你们想过为什么航空发动机会这么吵吗？

无论身在客机机舱的你，还是航空母舰甲板指导员，亦或飞行员，均感受过飞机起飞阶段的轰鸣，令人不安。这是因为普通人耳的痛阈声压级是120dB（相当于20Pa，标准状况下的大气压是101325Pa），而航空发动机的声压级通常处于140~160dB范围内；如果没有机身隔音段与隔音棉的阻挡与吸收，人可能会狂躁、疯癫或死亡。

既然乘坐飞机的体验这么差，为何工程师不将飞机设计得安静一点？然而，在现有技术条件下，这是燃油经济性、结构完整性、污染物排放与噪声相权衡的结果，也可以说是当前乘坐体验的最优解。

如果你还是觉得太吵，那就需要一款针对航空发动机的主动降噪耳机，遗憾的是，目前市面上还没有这种耳机。这是因为航空发动机噪声覆盖频段之宽、幅值之高，实属罕见，想设计出克服航空发动机噪声的耳机需要对航空发动机的声学特征有全面的了解，下面我们简要扒一扒

为何航空发动机这么吵？

首先，我们看一下在起飞阶段大涵道比涡扇发动机（该发动机一般用于装配民机）的噪声组成，主要包括风扇前传声、风扇后传声、核心机噪声（包括高压压气机、燃烧室和高压涡轮）、涡轮噪声和喷流噪声；其中风扇噪声和喷流噪声是航空发动机的主要噪声源，风扇噪声包含离散单音、宽频噪声和多重单音，喷流噪声包含宽频噪声和宽带噪声。

风扇噪声中的离散单音和多重单音均属于单音噪声，具有频率特征明显或具有显著数学关系的特点，其来源有风扇自噪声、转-静干涉噪声和短舱-风扇干涉噪声。风扇自噪声是由于风扇对其表面流体的位移和力效应，其频率为转子旋转频率与风扇叶片数乘积的整数倍；

当叶顶出现超音速时，会激发出多重单音，此时频率变为转子旋转频率的整数倍。转-静干涉噪声由周向均匀旋流与下游OGV干涉作用，叶片平均尾迹与下游OGV干涉作用构成，该部分频率噪声的模态分解满足Tyler-Sofrin关系。短舱-风扇干涉噪声是进气道与风扇的干涉作用，会引起±1的周向模态。

风扇噪声中的宽频噪声具有频谱范围宽广的特点，其来源有风扇自噪声、风扇-机匣边界层干涉噪声和转-静干涉噪声。风扇自噪声是由于湍流边界层通过叶片尾缘处吸力面上方引起四极子源的放大所致；风扇-机匣边界层干涉噪声是由于湍流边界层与风扇叶顶间歇流相互作用所致；转-静干涉噪声是由于风扇尾迹中的非定常流与下游OGV干涉所致。

喷流噪声主要由湍流混合噪声和马赫盘激波噪声组成。喷流与低速气流混合层中的湍流包含小尺度和大尺度湍流结构，这二者在喷流中是共存的，其与马赫数等参数密切相关。马赫盘激波噪声一般出现在军用航空发动机中，这是激波在喷流中的反射与干涉所致，其与频率、功率等参数密切相关。

航空发动机噪声的绝大部分贡献是气动噪声，气动噪声与流动紧密联系在一起。“流体经不住搓，一搓就搓出了涡”，一般情形下涡与声相伴相随，在近声场区域涡声相互作用更显著，熵波、涡波和声波相互转化，其物理过程较复杂。如果仅从气动角度看，航空发动机本质上是由多尺度的涡所构成，声波只是这些涡对外传递信息的使者。

这些涡最小为柯莫哥洛夫尺度，最大为机翼宽度；从而航空发动机的声波尺度与此相近（这里不考虑微尺度下的声学过程）。

最后以一个典型的圆柱绕流噪声的算例体验一下被噪声辐射的感觉，然而要想真正设计一款针对航空发动机的主动降噪耳机，我们还有很多工作要做；针对航空发动机的降噪措施，有掠形/倾斜出口导叶、斜嵌进气口、风扇叶片尾流管理、可变面积喷口、声衬布置、对转/变叶距风扇、外涵气流偏转器、压电制动器主动控制、超高涵道比、多瓣式/锯齿形/小突片喷管、气流屏蔽等(这些技术将在后续科普上详述)；相信随着工程师的不断努力，将航空发动机技术水平进一步提升，将来各位的乘坐体验也将更好。

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编辑：jq