低空盘旋“震”死364只鸡!直升机噪声为什么这么大?

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来源:航空制造网

据“兴业公安”11月30日消息,11月24日星期六下午1时许,广西壮族自治区玉林市卖酒镇乐太乌鸦冲村的几名群众惊慌失措地跑到卖酒派出所报警称:当天上午11时左右,一架直升飞机飞到他们家鸡棚上方低空盘旋,发出巨大噪音,364只鸡被“震”死了。

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死亡的鸡 图丨兴业公安

经当地派出所多方联系,11月28日上午,派出所将某航空公司、某农牧集团小平山分公司、养殖户三方代表请到所内进行调解。在民警的主持下,甲方某航空公司与乙方养殖户签订了和解协议书,甲方一次性赔偿乙方12584元。

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和解协议书 图丨兴业公安

在将死鸡解剖后,发现鸡的腹腔内有大量血块。经专业人员了解,动物在受到惊吓时,分泌的肾上腺素会促使心跳突然大幅度加快,血液短时间内冲刷心肌细胞致使心肌撕裂、出血。这种现象被称为 “鸡群应激死亡”。

被直升机噪音导致的动物致死,在世界范围并非首次。同样的事情2016年发生在泰国,泰国南部一家军用直升飞机在下降过程中因强风震动和噪音对附近的养鸡场产生巨大影响。直升机发出的超大声响与强烈气流导致2385只鸡惊吓暴毙,养鸡场场主也因此损失惨重。

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虽然对于直升机使用者来说,听到直升机旋翼旋转的声音,表明直升机正处于安全的飞行状态,可能它正在拯救生命,或是在商业运营之中,但对于普通民众而言,这种声音只是一种非常不受欢迎的噪声尤其在低空飞行中,已经严重影响到了人们正常的作息生活,那么直升机的噪声为什么这么大呢,它的噪声源主要是什么,该如何去改善呢,我们一起进行探讨。

直升机噪声来源

涡轴发动机、传动系统及旋翼系统作为三大主要动部件,是直升机绝大部分噪声来源。涡轴发动机转子转速一般在20000~60000r/min,旋翼系统转速范围一般不超过500r/min,而传动系统是将高转速发动机功率转化为低转速旋翼空气动力的桥梁,其传动链上各级齿轮转速介于旋翼低转速与发动机转子高转速之间,因此直升机噪声频率从低到高,涉及范围很大。

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涡轴发动机噪声

涡轴发动机主要噪声来源于气流通道中引起的气动噪声以及发动机结构振动产生的机械噪声,其中气动噪声与结构振动相互耦合,使得发动机噪声研究成为异常复杂的多物理场耦合问题。

传动系统噪声

传动系统噪声主要源于因齿轮啮合误差引起的高频啮合激振力引起的机匣、支架等结构的振动而产生的结构性噪声。传动系统噪声与机械振动紧密联系且相互耦合影响,一方面振动可能影响系统性能,导致系统零部件过早疲劳,甚至失效;另一方面传动系统噪声是直升机舱内噪声的最主要来源,对直升机乘员直接产生不利影响。

旋翼系统噪声

涡轴发动机及传动系统产生的噪声由于频率较高,在传播过程中衰减很快,因此影响范围主要集中于机舱内的乘员。旋翼系统转速较低,与空气作用产生的低频噪声穿透能力强,对于直升机周边环境而言,旋翼系统噪声为主要成分。

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由直升机旋翼的空气动力桨叶拍击空气产生的噪声是很难消除的。桨叶拍击空气噪声(BVI),主要发生于直升机下降期间,旋翼桨叶与叶尖涡流的互相作用,产生了一个复杂的非定常的压力场,并以高脉冲的噪声在旋翼下向下传播。而高速脉冲噪声(HSI)是由旋翼前行桨叶上的跨声速气流的激波产生,首先从桨叶的叶尖附近开始,并向直升机的前方传播。直升机尾桨噪声相对于旋翼的噪声频率更高,而且又恰好处于人耳听觉中最敏感频谱段,所以更是令人讨厌。

如何降低直升机噪声的影响

美国联邦航空局(FAA)于2013年5月建议提高直升机的飞行高度,并改变直升机在经过城镇附近时的飞行路线,以减轻噪声影响。另外,FAA正在和当地政府一起试验一些由公众建议的,在太平洋海岸高速公路和克伦肖(Crenshaw)公路上空的飞行路线,以使直升机噪声“淹没”在路面交通的噪声当中。芝加哥直升机快车公司也提出了类似的策略,沿着高速公路和铁路,设计直升机旅游观光路线,同时将直升机的飞行高度设在600m以上,以进一步降低噪声的影响。

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当直升机飞行高度或直线距离增加一倍时,噪声会减少6~7dB

FAA于2004年发布了一个“非军用直升机的城市噪声研究”报告,引用了大量研究,结论是可以用提高飞行高度的方式降低噪声对地面的影响。这是一个由飞行员管理的政策,并借用伦敦直升机机场的经验,政策要求直升机的飞行高度要在300m以上,并要在河道上飞行。

根据美国直升机协会(HAI)“友好飞行指南”公布的数据,当直升机飞行高度或直线距离增加一倍时,噪声会减少6~7dB。为了满足直升机在飞越噪声敏感区域时的实际噪声不高于65dB的标准,要求轻型/小型直升机的飞行高度应该不低于300m,而中型直升机则不低于600m。在一个安静的卧室中噪声应在40dB以下,在嘈杂的办公室中的噪声应在约60dB,如果噪声高于65dB则会对语言交流产生较大影响。

尽管提高直升机的飞行高度可以明显地降低地面噪声,但这也带来了飞行安全的问题。例如,在洛杉矶盆地地区共有138个直升机场,如果要求在那里飞行的直升机都提高飞行高度,就不免会在已经很繁忙的空域与固定翼飞机的航线产生冲突。

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直升机降噪技术

降噪技术可以分为被动噪声控制技术和主动噪声控制技术两种。 

被动噪声控制技术

对于旋翼噪声的解决方法是限制桨尖速度,采用先进的翼型和桨尖形状。降低桨盘载荷和桨尖速度、增加桨叶片数可以有效降低载荷噪声。厚度噪声主要与桨叶片数、旋转速度以及翼型参数(厚度、宽度)等因素有关,减小这些参数值可以降低厚度噪声。 

ONERA和DLR 声学优化旋翼项目设计了用于4-6吨直升机的经过声学优化的旋翼(ERATO),其桨叶形状见下图。具体优化措施是:通过优化弦长的展向分布和采用双后掠减小涡的强度以降低BVI噪声;采用先进翼型减小翼型厚度,选择优化桨尖以减少厚度噪声和低频载荷噪声。ERATO旋翼与矩形桨叶的7AD旋翼(桨叶见图1)的试验结果比较显示HSI噪声降低3.6dBA,BVI噪声降低7.6 dBA,

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欧直公司的中型双发直升机EC145采用了噪声优化旋翼和精确的转速控制规律来降低噪声。优化旋翼的一个设计参数是通过增加弦长,减小旋翼直径来减少桨尖速度使噪声辐射最小。另一设计参数是考虑翼型厚度,EC145旋翼在桨尖区有递减的外形厚度,以减小厚度噪声和HSI噪声。EC145还采用了经过高升阻比优选的OA4系列翼型和OA312翼型,以减小阻力马赫发散数提高超音速特性,使声辐射(特别是高速前飞时)减小。

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主动噪声控制技术

最近,为减振发展的高阶谐波控制(HHC)和独立桨叶控制(IBC)方法已经被研究用于减少旋翼BVI噪声。已经进行的采用HHC方法控制BVI噪声的旋翼风洞试验显示,用开环控制可减少约5-6dB。高阶谐波旋翼声学试验(HART)用开环控制BO-105旋翼,表明由于谐波输入降低了振动和噪声水平,进一步由飞行试验获得的噪声数据证实了此结果。在BO-105旋翼和UH-60旋翼上用IBC系统控制噪声的风洞试验结果表明,通过仔细选择开环控制输入可以降噪5-12dB,最近的闭环IBC控制试验也得到了相同的结论。

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然而最近的研究表明控制率的算法中应增加噪声水平作为目标函数,否则在主动控制减振同时噪声也许会增加。对于主减速器的降噪可以在主减速机匣的支撑杆采用主动控制技术,形成主动支撑杆或智能支撑杆,以有效消减齿轮产生的啮合噪声,并且能适应直升机工作条件变化所带来的旋翼转速的变化。直升机舱内还可以采用扬声器作为控制器的主动消声系统。

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首次发布时间:2021-06-26
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