專利名稱:降低飛機螺旋槳噪聲的方法
本發(fā)明涉及到降低飛機螺旋槳所產(chǎn)生的可聞噪聲的方法。
旋轉中的飛機螺旋槳的每個葉片均會產(chǎn)生一種能象聲音或噪聲一樣感覺得到的壓力波。這種噪聲的頻率等于每秒鐘通過一個觀察者的葉片數(shù)，或等于NXS，這里N是葉片數(shù)而S是旋轉速度。
在幾個螺旋槳繞一根公共軸作相對旋轉的情況下，如圖1A中的螺旋槳1A和1F，存在著一個附加的噪聲源。該附加噪聲是由在前的螺旋槳1F與在后的螺旋槳1A之間的(葉片對葉片的)相互作用引起的。當后面螺旋槳的一個葉片通過前面螺旋槳葉片的尾流時，就產(chǎn)生一個噪聲脈沖。人們期望降低這種附加噪聲。
本發(fā)明的一個目的是對由飛機螺旋槳組之間相對旋轉而產(chǎn)生的噪聲提供一種新發(fā)現(xiàn)的，并經(jīng)過改進的降低方法。
就本發(fā)明的一種形式而言，一對相對旋轉的飛機螺旋槳是以調(diào)頻載波形式產(chǎn)生噪聲，調(diào)頻便于設計者控制噪聲的能譜，以便(例如)使大量的聲能進入聽不見的頻率范圍。
圖1是一對8葉片/1葉片螺旋槳的簡圖。
圖1A示出了一架飛機上的一對相對旋轉的螺旋槳。
圖2示出了當圖1中的兩個螺旋槳旋轉時，葉片各個交叉點的旋轉。
圖3是處在旋轉的脈沖噪聲源23平面上的一個觀察者示意圖。
圖4A-C示出了由圖3的脈沖噪聲源23旋轉所引起的調(diào)頻。
圖5詳細示出了通過圖3中的噪聲源23旋轉對圖2中的正弦波14的變換。
圖6和7是兩對相對旋轉的飛機螺旋槳的簡示圖。
圖8是就相對旋轉的螺旋槳對而言，調(diào)制頻率作為葉片數(shù)函數(shù)的曲線圖。
圖9示出了一對相對旋轉的飛機螺旋槳。
圖10和11示出了噪聲頻譜。
本發(fā)明人將說明由其本人改進的一種模擬技術，該技術大致上模擬了在一組相對旋轉的螺旋槳條件下，由螺旋槳葉片的尾流相互作用而產(chǎn)生的噪聲。該技術為螺旋槳設計提供了基礎。
首先，論述一種簡單的相對旋轉的模式一前面的螺旋槳有8個葉片，而后面的螺旋槳有1個葉片。接著，再研究葉片數(shù)差1(例如8和9)的螺旋槳組的模式。然后，分析葉片數(shù)差2(例如9和11)的情況，再接著討論其它的葉片數(shù)。
這里所用“相對旋轉”一詞是指共用一根公共軸的相反方向旋轉的二個飛機螺旋槳，如圖1A和圖9中裝在軸1上的螺旋槳1A和1F。
對于第一種模式，圖1示出了兩個螺旋槳的簡圖。帶有1個葉片的后螺旋槳用方塊2A表示，前螺旋槳由8個圓2F1-8分別表示8個葉片，其中圓2F7由黑點標記。螺旋槳相反旋轉的方向由箭頭4和6指示。
至于噪聲，如果后螺旋槳2A是靜止的，而只有前面的葉片2F旋轉，在前面葉片2F移動而每次穿過單個靜止的后面葉片2A的虛線圓11上就產(chǎn)生噪聲脈沖(在圖2中由波8表示)，即，速率為每秒Nf·Sf次。Nf是前螺旋槳的葉片數(shù)(這里是8)，Sf是前螺旋槳每秒的旋轉速度。在本例中，速度為每秒10轉，則每秒在虛線圓11上將產(chǎn)生80個噪聲脈沖。
噪聲脈沖假定具有一個正弦的基頻加上高次諧波。即，作為距離函數(shù)的壓力分布是將一個正弦波加上高次諧波認作為合乎實際噪聲脈沖的物理形狀。在這里的討論中均假定為正弦波情況，然而在原理上和基頻(正弦)一樣，同樣適合于高次諧波。一個正弦波14示于圖2中的左上部。壓力和距離的座標附加在圖2中。正弦波在離開虛線圓11后按箭頭16的方向，以聲音在周圍介質(zhì)(換句話說，空氣)中的傳播速度傳播。
本發(fā)明人認為，為討論的目的，假設一個正弦波是合理的。但是，正弦波僅僅是用來討論而已，在任何實際環(huán)境中，都應考慮高次諧波和靠本發(fā)明的原理來工作。為討論起見，單一的正弦波是恰當?shù)?，因為任何隨機壓力分布可以表示為正弦波的一系列付里葉級數(shù)。
當前螺旋槳2F單獨旋轉時，具有由Nf·Sf所表示的頻率，現(xiàn)在討論當兩個螺旋槳都旋轉時的頻率。圖2A到2I是沿著圖1中的箭頭2的螺旋槳視圖。圖2A-2I示出3葉片交叉的順序。如前所述，前螺旋槳速度是10轉/秒，現(xiàn)在假定后螺旋槳的速度是相同的。這樣，圖2A和圖2B位置之間經(jīng)過的時間是1/160秒，這也是2B和C位置之間經(jīng)過的時間，……等等直至整個圖2。經(jīng)過圖2A和2I位置之間總的時間為8/160秒。
現(xiàn)在葉片交叉的位置開始旋轉，正象虛線圓11繞中心20移動一樣。葉片交叉的頻率(即噪聲脈沖)是Fc＝(Sf+Sa)Nf·Na……(1)式中Fc稱作載頻(后面更詳細說明)，Sa是后螺旋槳的速度(10轉/秒)，Na是后螺旋槳2A(1個)的葉片數(shù)，其它變量與上面定義的一樣。在本例中，F(xiàn)c＝160個脈沖/秒(即，160＝8×1×〔10+10〕)。重申一遍，對兩個葉片的螺旋槳在每轉一圈中(其半周是由圖2A至I順序表示)，總共將有16個葉片交叉。每秒鐘順序產(chǎn)生10次，則每秒產(chǎn)生160個脈沖。
本發(fā)明人指出該情況類似于圖3中的情況。這里，噪聲源23(類似于圖2A-I中的虛線圓11)如箭頭28所示繞中心25旋轉。噪聲源23以上面描述的頻率產(chǎn)生噪聲脈沖，在本例中，該頻率為每秒160個脈沖，或每轉16個脈沖。所述脈沖由圓30A-P表示。圓30A大于圓30P表明了到產(chǎn)生脈沖30P時由時間脈沖30P表示的脈沖30A已經(jīng)擴展了。
一個觀察者33位于旋轉平面上。目前的討論僅限于在旋轉的平面上，因為那里是噪聲發(fā)送強度最大的地方，在旋轉平面前面和后面的噪聲將很快下降。所述原理不大適用于當聽者移出旋轉平面的情況，除非在這種情況下降低噪聲的要求也降低。在遠端場，距離35大約是距離38和R之和。例如，如果半徑R為6英尺，而距離38為994英尺，則根據(jù)勾股定理，距離35為1000.018英尺。換句話說，0.018英尺的誤差代表了由采用近似法引進的一個百分之0.0018的誤差，該誤差是可以忽略不計的。因此，可以假定距離35等于距離38和R之和。
本發(fā)明人指出，這種假定，對噪聲源23的左右移動(即，在箭頭40和43所指方向上移動)，就觀察者33的作用而言是有關的。當噪聲源23如箭頭46和49所示沿直線38作朝向和背離觀察者以一個按正弦變化的速度進行移動時，觀察者即能感覺出來。噪聲源23的這種移動，產(chǎn)生一個如圖4C所示的按正弦規(guī)律間隔的脈沖列52，并將予以說明。
現(xiàn)在作四個簡化假定。一、噪聲源23以1轉/秒旋轉。二、脈沖頻率為16個脈沖/秒。三、聲音的速度為1100英尺/秒。四、半徑R為10英尺。在這些假定條件下，圖4A-B代表了波陣面(即圖3中的圓30A-P)旋轉一圈后(即一秒后)的一個軸點打印圖。
最前面的波陣面30A(起始于圖3中的點56A和圖4A中的t≤0秒處)在經(jīng)歷的一秒中傳播了1100英尺。第一波陣面30A在圖4C中由箭頭57A表示。第二波陣面30B(起始于圖3中的點56B和圖4A中的時間t＝1/16秒處)在15/16秒中傳播了1031英尺，比第一波陣面少了69英尺距離。但是，噪聲源23在產(chǎn)生脈沖之前已經(jīng)背著圖3的觀察者33移動了(圖4A中的)距離58，該距離等于10sin2π/16英尺(10是半徑R和2π/16是噪聲源的第一和第二脈沖之間以弧度為單位的角度)。這樣，在圖4C中由箭頭57B代表的第二脈沖距中心25不是1031英尺，而是(1031-10sin2π/16)英尺。
對作為其余脈沖的波陣面30C-30P，可用同樣的方法來計算，一直到t＝1秒時，在圖3和圖4B中于點56P產(chǎn)生第16個脈沖。箭頭57P代表了該波陣面位于距中心25的68+10sin 2π/16英尺處。這樣，旋轉噪聲源產(chǎn)生了圖4C中的間隔脈沖列52。
本發(fā)明的發(fā)明人指出，這種脈沖列52實際上是相位或頻率調(diào)制的載波。現(xiàn)在對這種載波作定量說明。
首先進行一種觀察。圖3中脈沖噪聲源23的旋轉速度(該速度等于圖2A-I中虛線圓11的旋轉速度)是由圖1中后螺旋槳2A單個葉片的速度所決定并等于該速度，對此的理由之一是存在單個葉片是產(chǎn)生噪聲脈沖的一個必要條件。該旋轉速度就是指調(diào)制頻率Fm，其種種理由隨后將會明白。要將調(diào)制頻率區(qū)別于葉片交叉的頻率(上面方程式1中的Fc)，葉片交叉頻率既是葉片數(shù)的函數(shù)也是螺旋槳速度的函數(shù)。
回到定量說明上來，本發(fā)明的發(fā)明人將詳細說明由虛線圓11的旋轉結果變換成圖2中的正弦波14的進行過程。如圖5所示，圖2中的正弦波14分段產(chǎn)生如下。假定正弦波14在圖5中的部分61A是由噪聲發(fā)生器23在點64A產(chǎn)生。部分61B產(chǎn)生于點64B，并以此類推直到部分61E產(chǎn)生于點64E。每個部分通過螺旋槳的半徑R的持續(xù)時間t。均等于R/Vs，其中Vs是聲音的速度。連續(xù)波的各個部分61A-E必須通過不同的距離68A-D才能到達觀察者33，這樣，波的各個部分到達的時間就不同。波的每個部分具有不同的時間延遲。各個相應的時間延遲tn由下列方程式計算tn＝tosinθ……(1A)式中角度θ(圖5所示)等于脈沖噪聲源23旋轉速度乘以經(jīng)過的時間，或Fmt，而to是聲音通過半徑所需要的時間，即R/Vs。
如果圖3中噪聲源23的旋轉沒有引起時間延遲，就象上面討論的，當單個的后面葉片2A處于靜止時那樣，則就會在圖5的一個地方，例如點64A產(chǎn)生整個正弦波。這種“靜止”的正弦波可以用方程式P＝Ksin(2πFct)……(2)來描述，式中P等于壓力(或聲強)，K是一個任意常數(shù)。忽略因距離引起的衰減，(該距離影響K)，觀察者33將感覺到(由相同的方程式描述，并象正弦波14所示的)相同的波。
但是，當噪聲源23旋轉時，就引起一個如上所述的相位變化，則觀察者就會感覺到一個由以下方程式描述的波P＝Ksin〔2πFc(t+tm)〕……(3)式中tm是相位變化并由上面所定義。重新加以整理，則tn＝R/Vs·sin Fm2πt……(4)M＝2πFcR/Vs……(5)則P＝Ksin〔2πFct+Msin Fm2πt〕……(6)本發(fā)明的發(fā)明人指出這里的最后方程式(6)包含了一個角度項2πFct，及一個相位項Msin Fm2πt。而且，相位項作為時間的一個函數(shù)變化。該方程式可以改寫為P＝sin(Wct+Msin Wmt)……(7)式中Wc＝2πFc，及Wm＝2πFm。
方程式(7)是用于無線電工程中相位或頻率調(diào)制的經(jīng)典方程。該方程可展開成如下級數(shù)Ps＝Jo(M)sin Wct+J1(M)sin(Wc+Wm)t-J1(M)sin(Wc-Wm)t+J2(M)sin(Wc+2Wm)t-J2(M)sin(Wc-2Wm)t+J3(M)sin(Wc+3Wm)t-J3(M)sin(Wc-3Wm)t etc等等(8)在這列級數(shù)中，Jn(M)項稱為第一類和第n階貝塞爾系數(shù)(Bessel factor of the first kind and nth order)本說明最后的表1是一些貝塞爾系數(shù)的匯編。
貝塞爾函數(shù)展開式包含一個具有Jo(M)幅度的基頻Wc和一系列邊頻。邊頻的頻率與Wc成倍數(shù)而不同于基頻，并具有各自的J1(M)，J2(M)等項的幅度。方程式8示出了圖3中的旋轉脈沖噪聲源23實際產(chǎn)生的一個具有Jn(M)頻譜成分的噪聲頻譜。
作為應用表1的一個例子，假定一個1000Hz(即，Wc＝2π×1000)的載頻，100Hz(Wm＝2π×100)的調(diào)制頻率，調(diào)制系數(shù)M為10。則，根據(jù)表1，方程式8變?yōu)镻s＝-0.2459sin Wct (9)+0.0435 sin(Wc+Wm)t-0.0435 sin(Wc-Wm)t+0.2546 sin(Wc+2Wm)t-0.2546 sin(Wc-2Wm)t+0.0584 sin(Wc+3Wm)t-0.0584 sin(Wc-3Wm)t-0.2196 sin(Wc+4Wm)t+0.2196 sin(Wc-4Wm)t-0.2341 sin(Wc+5Wm)t+0.2341 sin(Wc-5Wm)t-0.0145 sin(Wc+6Wm)t+0.0145 sin(Wc-6Wm)t+0.2167 sin(Wc+7Wm)t-0.2167 sin(Wc-7Wm)t+0.3179 sin(Wc+8Wm)t-0.3179 sin(Wc-8Wm)t+0.2919 sin(Wc+9Wm)t-0.2919 sin(Wc-9Wm)t+000+0.2075 sin(Wc+10Wm)t-0.2075 sin(Wc-10Wm)t中心頻率和邊帶的幅度(即，由表1中的Jn(10)項)繪于圖10。讀者會注意到，由于頻率調(diào)制，能譜是怎樣從載頻(100Hz)離散開的。當M進一步增加時，就接近于圖11的情況具有許多邊帶，而每個邊帶的幅度非常小。
本發(fā)明能利用如下所述的方程式8的貝塞爾函數(shù)展開式。假設一半邊帶在載頻以上和一半邊帶在載頻以下，并將載頻定在人類聽覺的上限頻率或其附近，則將使一半數(shù)量的邊帶變成聽不見。一種更復雜的方法是置載頻于可聞范圍之內(nèi)，而選擇一個大的調(diào)制頻率Wm，以致邊帶(即Jn項)間隔較寬，使載頻之上的邊帶能較快地離開可聞范圍，載頻之下的邊帶經(jīng)反向頻率路徑較快地離開可聞范圍。而且，仍在可聞范圍之內(nèi)的邊帶將具有較小的幅度，即小的Jn項，以致使與許多項有關的大部分能量均在可聞范圍之外。對后者，當由于設計制約使發(fā)動機較大時(例如，螺旋槳速度和直徑)，將有可能使Fc不能接近于人類聽覺極限頻率，則可能要求復雜的方法。
從另一個觀點來看，調(diào)制頻率Fm控制了間隔，因而也控制了邊帶的擴展一個大的Fm給相鄰邊帶之間帶來一個較大的間距(以H2為單位)從而使大部分的能量能移出可聞范圍之外(即，只有少數(shù)較寬間隔的邊帶頻率仍然在可聞范圍內(nèi))。調(diào)制系數(shù)M，根據(jù)表1控制邊帶的幅度分布。(當然要根據(jù)更大范圍的貝塞爾函數(shù)表來計算)。調(diào)制頻率Fm是圖3中噪聲源23的旋轉速度，該速度等于如上所述的圖2中虛線圓11的旋轉速度。如方程式5所示，調(diào)制系數(shù)M既由聲音通過螺旋槳半徑所化的時間控制，又由載頻Fc控制。
現(xiàn)在，本發(fā)明的發(fā)明人將從簡單的對8葉片/1葉片型式的分析推廣到如圖6所示的諸如8和9的葉片數(shù)差1的型式(為了便于說明，圖6中兩個直徑是不同的)。在這種情況下，葉片按下面方向的順序交叉葉片1A與1F相交，接著2A與2F相交……等等一直到1A與9F(不是1F)相交。在一個螺旋槳上相鄰葉片間以弧度為單位的角度距離72是圍繞圓周總角度2π除以葉片數(shù)或2π/N……(10)其中N是葉片數(shù)。
為簡單起見，方程式(10)的分子項2π可以用1轉來代替。這樣，葉片與葉片之間的間隔可以表示為1/N轉/葉片……(11)正如圖6所示，前面的葉片1F和后面的葉片1A處在交叉過程中，因而產(chǎn)生一個噪聲脈沖。在由虛線圓11表示的大約1∶30時鐘位置上，由葉片2F和2A交叉將產(chǎn)生一個接續(xù)脈沖。葉片2A和2F相互接近的速度是它們各自速度的和Sf+Sa。在交叉之前它們必須走過距離74，該距離是角度間隔之間的差值，即1/Na-1/Nf。葉片走過該距離所需時間T是距離74除以速度，或T =(1/Na-1/Nf)轉數(shù)／葉片Sf+Sa轉數(shù)／秒(12)]]>秒/葉片這個獨特的單位，其產(chǎn)生的真正意義是每個葉片交叉(所需要)的秒數(shù)。這樣，兩個接續(xù)交叉之間的時間間隔是由方程式12確定的T。交叉的頻率是T的倒數(shù)Fc＝1/T……(13)這就是適用于上述的貝塞爾展開式的載頻。
現(xiàn)在考慮具有8葉片/9葉片螺旋槳的調(diào)制頻率。正如在上面8葉片/1葉片型式中所詳述的，F(xiàn)m是圖2中虛線圓11的旋轉速度。圖6中模擬虛線圓11所表示的Fm計算如下。在螺旋槳速度相等的情況下，交叉點76將位于葉片2A和2F的中間。這樣，交叉點75和76之間的虛線圓11所經(jīng)過的距離將是距離79(＝1/Na)加上距離77(＝1/Nf)除以2，或1/2(1/Na+1/Nf)，虛線圓11通過這個距離的時間，正如上面方程式12所計算的，是T秒。這樣，虛線圓(即，調(diào)制現(xiàn)象)的旋轉速度(即，距離/時間)為Fm=1/2 (1/Na+1/ Nf)(1/Na-1/Nf) / (Sf+Sa)(14)]]>
由于Sf＝Sa，并乘以 (NfNa)/(NfNa)Fm= Sf(Nf+ Na)(Nf-Na)(15)]]>如果Nf小于Na則方程式15的分母可為負事實上這是無意義的，因為從螺旋槳具有較大數(shù)目的葉片作為Na可直接導致負值。當與另一Fm(馬上由下面導出)相比較時，方程式15中的Fm的含義將變得更明白。
本發(fā)明的發(fā)明人現(xiàn)在考慮當Nf＝5而Na＝7這種葉片數(shù)差2時的情況，這樣的一組螺旋槳大致地示于圖7。本發(fā)明的發(fā)明人指出，必須滿足對目前分析所附加的條件，即，葉片數(shù)沒有公因數(shù)。“沒有公因數(shù)”這個詞，意指沒有一個能同時除盡兩個葉片數(shù)的整數(shù)。例如，Na＝8和Nf＝10之間差2，但它們有一個為2的公因數(shù)。在這個例子中，公因數(shù)2實際上使葉片組作為Na＝4和Nf＝5的兩個順序葉片組工作。在這種例子中，將對每個組使用類似于對圖6所給定的條件分析。
在葉片數(shù)差2和沒有公因數(shù)的情況下，在圖7中虛線圓11A上產(chǎn)生一次葉片交叉(葉片1A和1F)。在兩個螺旋槳速度相等的情況下，下一個交叉產(chǎn)生于葉片3A和4F之間中點的虛線圓11B。正如在圖7中所表示的，交叉不是順序的，距離89是3/Nf，距離91是2/Na。中點距離92是它們之和的一半，即為D＝(3/Nf+2/Na)×1/2……(16)在一般情況下，分子(在本例中是3和2實際上分別是(Nf-1)/2和(N-1)/2。這是由于任何順序發(fā)生的葉片交叉是最接近于在先交叉葉片徑向相對的地方。因此，必定包括第(N-1)/2個葉片。用于計算Fc的方程式是與8葉片/1葉片情況相同，即Fc＝(Sf+Sa)NfNa……(1)也就是Fc是指每秒鐘切割尾流的總次數(shù)，而現(xiàn)在是調(diào)整后面葉片的不同數(shù)目。而且，虛線圓從點84移動到點86的旋轉速度是方程式16中的距離D除以所經(jīng)過的時間，也就是Fc的倒數(shù)。用代數(shù)表示即為Fm＝[ 1/2 × ((Nf-1))/(Nf) + 1/2 ((Na-1))/(Na) ]× 1/2 ×(Sf+Sa)(NfNa) (17)Fm＝[ 1/2 ×Na((Nf-1))/(NaNf) + 1/2 Nf((Na-1))/(Na) ]× 1/2 ×(Sf+Sa)(NfNa)(18)Fm＝ 1/4 [NaNf-Na+NaNf-Nf](Sf+Sa) (19)Fm＝ 1/2 [NaNf- (Na+Nf)/2 ](Sf+Sa) (20)再者，以上最接近的說明限于葉片數(shù)差值為2。
本發(fā)明的發(fā)明人對一些葉片組合的Fm值作了計算(對葉片數(shù)差值為1和2用上面的方程式，對其它葉片數(shù)差值用其它近似公式)，并在圖8中給出一些結果。發(fā)明人需要指出，直線B(方程15)的葉片組合與直線C(公式20)的葉片組合采用了不同的方程式。而且直線A沒有引入差值，表示葉片數(shù)相等。這種安排的理由之一是在這種情況下，沒有任何類似于圖3中的虛線圓11的東西在旋轉所有的葉片同時地出現(xiàn)交叉。也就是沒有等效的旋轉噪聲源23。
正如圖8所示，對于下面的情況，可以獲得相對高的Fm(1)Na＝Nf±2同時沒有公因數(shù)。
(2)Na＝7，Nf＝12。
(3)Na-8，Nf＝11或13。
(4)一個螺旋槳有5個葉片，另一個螺旋槳有7，8，11，12，13或14個葉片。
(5)一個螺旋槳有6個葉片，另一個有11或13個葉片。
(6)一個螺旋槳有7個葉片，另一個有9，10.11.12，13或15個葉片。
(7)一個螺旋槳有8個葉片，另一個有11，13，或14個葉片。
(8)一個螺旋槳有9個葉片，另一個有11，13或14個葉片。
(9)一個螺旋槳有10個葉片，另一個有13或14個葉片。
(10)一個螺旋槳有11個葉片，另一個有13，14或15個葉片。
(11)一個螺旋槳有13個葉片，另一個有14或15個葉片。
(12)一個螺旋槳有14個葉片，另一個有15個葉片。
這些葉片組合，示出了本發(fā)明的若干方式。大的Fm使方程式8的邊帶展開得較寬，這樣能導致變得聽不見的較高階的邊帶(例如，J2的邊帶階比J3的低)。
現(xiàn)在將詳述本發(fā)明的一些重要方面。第一，在圖3中脈沖噪聲源23的前后移動產(chǎn)生載波調(diào)制(它使人們能控制方程式8中的噪聲頻譜)。這種移動是由脈沖噪聲源繞中心25旋轉引起。本發(fā)明把調(diào)制頻率F不僅增加到大于葉片數(shù)相等的情況(作為圖8中由直線A表示的葉片數(shù)相等的情況，F(xiàn)m＝0)，而且還增加到大于葉片數(shù)差值為1(在圖8中由直線B表示)的情況。從某一種觀點來看，F(xiàn)m的這種增加，是由交叉位置的空間跳躍(虛線圓11在交叉位置上)合成的結果，現(xiàn)將在下面給予說明。
在圖6中，在點75發(fā)生一次交叉，下一次交叉正好發(fā)生在點76。從第一次交叉所涉及的葉片(即，交叉于點75的葉片1A)與同一螺旋槳上下一次交叉所涉及的葉片(即，葉片2A，在本例中交叉于點76)是相鄰的這個意義上講，這些交叉在空間上是相鄰的。在葉片1A和2A之間沒有居中的葉片。(居中的葉片即是，例如，處于葉片1A和3A之間的葉片2A。于是葉片1A和3A就不是相鄰的)。因此，圖6中在時間上順序的葉片交叉(例如，在點75和76)在空間上也是相鄰的。
在圖7中情況就不一樣。在此圖中，一個交叉發(fā)生于點84，而下一個交叉發(fā)生于點86。這兩個交叉點在空間是不相鄰的葉片1A包含在第一次交叉中，而葉片3A包含在其后的交叉中，葉片處在它們之間，使它們不相鄰。
因此，在圖7中，時間上順序的交叉點(例如點84和86)在空間上是不相鄰的。對于交叉點不相鄰，至少有以下這么幾個原因，即另一個交叉點(即，在虛線圓11C內(nèi)并與葉片2A和3F有關的點86A)處在點84和86之間，而它發(fā)生交叉的時間又遲于點84和86的兩次交叉。
由于這種不相鄰，與圖6相比，圖7中順序交叉點之間的空間距離增大了。圖7中的虛線圓11A和11B之間的距離增大了，因此兩次順序交叉之間通過的距離也較大，這樣有效地增加了圖3中脈沖噪聲源23的旋轉頻率。前面的討論給出了一種解釋Fm產(chǎn)生很大變化的方法，例如從9葉片10葉片(圖8中的Fm＝425)變化到9葉片11葉片(Fm＝2225)。Fm的這種跳躍使螺旋槳設計者在處理由方程式8給出的噪聲頻譜時給予了較大的靈活性，正如前面提及的，可把大部分噪聲能量稱出可聞范圍。
順序交叉點的不相鄰可以從一個不同的方面來考慮。正如上面已指出，圖6中的交叉點75和76之間的距離D是1/2(1/Na+1/Nf)。即D是葉片間距離的平均值。從數(shù)學觀點考慮，D必須等于或小于1/Na或1/Nf中較大的值。讀者可回想起1/N是葉片之間的間距。這樣，在圖6中順序交叉點(例如點75和76)之間的距離等于或小于較大的那個葉片間距(例如，本例中的葉片1A和2A之間的間距)。
反之，圖7中的順序交叉點(例如點84和86)之間的距離大于任一個螺旋槳的葉片間距。1/Na和1/Nf是葉片間距，但順序交叉點之間的距離是由上面的方程式16計算得到的D。顯然，在這種情況下，D必須大于任一個葉片間距。因此，本發(fā)明的一個不同考慮是順序交叉點之間的距離大于任一個螺旋槳上的葉片間距。這種不同使圖7中的兩脈沖之間的調(diào)制現(xiàn)象(即，代表圖3中脈沖噪聲源23的旋轉的虛線圓11)比圖6要傳得更遠些。
本發(fā)明的第二個重要方面參照圖9加以說明。這里將第一次定義“半徑比”一詞。半徑比是指葉片根部半徑Rr對葉片頂部半徑Rt之比。當然，半徑比總是小于1。上述討論已假設噪聲脈沖出現(xiàn)在如圖2和9中的虛線圓11所示的一個抽象的區(qū)域內(nèi)。虛線圓11位于螺旋槳圓周附近。然而，實際的交叉噪聲是沿著整個螺旋槳，即沿圖9中的整個區(qū)域102產(chǎn)生的。但是，隨著半徑比的增大，圖2的簡化情況趨于在圖9中的區(qū)域104內(nèi)沒有葉片交叉，這樣在那里也就不產(chǎn)生目前論述所關心的噪聲。當半徑比增加時，產(chǎn)生的噪聲趨向定位于虛線圓11內(nèi)。申請人已經(jīng)分析了一組具有半徑比為0.4的相對旋轉的螺旋槳組，并認為其葉片交叉脈沖類似于圖3中的旋轉噪聲源23。
至于本發(fā)明的第三個方面，前面的討論沒有考慮若前面螺旋槳或后面螺旋槳上出現(xiàn)更大數(shù)目的葉片情況。一般來說，較小的葉片，產(chǎn)生較小的尾流。當后面的葉片切割較小尾流時，產(chǎn)生的噪聲很弱。因此，如果前面的螺旋槳和后面的螺旋槳負載相等(即，產(chǎn)生的推力相等)，則具有較多葉片的螺旋槳其每個葉片的負載較小。因此，最好在前面的螺旋槳上采用較小而數(shù)量較多的葉片，許多小葉片的尾流切割(即，噪聲脈沖)比很少幾個大的還要好得多。
此外，進入后面螺旋槳的氣流要比進入前面螺旋槳的氣流傳播得更快，因為前面的螺旋槳加速了送到后面螺旋槳的氣流。空氣速度的增加使后面螺旋槳的阻流特性變壞。但是，減少后面螺旋槳的葉片數(shù)能改進這種特性。因此，由于這種阻流，最好后面的螺旋槳葉片數(shù)更少些。在高速和超音速運轉時，阻流問題變得特別重要。所以，噪聲和阻流方面問題表明應該前螺旋槳上采用較多的葉片數(shù)。
至于本發(fā)明的第四個方面，前面的討論只考慮了圖3(觀察者33所站的)徑向平面上的噪聲。如上所述，由于葉片數(shù)不相等，這種噪聲是調(diào)頻的?，F(xiàn)在來考慮另一種噪聲，即，位于圖1A和圖9軸線1上的觀察者(沒示出)所感覺到的噪聲。這種軸向上的噪聲不是被頻率調(diào)制的，因為觀察者和交叉位置之間的距離沒變。但是，正如將要說明的，本發(fā)明使這種軸向噪聲的頻率提高了。
在8葉片/8葉片和11葉片/5葉片兩種情況下，交叉頻率是從方程式1計算得到的。但是，在這兩種情況下，實際感覺到的頻率卻是不同的。在8/8葉片情況下，由于8組同時發(fā)生交叉，感覺到的頻率是計算交叉頻率的八分之一。在11/5葉片情況下，感覺到的頻率等于交叉頻率。因為交叉在時間上是順序的不是同時發(fā)生。因此，通過本發(fā)明所產(chǎn)生的軸向噪聲的頻率將大大地高于由一對相對旋轉的葉片數(shù)相等的螺旋槳在軸向上產(chǎn)生的噪聲。這種更高的頻率是有利的，因為一、較高頻率隨距離增大而衰減得更快。二、較高的頻率對聽者有時要比低頻更可容忍些。三、按政府的有關規(guī)定來說往往允許某些高頻，而可能不允許某些低頻。因此，本發(fā)明能提供一種較高頻率的軸向噪聲和在螺旋槳平面上的頻率或相位調(diào)制的噪聲，以及在軸線與半徑平面之間區(qū)域中的兩個噪聲之和的復合噪聲。
在前面的討論中已經(jīng)使用了“距離”一詞。例如，距離77和79。距離的一種度量單位是角距離角77的幾何定義是弧77的長度與該弧所在圓的周長之比。這樣，在本文的上下文中，角距離和實際弧長之間沒有顯著差別。當然，如果使用弧長，弧必須取自其直徑可比較的圓，即使弧79代表一個較大的角度，弧77也可比弧79長，因為表示這些弧的半徑不同。
在已作了描述的一組相對旋轉的飛機螺旋槳發(fā)明是這樣安置的，以致前后葉片交叉產(chǎn)生一種相位或頻率調(diào)制的載波。該載波具有一個音頻頻譜，并可通過改變諸如葉片數(shù)和葉片速度來加以控制，以便產(chǎn)生一個理想的噪聲頻譜。一個理想的頻譜，其具有的大量的聲能表現(xiàn)為人所聽不見的頻率。從簡化的意義上來講，本發(fā)明把一個給定量的噪聲能量分成許多不同頻率的分量，以使所選擇的頻率范圍(例如，是可聞范圍)內(nèi)的能量被減少。
雖然本文討論是按照前和后葉片的旋轉速度相等來考慮的，但這不是主要的。采用不相等的速度并不會明顯地降低本發(fā)明的效果?？梢允褂靡粋€標準的旋轉結構(在該結構中，相對旋轉速度是相等的)。在這種情況下，標準速度由Fm值(該值與實際機器的轉速比較是非常大的)直接地加上或減去一個較小的量。
這些系數(shù)乘以Im即產(chǎn)生各個頻譜幅度。
在不脫離本發(fā)明的真正精神和范圍的情況下，可能經(jīng)歷許多改進和替代。通過專利文件所要求保護的是下列權利要求
書所限定的本發(fā)明。
權利要求
1.一對相對旋轉的飛機螺旋槳組，特征在于包括a)具有N1個葉片的第一螺旋槳和b)具有N2個葉片的第二螺旋槳其中N1和N2選自以下的一組數(shù)3，5，7，8，11，13，15和17，而且N1和N2之間的差值為2。
2.一對相對旋轉的飛機螺旋槳組，特征在于包括a)具有8個葉片的第一螺旋槳和b)具有11個葉片的第二螺旋槳。
3.一對相對旋轉的飛機螺旋槳，特征在于其葉片交叉在時間上是順序的而在空間上是不相鄰的。
4.一對相對旋轉的飛機螺旋槳，特征在于其順序交叉的兩個葉片之間的距離大于任一螺旋槳上的葉片間距。
5.在一對相對旋轉的飛機螺旋槳組中，當后面的葉片與前面葉片相交時就產(chǎn)生噪聲，特征在于包括在順序交叉位置之間至少插入一個螺旋槳葉片。
6.在一對相對旋轉的飛機螺旋槳組中，當后面的葉片與前面的葉片相交時就產(chǎn)生噪聲，特征在于包括當繞軸旋轉的速度高于下式所表示的值時1/2(1 /Na+1/ Nf)(1/Na-1/Nf)/ (Sf+Sa)]]>就引起交叉，式中，Na和Nf分別是前，后螺旋槳的葉片數(shù)，Sa和Sf分別是前，后螺旋槳的旋轉速度。
7.在一對相對旋轉的飛機螺旋槳組中，當前螺旋槳的葉片與后螺旋槳葉片交叉時就產(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象，而且該調(diào)制現(xiàn)象是繞軸旋轉的，特征在于包括在速度等于或高于1/2(1 /Na+1/ Nf)(1/Na-1/Nf)/ (Sf+Sa)]]>的值時就引起繞軸旋轉的調(diào)制現(xiàn)象，這里Na和Nf分別是前，后螺旋槳的葉片數(shù)，而Sa和Sf分別是前，后螺旋槳的旋轉速度。
8.一對相對旋轉的飛機螺旋槳組，特征在于產(chǎn)生一個具有由下面的方程式P＝sin(Wct+Msin Wmt)所描述的一個合成分量的遠端場噪聲，這式中P代表壓力，Wc代表載頻，M代表調(diào)制系數(shù)，Wm代表調(diào)制頻率及t代表時間。
專利摘要
在本發(fā)明的一種形式中，一對相對旋轉的飛機螺旋槳，以對載波調(diào)頻的形式產(chǎn)生噪聲。調(diào)頻便于設計者控制噪聲的能譜，以便(例如)使大部分聲能進入到聽不見的頻率范圍。
文檔編號B64C11/48GK86105565SQ86105565
公開日1987年2月4日 申請日期1986年8月6日
發(fā)明者阿瑟·保羅·亞當森 申請人:通用電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan