「航空小課堂」怎樣設計一架叫「靜靜」的飛機？

眾所周知，超音速客機「協和號」因為「音爆」、起飛雜訊太大等因素，最終退出了市場。據估算，一架在16000米高空以兩倍音速飛行的「協和號」客機產生的音爆對地面產生的壓強高達100帕，相當於給一塊一平米左右的玻璃窗施加10公斤的力；如果把壓強換算成聲強，100帕大約相當於133分貝，這大概就是你恰好處於某重金屬搖滾音樂會的大音箱旁邊的感受。

那麼，如何才能設計出一架安靜且令人舒適的飛機呢，這正是本文想要給大家介紹的內容。

開展飛機雜訊設計的原因及原則

人體對於聲音的耐受度是有限制的，且人在不同聲壓級的環境中允許待的時長也是不一樣的。當雜訊在130～140分貝（dB）時，人的聽力就會受損，超過150分貝時就有可能瞬間致聾。

飛機雜訊一般可分為內部雜訊和外部雜訊兩大類，外部雜訊主要指的是發動機雜訊和湍流邊界層雜訊，而內部雜訊則主要有環控雜訊和設備雜訊。

早期的飛機設計並未考慮雜訊問題，後來發現噪音不僅影響飛行員和乘客的身體健康，常常使得人產生疲勞、心跳加快、血壓升高等不舒適現象，而且還會因為雜訊使得飛機內部的設備儀器發生失穩和靈敏度降低等問題。

據有關報道稱，高鐵列車在時速300km時，火車內雜訊水平不超過66分貝。那麼讓我們來對比一下，飛機一般巡航時速大約為1000km/h，僅按照「空氣動力引起的機體雜訊大約正比於運行速度的7次方」的關係來推算，飛機的噪音就已經遠遠和高鐵不在一個量級，更何況還有需要更大推力的發動機噪音等。而實際上，A380飛機頭等艙的雜訊水平，其官方宣傳為67分貝，機尾為75分貝。和高鐵比起來，包括該飛機在內的不少民用飛機的雜訊控制已經可以說是很牛了。

高速行駛中的列車及A380的艙內雜訊分布

事物都有兩面性，太安靜也是個問題。阿聯酋航空的機長曾抱怨飛行中的A380實在太安靜，身處機組休息區，他可以聽到客艙嬰兒的啼哭聲，大人的鼾聲和沖水馬桶的聲音，不甚其擾。

其實，人類對雜訊的敏感程度不僅與雜訊的大小有關，還與雜訊發生的頻率有關，換句話說，就是與飛機的背景噪音相比，人們更容易受到說話聲，關門聲，鼾聲，哭聲這種人為噪音的影響。因此，波音公司設計飛機時致力於把背景噪音控制在合適的水平，並將這些人為雜訊「過濾」掉。

可見，雜訊設計並不是簡單地不斷降噪，而是控制雜訊分布，並使人處於相對舒適的環境，聲壓級的控制及聲音的頻率分布都是設計的要點。對雜訊源採用改變結構構型等方法進行抑制，在傳播過程中則需要採取相關措施，改變聲音的指向性及聲音強度。

氣動雜訊的控制與設計

據統計，對於噴氣式飛機，當氣流速度到達高亞音速時，機身外部的TBL(Turbulent Boundary Layer湍流邊界層)激勵水平高達107分貝。在飛機設計時，如果在設計初期就考慮雜訊控制，比如增升裝置通過改變表面形狀來改變流場的流動特性，就是很好的方法。據了解，某型民機對縫翼凹面進行了填充，同時引入了聲襯技術，做到了多管齊下。

針對發動機雜訊，增大涵道比，降低風扇轉速，優化設計風扇翼型等都可以有效降低風扇雜訊和噴流雜訊。波音777則採用了「碎蛋殼」鋸齒邊設計降低噴流雜訊。NASA稱，發動機噴管V形罩的使用將外部雜訊降低了2分貝，座艙雜訊降低多達6分貝。而採用複合材料降低機體重量，則可以使得發動機推力更加有效，從某種程度上說，這種方法既能實現更高的油耗比，提升其經濟性，也能間接降噪。

波音777技術驗證引擎上的V型後緣

通過採用多孔蜂窩結構，使聲音在內部進行反覆摩擦增加阻尼，從而達到能量耗散的目的，也是降低雜訊的有效手段。目前大型客機基本採用這一方法。

艙內雜訊來源及控制方法

飛機的艙內噪音主要受動力系統雜訊、機體雜訊和艙內其它系統雜訊影響。

動力系統的雜訊主要取決於選擇的發動機類型。發動機及輔助動力裝置因其高速轉動及氣流壓縮、燃燒等產生的雜訊是飛機的主要聲源之一，當然還有尾噴氣流產生的聲噪。如果是螺旋槳飛機，則還有螺旋槳雜訊，通常稱之為諧頻雜訊。當槳葉旋轉速度很高，尖端達到跨音速和超音速時，這種雜訊尤為顯著。其次是機體雜訊，當機身細長體及機翼等結構件穿越氣流時，會因為氣體壓縮而產生越過結構表面的氣動雜訊，在專業上通常稱為湍流雜訊或者附面層雜訊。另外還有其他的雜訊來源，如系統部件的風扇旋轉雜訊、管道雜訊，因密封問題產生的雜訊等。

動力裝置和附面層雜訊傳遞路徑

當然如果隔音吸聲效果做的比較好，在艙內的感覺還是很舒適的。目前的高檔小轎車設計基本上能夠達到靜音的效果。

通常降噪的方法主要有三種，第一種是對聲源進行控制，比如改善轉子葉片的構型等。第二種是從傳播路徑進行控制，「切斷」或者「改變」聲音的傳播途徑，比如增加厚吸聲層隔聲層，在靠近螺旋槳區域的機身結構，增設高密度的聲襯材料和隔聲層,好比在人員和聲源之間增加了一層屏障。第三種則是在人耳接收處進行防護，比如增加降噪耳機等。在聲源及聲音受眾已經確定的情況下，上述第二種為目前常用的降噪方法，但是這樣做會大幅增加了飛機的重量，在能源緊缺及環保並重的時代，增加重量則意味著更大的耗油量和經濟性損失。

此外，需要說明的是，第二種和第三種方法基本上是屬於被動降噪，主動降噪則需要在設計初期就介入聲音設計程序，了解聲源的頻譜分布及聲波長度等，然後再制定相應的方案，比如引入螺旋槳相位同步控制技術等。

飛機雜訊設計發展趨勢

1971年，國際民航組織（ICAO）通過了飛機雜訊標準及推薦實施辦法，這是最早的關於飛機雜訊的設計標準。2018年1月1日，美國聯邦航空管理局（FAA）對新提交適航審查的飛機採用新的雜訊標準，要求新設計的亞音速飛機噪音降低7分貝。而我國目前民用飛機的設計，則主要參考CCAR 36部。

截至目前，二代渦輪風扇發動機雜訊已經比60年代的渦輪噴氣發動機降低了約20分貝。歐盟更是提出來，到2020年，飛機要實現的十大環境目標，雜訊占其中兩項：飛機雜訊要降低到2000年雜訊水平的一半；2020年徹底消除機場周邊的雜訊擾民。很顯然，目標很遠大，道路很曲折。

隨著技術的進步，主動雜訊控制在飛機設計中取得了長足進展，有源雜訊控制技術在飛機上的應用取得了突破。如英國的Ultra Electronics公司的有源雜訊控制系統已經在SAAB 2000和Q400 DASH 8飛機上安裝了800多套。波音公司更進一步提出「流動牆紙」半主動控制概念，即利用微工藝在很薄的紙板上設計流體自適應放大器。而發動機短艙的有源雜訊控制研究已經進入實用化階段。羅-羅公司的發動機設計初期考慮雜訊控制技術時，不僅僅採用了吸音板裝置，更是通過改變聲音走向「囚禁」聲音，以達到降噪的效果，通過對葉片的構型設計修正以便降低尖端產生的超音速旋轉噪音。

雜訊地圖

飛機的雜訊設計是個系統工程，目前一飛院的設計師們大膽採用新的材料、裝飾及更改構型，使得某型飛機的降噪工作取得了不俗的成績。同時，他們正在努力突破技術壁壘，在型號研製中實現雜訊正向設計與控制。也許在不遠的將來，他們設計的飛機就會擁有內部雜訊地圖及飛行雜訊地圖，這些地圖所涵蓋的信息不僅包括聲音的強度與頻率分布，還會作出提示：尊敬的乘客您好，在起飛階段，您的乘坐舒適度等級為幾級……

結束語

我掬一縷風，輕撫你的皮膚，若吹氣如蘭，而不聞其聲。

我腳踩祥雲，掠過碧海藍天，若游龍在舞，而不受其擾。

未來，飛機設計師們是這樣想的，設計一架叫「靜靜」的飛機吧！

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