直升机噪声信号的小波分析

基于小波变换研究了典型飞行状态下直升机噪声所具有的特征．通过对直升机噪声信号小波细节的描述,使我们了解到桨涡干扰噪声分量对直升机噪声的贡献,并能够清楚地观察到直升机噪声的低频拍振荡现象．     

二维平行桨涡干扰气动噪声特性分析

深入理解桨-涡干扰脉冲噪声特性对其噪声的控制具有重要意义。采用气动噪声直接法对低马赫数条件下的二维平行桨-涡干扰气动噪声进行了数值计算,分析了噪声的产生机理和传播、衰减规律。结果表明:当旋涡接近和经过翼型前缘时,翼型前缘附近压强发生强度不同的两次突变,导致翼型气动力变化的同时,向外辐射产生具有偶极子指向性的脉冲声波,其中较弱的一次压强突变能更有效率地辐射声波;通过对4种不同来流速度的声场进行分析,发现上、下远场声压峰值和传播距离成反比,和来流速度的三次方与升力系数波动幅值之积成正比,由此得出了远场声压峰值计算公式,为桨-涡干扰远场声压的预测提供了另一种途径。      

非均匀桨直升机旋翼厚度噪声分析

分析了桨叶间距非均匀调制对直升机旋翼厚度噪声的影响.桨叶间距按照正弦调制和余弦调制变化时,根据FW-H方程的Formulation 1A公式,计算了直升机悬停状态下的旋翼厚度噪声.桨尖速度为亚音速时的计算结果显示,与桨叶间距均匀的直升机旋翼厚度噪声相比,非均匀桨可以改变厚度噪声的频谱特征,而且在基本保持厚度噪声总声压级不变情况下,降低厚度噪声桨叶通过频率及谐频的线谱幅值.本文的分析和结果有助于认识非均匀旋翼厚度噪声的频谱变化规律.     

旋翼尾流时空发展二维速度场的实验研究

旋翼作为直升机的主要升力和操纵部件, 具有复杂的流场结构, 如非定常性, 桨-涡干扰和桨尖涡等, 导致旋翼流场研究十分困难. 针对这一问题, 结合锁相技术和粒子图像测速(particle image velocimetry, PIV)技术开展了悬停状态下旋翼流场的实验研究, 并通过本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)提取主要含能模态, 刻画流场时空演化. 结果显示, 旋翼尾流发展过程中向旋转轴靠近, 二维流场结构呈现倒三角结构, 即扩展到三维流动中会呈现倒锥型结构的特性; 通过POD进行含能模态分析, 旋翼尾流中对湍动能贡献最大的为桨叶涡结构, 其次是桨尖涡结构.      

旋翼桨尖几何形状对旋翼气动噪声影响的定量计算分析

采用CFD与计算声学相结合的Euler Kirchhoff方法对UH-1H直升机旋翼跨声速悬停流动的远场噪声进行定量计算,并将计算结果与实验值进行比较,验证了Euler Kirchhoff方法的正确性.然后以UH-1H直升机旋翼为基准旋翼,定量计算了对桨尖旋翼翼型厚度、旋翼尖削度、后掠角进行变化后的旋翼悬停流场的远场噪声,分析了旋翼桨尖几何形状对噪声的影响.得出结论:降低桨尖翼型厚度、浆尖尖削、浆尖后掠均可以降低噪声峰值.     

脉冲声信号影响锥特征的自适应选取EI北大核心CSCD

为了解决低信噪比下脉冲声信号影响锥特征的自适应选取和检测问题,提出了一种改进的整体嵌套边缘检测方法。利用脉冲信号小波域的时间-尺度分析谱图中明显的边缘效应特征,构造自适应影响锥(A-COI)模型。该模型可自适应输出最适影响锥部分,在减弱噪声干扰的同时最大程度的包含了脉冲信号的主要特征。进而将最适影响锥部分对应的小波系数用于脉冲信号检测,有效提升了低信噪比下的检测性能。对典型直升机桨-涡干扰脉冲信号的仿真和实验数据进行分析,结果表明在0 dB,2 dB,5 dB信噪比的复杂环境下,使用基于A-COI模型的检测率分别达到了65.13%,82.33%,95.27%,相对于传统固定大小影响锥的检测算法提升了42.42%,22.99%和2.36%。     

基于LQR的无人直升机姿态控制器设计

无人直升机控制系统是一个易受环境干扰的、各通道相互耦合的非线性系统.为了实现无人直升机能在不同环境下自主飞行,需要设计抗干扰能力强的控制器;采用系统辨识的方法得到直升机横向通道和纵向通道姿态环路的线性系统模型;根据线性最优二次型理论,对直升机横向通道和纵向通道的姿态环路设计了LQR最优控制器,使用MATLAB仿真选取最优控制器参数后,在ALIGN 700N 直升机上进行了实际飞行试验,仿真和飞行试验表明,采用LQR控制技术设计的无人直升机姿态控制器具有较强的鲁棒性和实用性.     

高雷诺数双螺旋涡尾迹演化特性分析

螺旋状尾迹涡是直升机悬停旋翼流场的主导特征之一,其时空演化特性对旋翼气动性能具有重要影响.为了揭示悬停状态下旋翼尾迹涡的演化特征,对两桨叶刚性旋翼在高雷诺数悬停状态下的双螺旋状尾迹涡开展数值研究,采用基于流场特征的网格自适应技术,结合低耗散迎风/中心混合格式以及延迟脱体涡模拟方法对Caradonna-Tung旋翼在桨尖马赫数为0.439、桨尖雷诺数为1.92×10~6的悬停流场进行了高分辨率计算.基于欧拉和拉格朗日两种描述方法对计算结果进行了分析,揭示了双螺旋尾涡系统的演化特性:后缘尾涡面在桨尖附近的反向卷起及其与下游桨尖涡的相互作用是影响涡系稳定性以及涡-涡相互作用的重要因素;涡龄小于720°时,在固连于桨叶上的旋转坐标系中观察,涡系具有时空稳定性,涡管中心处轴向涡量随涡龄按照幂函数规律衰减.在固连于漩涡中心的局部极坐标系中,周向速度分布以及涡核半径随涡龄的变化与理论涡模型相符合,环量随涡龄的变化显示了漩涡的生长、平衡及耗散等演化阶段;模态分析结果表明,除点涡模态外,来流与点涡的复合模态在漩涡演化过程中对流动特征的转变有重要影响;涡系轴截面速度场的拉格朗日拟序结构直观地显示了漩涡场的时空演化过程,揭示了漩涡配对和共旋穿越等流动特征,同时也展示了后缘尾涡面卷起现象在漩涡演化过程中的作用.     

伴流场中对转桨空化初生的判定与辐射噪声预报和校验

采用空化多相流瞬态模拟和边界元数值声学计算相结合的混合方法,预报了全附体假尾后对转桨在初生空化状态下的线谱和宽带谱噪声,分析了初生空化状态下对转桨噪声谱级相对于无空化状态的增量,提出了同时从流场与声场角度判定对转桨空化初生的四个充分条件。预报值与空泡水筒噪声测量值进行了比较。多相流瞬态模拟包括非定常雷诺时均模拟、尺度适应模拟和分离涡模拟三种方法。计算结果表明,在大范围进速系数范围内预报对转桨敞水性能曲线与测量值吻合很好。尺度适应模拟(SAS)和分离涡模拟(DES)在捕捉对转桨空化脉动压力时精度相当,均能满足非定常负载噪声预报的精度要求;雷诺时均模拟(URAN S)仅对于低频负载噪声来说基本适用。空泡体积脉动诱导线谱噪声在800 Hz处的预报误差小于4 dB;在800 Hz^3 kHz频段内,预报得到1/3oct中心频率处谱级的平均误差小于1.5 dB,总声级预报误差小于2.4 dB。空化初生的充分条件为:空化面积与桨盘面面积的比值小于2%、积分力和叶梢截面压力系数分布较无空化状态基本不变且中高频段噪声谱级增加8~10 dB。较好地解决了伴流场中对转桨空化初生判定和初生空化状态下辐射噪声预报的两个技术难题,可直接服务于高速、低噪声鱼雷的设计研发。      

多普勒频移修正在测定直升机飞行噪声固有频率中的应用

对于噪声信号采集系统采集的某型直升机的飞行噪声信号,提出了结合机载GPS数据,进行多普勒频移修正,然后叠加多个多普勒频移修正结果,以得到直升机旋翼、尾桨和减速器噪声固有频率的新方法,可以大大减小单次多普勒频移修正的误差。这种方法为确定飞行器飞行噪声固有频率提供了有效的途径。     

基于CMAC和PID复合控制的电动伺服加载算法研究

针对直升机在海上执行搜救、探测任务时,海浪噪声会干扰高度信息的测量,引起直升机高度波动的问题,提出一种有效的用于处理海浪噪声的卡尔曼滤波方案。通过建立海浪模型,分析无线电高度表和垂直加速度计测量信号的特点,给出了融合两种高度传感器信息的海浪滤波算法,并应用于直升机高度控制系统进行检验。仿真结果表明,根据海况调整滤波器参数,用所提出的算法可以有效滤除海浪噪声,给出满意的高度信息。将此滤波方案应用于直升机高度控制系统,可以明显改善飞机高度的稳定效果。     

水下对转桨无空化噪声调制理论分析与试验研究

水下对转桨无空化噪声由流场-桨叶相互作用引起,调制特性是水下对转桨无空化噪声的重要特征,本文研究了水下对转桨无空化辐射噪声调制机理。首先利用广义声类比方法得到了无空化条件下水下对转桨的远场声压谱,建立了水下对转桨无空化噪声的调制模型,然后数值仿真了模型对转桨无空化噪声的功率谱和调制谱,最后在空泡水筒中进行了模型对转桨的无空化噪声测量试验,数值仿真结果和试验验证了调制模型的准确性。该模型对于水下对转桨无空化噪声调制特性预报及目标识别具有重要价值.      

基于特征值方法的旋翼尾迹稳定性分析

给出一个旋翼尾迹线性化稳定性分析的方法.在该方法中,尾迹涡线被离散为直线涡段,尾迹的扰动归结为涡元端点的扰动,考虑了桨尖涡的自诱导和涡线的互诱导以及桨尖涡与桨叶的实际干扰.使用该方法,分别以UH-1H和AH-1G模型旋翼为例,对悬停和前飞状态的旋翼尾迹的稳定性进行计算和分析.结果表明:旋翼尾迹运动存在大于0的特征值,是内在不稳定的,且最大发散率随波数变化呈现出一定规律性;前飞与悬停状态不同,其最大发散率减小,不稳定性减弱.     

四旋翼直升机爬升速度检测方法与实验研究

为实现四旋翼直升机爬升速度的精确测量,提出了一种新型的检测方法;该方法首先采用加权平均法和均值滤波方法测量高度值,然后采用平滑鲁棒噪声微分法计算爬升速度,通过对实时数据的采集与处理,得到精确的信息;基于MEAS公司MS5611-01BA气压传感器的实验结果表明,经过平滑鲁棒噪声微分法处理后的爬升速度精度明显提高,标准差只有中心差分法的34%,比Lanczos微分法减少了13%,具有较好的鲁棒性,满足实际应用要求。     

涡旋对深海风成噪声垂直空间特性的影响

涡旋是深海环境中频繁出现的海洋现象,它会引起上层海水的声速扰动,改变海面风成噪声的传播过程,最终导致噪声场特性异常.本文采用高斯涡模型描述涡旋引起的声速扰动,分别使用射线和抛物方程模型描述近场和远场噪声信号的传播,研究了涡旋对其水平中心位置不同深度上的风成噪声垂直空间特性(包括噪声垂直方向性和垂直相关性)的影响.研究表明:1)在涡心深度上,涡旋对噪声垂直空间特性的影响最大,其中冷涡导致噪声垂直方向性中水平凹槽的宽度增加,凹槽下边缘峰值的高度降低,噪声垂直相关性减弱,暖涡的影响反之; 2)在远离涡心的深度上,涡旋对噪声垂直空间特性的影响减小,冷涡和暖涡分别仅引起噪声垂直方向性中水平凹槽下边缘峰值的高度升高和降低,对噪声垂直相关性几乎没有影响; 3)涡旋对噪声垂直空间特性的影响均随其绝对强度增大而增强.针对以上现象,使用射线逆推方法分析了涡旋影响噪声垂直空间特性的机理.该方法由噪声接收点发射声线,利用声场互易性分析噪声沿声线反向到达接收点的俯仰角和能量大小.分析表明,存在涡旋时,噪声沿海面反射声线反向到达接收点的俯仰角和能量变化,是引起噪声垂直空间特性变化的主要原因.此外,仿真表明,当接收点偏离涡旋水平中心但两者距离较近时,研究中的分析和结论仍是近似成立的.     

旋翼与直升机的独特性能

 直升机以其独特的性能成为现代战场上的“轻骑兵”，是现代战争中一支重要的军事力量。这主要是因为直升机相对于固定翼飞机有许多优点：直升机起降场地很小，无须专门修建机场和跑道，对场地的质量要求也不高，高耸的山头、狭窄的山谷都可供直升机起飞和降落。另外，直升机可以垂直起降和空中自由悬停及向前、后、左、右飞行。而这些特性都与它独特的旋翼有关。     

无人机GPS接收机超宽谱电磁脉冲效应与试验分析

基于无人机GPS接收机干扰容限,分析了GPS超宽谱强电磁脉冲效应机理,开展了高重复频率超宽谱电磁脉冲干扰机对典型微型无人机的效应试验,测试分析了在不同位置、不同高度、不同状态、不同飞行模式下无人机GPS接收机的高重复频率超宽谱电磁脉冲干扰效应。试验结果表明,高重复频率超宽谱电磁脉冲对无人机GPS、图传系统、下视传感器均有不同程度的干扰作用,导致无人机无法正常起飞、失控等异常现象,验证了高重复频率超宽谱电磁脉冲干扰GPS接收机的可行性。     

共轴双旋翼悬停状态气动噪声特性分析

结合CFD(Computational fluid dynamics)方法和FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程,建立了一套适合于悬停状态下共轴刚性双旋翼气动噪声特性计算方法。为了准确模拟共轴旋翼流场的涡干扰现象和非定常特性,基于运动嵌套网格技术与双时间推进方法,采用积分形式的可压雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为双旋翼非定常流场求解控制方程,湍流模型选用Baldwin-Lomax模型。通过Farassat 1A公式计算双旋翼气动噪声特性,每个声源微面的位置和载荷信息直接从桨叶表面网格中获取。然后,对水平面内和竖直面内观测点处共轴双旋翼厚度噪声、载荷噪声和总噪声的声压时间历程和频谱特性做了细致对比。模拟结果表明:上旋翼和下旋翼反向旋转的特点对声压时间历程影响显著,不同方向观察点的声压波形峰值对应的相位不同;共轴旋翼流场中存在的文丘里效应、桨-涡干扰现象以及下洗流的作用使得桨叶气动载荷呈现明显的非定常特征,导致共轴双旋翼的载荷噪声辐射强度较大;在低频段,总噪声受厚度噪声主导,而在高频段则受载荷噪声主导。      

直升机旋翼三维动态变形测量与可视化分析

针对直升机旋翼动载荷飞行试验测试需求,提出一种直升机旋翼三维动态变形测量与可视化分析方法。首先,根据直升机旋翼的结构特点和高速旋转特性,设计了以一组双目高清摄像头为核心的旋翼动态变形影像测量与监控及分析系统;其次,基于双目立体视觉测量理论,论述了测量系统标定、实时单点变形测量、散斑影像匹配、旋翼表面三维重建与三维动态变形可视化分析原理/方法;最后,在地面进行了模拟实测环境的仿真试验,实现了试验系统搭建、试验数据采集、处理与分析。试验结果证明,该方法可获得最大误差优于4 mm的定位测量精度,能很好地实现直升机旋翼三维动态变形测量,为飞行试验旋翼载荷测试数据分析等提供直观、可靠的数据与技术支撑。     

基于涡声理论的低速轴流风机气动噪声研究

采用PIV和CFD对不同安装角低速轴流风机流场进行对比研究,结合低速等熵流动的涡声理论分析风机内部流场与噪声辐射关联,在此基础上计算风机气动噪声.研究表明,低速等熵流动的气动噪声主要源于流场中涡系的拉伸与破裂.均匀进气情况下低速轴流风机的主要气动噪声源为叶片尾缘涡脱落噪声和叶尖涡噪声,其中前者强度明显大于后者.在此基础上,应用基于CFD的涡脱落噪声预测模型对风机气动噪声预测结果与实验吻合较好.