一、背景

直升機(jī)的發(fā)展要比固定翼飛機(jī)晚的多，但是直升機(jī)既可以垂直起降、懸停，又能夠向任意方向飛行，直升機(jī)有許多其他飛行器難以企及的優(yōu)勢(shì)，能夠較好地抵達(dá)車輛等其他機(jī)械和交通工具無法到達(dá)的區(qū)域執(zhí)行任務(wù)。從物資人員運(yùn)送、戰(zhàn)場(chǎng)投放，到搜救救援、空中觀光、航拍和物探、防火與救火、警用警戒等，這種特有的飛行能力使其在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

二、直升機(jī)的振動(dòng)與噪聲源有哪些？

直升機(jī)的振動(dòng)源主要分為兩個(gè)部分，一部分是直升機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)，以及傳動(dòng)裝置，另一部分振動(dòng)與噪聲的產(chǎn)生是來自直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)。

直升機(jī)的振動(dòng)與噪聲源簡(jiǎn)圖

1、動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲

直升機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)的噪聲源主要是各種轉(zhuǎn)動(dòng)部件的高速旋轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。比如渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)、渦輪盤、傳動(dòng)軸、以及減速齒輪等。因此動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲是中頻與高頻的。

一種直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)

2、旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲

總體上來說，旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲都是低頻噪聲，是因?yàn)橹鄙龣C(jī)螺旋槳與氣流的各種作用產(chǎn)生的。但是直升機(jī)的流場(chǎng)又是十分的復(fù)雜的，對(duì)于旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲又可以劃分為好幾個(gè)部分，如：槳渦干擾（BVI）噪聲、高速脈沖（HSI）噪聲、厚度噪聲、載荷噪聲和寬帶噪聲等。其中槳渦干擾噪聲是直升機(jī)最為典型，也是最為主要的噪聲類型之一，它是由旋翼槳葉自身產(chǎn)生的尾跡與后續(xù)槳葉相互干擾而誘發(fā)產(chǎn)生的噪聲。這么說大家可能覺得不清楚，下面小編就來解釋一下槳渦干擾噪聲到底是如何產(chǎn)生的。

直升機(jī)旋翼系統(tǒng)

武裝直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)

我們知道飛機(jī)升力產(chǎn)生的本質(zhì)是機(jī)翼的下翼面氣流壓強(qiáng)比上翼面的大，這樣上下翼面就有一個(gè)向上的壓差，飛機(jī)就是靠著這個(gè)向上的壓差托著才不會(huì)掉下來。對(duì)于直升機(jī)來說，雖然槳葉是旋轉(zhuǎn)的，但是原理也還是如此。這就帶來一個(gè)問題，下翼面壓強(qiáng)高，上翼面壓強(qiáng)低，那么下翼面的高壓氣流肯定會(huì)有向上翼面流動(dòng)的趨勢(shì)。在翼梢處，沒有機(jī)翼的遮擋，這種趨勢(shì)就變成了事實(shí)。下翼面的高壓氣流繞過翼梢的邊緣向旋翼的上翼面流動(dòng)，這樣當(dāng)直升機(jī)的機(jī)翼高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)在翼尖形成一個(gè)渦。我們知道，直升機(jī)的槳葉是不斷高速旋轉(zhuǎn)的，這樣前一個(gè)槳葉產(chǎn)生的渦還沒有散去，后邊的槳葉就剛好迎面撞上來了。如此反復(fù)，不斷的劇烈的碰撞就產(chǎn)生了強(qiáng)烈的振動(dòng)與巨大的噪聲，這就是所謂的槳渦干擾噪聲。當(dāng)直升機(jī)處于低速斜下降、小速度平飛、機(jī)動(dòng)飛行等狀態(tài)時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生不同程度的槳渦干擾噪聲。并且槳渦干擾噪聲十分霸道，一旦它出現(xiàn)了，它立馬就成為直升機(jī)的主要噪聲。

機(jī)翼上下表面流場(chǎng)壓強(qiáng)

對(duì)于固定翼飛機(jī)，在翼尖處，下表面的高壓氣流繞過翼尖流向上表面的低壓區(qū)，形成翼尖渦。

翼尖處的翼尖渦

與固定翼飛機(jī)類似，對(duì)于直升機(jī)也會(huì)在槳尖形成槳尖渦，并與后續(xù)槳葉發(fā)生碰撞，產(chǎn)生槳渦干擾噪聲

因此直升機(jī)的噪聲頻段很寬，既包括動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻噪聲，又包括旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的中低頻噪聲。不過，高頻噪聲在空氣中的衰減速度很快，在直升機(jī)的近場(chǎng)基本就衰減完了。我們平時(shí)在地面聽到的直升機(jī)的轟轟隆隆的聲音，基本都是由直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的低頻噪聲。

三、如何減小直升機(jī)的槳渦干擾噪聲？

知道了槳渦干擾噪聲的產(chǎn)生原理之后，那么就顯然只有兩個(gè)途徑能夠減小這種噪聲。一種就是減小翼尖渦的強(qiáng)度，另一個(gè)就是盡量避免后邊的槳葉撞上前邊槳葉產(chǎn)生的翼尖渦。通常又可以分為被動(dòng)控制與主動(dòng)控制，對(duì)于被動(dòng)控制，通常的做法就是增加槳葉的弦長(zhǎng)，數(shù)目。我們知道，升力與速度的平方成正比，也與機(jī)翼面積成正比。增加槳葉的弦長(zhǎng)，數(shù)目就相當(dāng)于增加了機(jī)翼面積，這樣能減小翼載，從而減小轉(zhuǎn)速，可以降低槳葉翼尖的速度，減小翼尖渦的強(qiáng)度。還有就是，槳尖后掠，槳尖葉片尖削等。除此之外還有一些比較特別的做法，下面小編帶大家盤點(diǎn)一下：

1、 槳尖下反

對(duì)于槳尖下反，典型的代表就是美國的黑鷹直升機(jī)采用了后掠加下反的槳葉，葉尖下反20度。下反的槳葉有什么作用呢？我們剛才在上邊講了，槳尖渦的產(chǎn)生是因?yàn)樵谝砩姨?，沒有什么遮擋，這樣下翼面的高壓氣流就繞過翼梢向上翼面流動(dòng)，于是產(chǎn)生了渦。槳尖下反就相當(dāng)于在槳尖加了一塊向下的板子，對(duì)向上繞流的氣流產(chǎn)生遮擋作用。這樣就能夠減弱槳尖渦的強(qiáng)度。無獨(dú)有偶，也不僅僅是黑鷹直升機(jī)這么干，經(jīng)常坐飛機(jī)的朋友可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，客機(jī)的翼梢處也有這么一塊板子，我們叫它翼梢小翼。波音和空客的飛機(jī)這塊板子的形狀還有很大的區(qū)別。感興趣的可以看一下我之前發(fā)的一篇有關(guān)翼梢小翼的文章。

黑鷹直升機(jī)的槳尖采用了下反設(shè)計(jì)

客機(jī)翼尖的翼尖小翼，黑鷹通過槳尖下反來減小槳尖渦的強(qiáng)度的原理與客機(jī)翼梢小翼的原理相同。

翼梢小翼能夠減小翼尖渦的強(qiáng)度

2、歐洲直升機(jī)公司設(shè)計(jì)的藍(lán)邊槳葉

歐洲直升機(jī)公司設(shè)計(jì)的藍(lán)邊槳葉外形很有科技感，一方面通過縮短翼尖的弦長(zhǎng)來減小翼尖渦的強(qiáng)度，另一方面它通過線前掠再后掠的設(shè)計(jì)，不但增加了機(jī)翼面積，減小了槳的長(zhǎng)度，而且可以避免槳尖渦與槳葉平行，能夠在很大程度上減小槳葉與渦流的相互碰撞與干擾。從而減小噪聲。

藍(lán)邊槳葉

3、鋸齒形槳尖

自然界中，貓頭鷹是在黑暗中捕獵的好手，這不僅是因?yàn)樨堫^鷹有良好的感知系統(tǒng)，更是因?yàn)樨堫^鷹在沖向獵物時(shí)能夠做到悄無聲息。于是有人研究了貓頭鷹的翅膀，發(fā)現(xiàn)其羽毛全部張開時(shí)，翅尖的羽毛并不是十分整齊的，而是排列呈鋸齒狀。這有什么好處呢？原來鋸齒狀的外形可以讓下翼面的高壓氣流沿著許許多多的鋸齒向上翼面繞流，這樣就能夠把以前一個(gè)大的翼尖渦分散成了許許多多的低強(qiáng)度的翼尖渦。仿照貓頭鷹的翅膀羽毛的結(jié)構(gòu)，人們?cè)O(shè)計(jì)出一種鋸齒形狀的槳尖。這樣當(dāng)翼尖渦就被分割成了許許多多的強(qiáng)度比較低的小渦流后，這些分散后的小渦流會(huì)在不同時(shí)刻，不同部位，不同方向與后續(xù)的槳葉碰撞，從而有效的削弱了碰撞強(qiáng)度，大大減小了槳渦干擾噪聲。

鋸齒形狀能夠分散翼尖渦

4、帶有伺服襟翼的槳葉

帶有伺服襟翼的槳葉，就是在槳葉的靠近尖部位置安裝幾個(gè)私服襟翼，這些襟翼會(huì)隨著螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)而上下偏轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)襟翼的偏轉(zhuǎn)方向，來調(diào)整氣流的方向，從而讓槳尖渦流與槳葉避開，避免相撞，從而減小振動(dòng)與噪聲。不過這種方法控制系統(tǒng)比較的復(fù)雜，穩(wěn)定性與可靠性不好。

帶有伺服襟翼的槳葉示意圖

帶有伺服襟翼的槳葉做動(dòng)結(jié)構(gòu)

5、在槳葉上鋪能夠驅(qū)動(dòng)的纖維

在槳葉上鋪能夠驅(qū)動(dòng)的纖維，比如加入PZT晶體，在加電以后，纖維會(huì)發(fā)生變形，從而帶動(dòng)槳葉變形，來達(dá)到想要的效果。不過這種方法工藝復(fù)雜，成本高昂。

在槳葉上鋪能夠驅(qū)動(dòng)的纖維

四、總結(jié)

總體上來說，以上的各種方法都是從減小槳尖渦的強(qiáng)度，以及如何避免槳尖渦與后續(xù)槳葉碰撞這兩個(gè)角度來減小槳渦干擾產(chǎn)生的低頻噪聲。當(dāng)然了這只是減小了直升機(jī)的外部噪聲，也就是減小了我們?cè)诘孛嫔纤芨惺艿降脑肼暋Ａ硗?，雖然動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻噪聲傳不了很遠(yuǎn)的距離，但是對(duì)于飛行員與直升機(jī)機(jī)艙內(nèi)的人員來說，這些高頻振動(dòng)與噪聲會(huì)更加的令人煩躁。因此對(duì)于機(jī)艙的減振降噪也同樣是一個(gè)很重要的話題。一般采取的措施有：在傳動(dòng)裝置上加裝彈性支撐、擠壓油膜阻尼器、干摩擦阻尼器、粘彈性阻尼材料、粘彈性減震器等；在機(jī)艙壁板上通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)力吸振器、阻尼減振、以及主動(dòng)控制技術(shù)等來抑制振動(dòng)與噪聲的傳播。

（作者署名：云端風(fēng)火）