新一代航空发动机的动力学与振动-激光测振仪

新一代飞机的战略发展正朝着进一步降低噪音、排放和提高燃油效率的方向迈进，其中发动机起着决定性作用。发动机的快速发展使得较热门的窄体飞机（如波音737和空客A320）得以重新设计发动机，这类飞机占机队总量的80%，同时其他热门机型如波音777和空客A330也进行了类似改造。

未来10至15年间，我们将面临配备高旁通比（8.5-12）涡扇发动机的飞机：Leap-1B、Leap-1A、PD-14、GE9X、Trent7000、Trent1000TEN、 XWB 以及PW1000G系列机型。

配备此类发动机的飞机可满足2017年（第14章）未来噪音标准要求，既能有效降低有害排放、提升燃油效率，又需同步应对发动机动态特性和振动性能的重大调整。

针对发动机本体（不同旁通比）和飞机机身动力学特性的长期研究，显著明确了现代飞机结构在发动机转子频率范围内的计算模型。该研究还揭示了发动机动力学特性随旁通比增加而变化的趋势。若旁通比增加至预估的8-12倍，预计发动机类刚体动力学行为的上限频率不会超过10赫兹。

采用了一种成熟的阻抗测试技术：为测定这些特性，通过电动力学振动器对结构进行激励，同时保持谐波输入力幅值恒定，其频率在10至500赫兹的研究范围内自动变化。

该动力学特性使得航空燃气涡轮发动机的动态模型能够更加精确，特别是在转子频率范围内。通过对所获数据的分析，可以将研究的频率范围划分为三个子区间，每个子区间具有特定的发动机动力学行为特征，因此每个子区间均可建立其专属的数学模型——该模型简洁明了。

发动机机体在附着点的动态柔顺性分析表明，旁通比(m)为0.5～1.1的发动机在40Hz以下频率下符合刚体模型，而旁通比为2.5～4.5的发动机刚体模型的上限频率则提高到20Hz。

研究发现，在20～40Hz和120Hz频率范围内，发动机机体表现为具有多种阻尼程度的大量共振的弹性-惯性系统。

通过对比多项研究结果，这些共振现象得以识别，并与发动机多个部件（转子、传动箱、固定在壳体上的独立单元）的固有频率相关联[3]。在120至500赫兹的频率范围内，发动机本体符合弹性-耗散元件模型。JT8D发动机的案例在该频率范围内同样符合此模型。

在宽泛的转子频率范围内，发动机机体的动态特性可视为弹性-惯性系统模型或弹性-耗散元件模型。该模型与理想化的航空燃气涡轮发动机刚体模型存在显著差异，主要体现在动态柔顺模量数值及动态行为类型上。旁通比增大的发动机不仅会导致风扇声功率显著提升，还会引起前后半球动力装置所排放噪声频谱的改变。

但这种发展方向导致了风机直径的增大和叶片超音速激波的形成。激波与风机轮的相互作用在叶片主频附近形成一系列离散的多谐波分量，这些分量之间的间隔等于轴的转速。这种现象被称为“电锯噪声"。

涡扇发动机的振动频谱，特别是超大旁通比的振动频谱，会因风扇转子低速运转（尤其在使用齿轮箱的情况下）而显著扩展，这将决定发动机壳体振动过程的特性。

飞机机体在低频频谱区通常具有数十种振荡模式（包括机身、机翼、安定面及其他结构部件的弯曲与扭转振动）。当这些振荡模式与发动机通过安装附件产生的扰动作用相互作用时，可能在加压客舱内产生高强度的低频噪声成分，其中包括次声波。

随着高旁通比发动机的广泛应用，加压客舱的声场特性发生显著变化。这类发动机产生的振动冲击会大幅加剧客舱结构噪声的振动声场。通过新型飞机QTD2（B-777 300 ER型，配备GE90-115B发动机，旁通比8.7）的就近研究证实，其总频谱中低频成分增幅超过30-40分贝。

降低轴转速和风扇叶片数量可显著降低风扇中频段（GE90-115B为800 Hz，而trent 800为1200 Hz）的基频谐波频率。

这些因素的强度主要取决于风扇入口处的工况条件（长叶片可能引发气动失衡）。所有这些因素将共同决定通过安装组件（发动机附件）传递至机身结构的动力装置动态效应频谱。根据考虑发动机与机身原型传递函数及动态柔度真实特性的计算结果，以及在QTD2飞行器样机上的实测数据，驾驶舱内由发动机振动引发的结构噪声预期水平在频谱低频段会显著升高。

发动机进气道高旁通比产生的远场噪声，其声场方向包含多个频率的复合音，这一现象在飞机前排客舱（型号QTD1和QTD2）的噪声频谱中同样得到验证。解决社区噪声问题，可能需要将重点从传统方法（如安装需多种规格且高度增加的隔音罩）转向声源控制技术（如宽弦距风扇叶片、Blisc技术、执行器等）。

要解决结构噪声低频分频谱的问题，需要研发新一代发动机支架（可能配备内置低频隔振装置或压电执行器）。根据高旁通比发动机飞机的运行经验，驾驶舱机组人员所受低频分频结构噪声水平可能超出卫生标准建议值，存在安全隐患。我们预计未来第二代（Advance）和第三代（UltraFan）齿轮发动机将采用开放式转子设计。

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它配备了更高质量的激光模组、镀膜更加丰富的光学镜头、散热效率更高的结构、传输速度更快的信号端口以及通讯配置更为丰富的系统，这些改进使得仪器在严酷环境下的稳定性和易用性得到了显著提升。

该仪器基于多普勒原理，采用红外激光作为测量媒介，能够非接触式、远距离地采集目标物体的振动信号。采用前沿的光学技术和信号处理技术，能够在极短的时间内采集大量的振动数据。 在需要高速测量的场合，超高采样频率能够确保测量的准确性和实时性。

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