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。

[1] Pinelli L, Poli F, Arnone A, et al. On the numerical evaluation of tone noise emissions generated by a turbine stage: An in-depth comparison among different computational methods, GT2015-42376.

[2] Detandt Y. Aeroacoustics research in Europe: The CEAS-ASC report on 2014 highlights, Journal of Sound and Vibration, 357(2015): 107-127.

[3] Jiricek O. Aeroacoustics research in Europe: The CEAS-ASC report on 2015 highlights, Journal of Sound and Vibration, 381(2016): 101-120.

[4] Prasad D, Li D, Topol D A, Dispersion, dissipation and refraction of shock waves in acoustically treated turbofan inlets, Journal of Sound and Vibration, 352(2015): 46-62.

[5] Peake N, Parry A B, Modern challenges facing turbomachinery aeroacoustics, Annual Review of Fluid Mechanics, (2012): 227-248.

[6] 邵卫东，李军.考虑对流效应的圆柱绕流气动噪声的预测，工程热物理学报，37(2016)：2097-2102.