortex Interaction Noise）

 

图6 翼尖端涡流示意图