2023 年 8 月 28 日
- DLR 正在開發一種發動機噪音可聽化的方法。
- 飛機的推進系統可以通過聽覺印象來判斷。
- 在 VIRLWINT 項目中，該方法用於聲學評估測試人員對小型飛機的分佈式電氣化驅動器的聽覺印象。
- 重點：航空、推進技術、心理聲學、噪聲排放、可持續性
空中出租車旨在未來在城市環境中運送人們。因此，正在開髮用於城市和區域空中交通的分佈式驅動的新飛機概念。這些飛機的使用造成了一種新型的噪音污染。此類導彈與無人機類似，有可能聽起來具有威脅性，並給人留下一群蜜蜂在空中飛翔的印象。德國航空航天中心 (DLR) 推進技術研究所正在研究一種方法，使未來推進系統的聲音聽得見，這樣新的飛機概念就不會造成威脅和煩人的噪音效應。
該方法的結果是可用於與測試人員進行聽力測試的音頻文件，以便在開發過程的早期使設計更改可被聽到並評估主觀聲音感知。目標是讓發動機噪音不僅安靜，而且令人愉悅，以減少未來飛機的噪音污染。“推進系統的噪聲效應將成為人們接受城市和區域空中交通領域新型飛機的關鍵因素。推進系統發出的噪聲尤其是一個關鍵的噪聲源。”德國航天中心推進技術研究所的 Stephen Schade 說道。
未來飛機的聽覺印象將發生顯著變化
例如為城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）而開發的飛機的分佈式驅動器可以由大量推進器（例如風扇或螺旋槳）組成。聲音感知受到推進器的佈置和數量的影響。此外，各個聲場可以重疊。這導致聲波相互放大或抵消。對於聽覺印象，這意味著更高或更低的音量。此外，振幅在短時間內可能變化很大，這也會導致體積的波動。這些音量波動通常被認為是煩人和不舒服的。“由於這些影響，分佈式驅動器的主觀聲音感知將不同於傳統驅動器的聲音感知，”Stephen Schade 解釋道。這位科學家繼續說道：“分佈式驅動器的聲音發射不僅在聲級方面與傳統驅動器有所不同，而且特別是在聽者的體驗方面也有所不同，這是由噪聲的心理聲學特性引起的。”
從評價聲級到評價聽感
在推進系統的開發中，人類的聲音感知通常只得到有限的考慮。發動機的聲學設計通常基於對單個發動機的各個聲級的評估。根據聲級，對不同的設計進行聲學評估。尋求具有最小聲級的設計。然而，這並不意味著具有最小聲級的設計在人類聲音感知方面也被認為是最令人愉快和最安靜的設計，特別是當推進系統由大量發動機組成時。特別是，對單一聲級隨時間的變化進行評估，以獲得飛機聲學領域的批准。然而，沒有考慮實際的聽感。
由於所描述的聲學效應（這種效應在分佈式驅動器中尤其嚴重），必須進一步開發現有的噪聲評估程序，以便對具有分佈式驅動器的飛機進行聲學審批。然而，如果在驅動器的開發中特別考慮人類的聲音感知，則可以用整個系統的聽覺印象的最小化來代替個體聲級的最小化。這樣，在驅動系統的開發過程中就已經可以考慮到人類的聲音感知，使得聲級不再是評估驅動系統的唯一因素。通過將噪聲影響研究整合到驅動系統的開發過程中，可以對設計產生特定的影響。
可聽化過程
為了在聲音感知和推進系統的開發之間建立聯繫，推進技術研究所發動機聲學部門的科學家開發了一種使發動機噪音可聽見（可聽）的方法。該程序由三個部分組成。
最初，通過分析計算來預測聲級。這就提出了以下問題：噪聲源在發動機內的哪些點產生，噪聲有多大？
然後模擬飛機的虛擬飛越，併計算聲音在大氣中的傳播。這裡的基本因素是飛行高度，無論是曲線飛行還是飛機起飛或降落。它計算聲音如何從飛機傳播到人類聽覺。例如，考慮大氣對聲音的影響以及聲音在地面上的反射和阻尼。在此過程步驟中，將為每次模擬飛越創建關聯的頻譜圖。
在第三部分中，發生聲音的可聽化。為此，頻譜圖被轉換為音頻文件，其中包含飛機的聽覺印象。現在可以通過在測試室中用揚聲器播放等方式來確定飛機的聲音和感知方式。未來，該方法將用於研究基於人類聲音感知的低噪聲飛機發動機。
該方法目前正在使用空客 A320 飛機（例如DLR ATRA ）上安裝的常規且廣泛使用的 V2500 發動機進行驗證。為此，將頻譜圖、時間信號和音頻文件與起飛軌跡上飛越的測量數據進行比較。可以在此處收聽測量和可聽的音頻文件。
可聽數據的使用
聽覺化可以快速、經濟高效地生成具有各種驅動配置的飛機飛越的音頻文件，然後可用於對測試對象進行聽力測試。這使得設計可以多種多樣，可以進行參數研究，並且可以立即聽到由此產生的聽覺印象。“根據噪聲影響研究的結果，可以得出分佈式驅動器設計的建議，”Stephen Schade 解釋道。
[照片]
(A) 具有分佈式驅動器的新飛機概念
在由 DLR 航空系統架構研究所管理的 EXACT 項目（電動飛機概念和技術探索）中，將在未來幾年內對幾種混合電動推進概念和可能的飛機配置進行研究，並針對以下方面進行優化：他們的氣候影響。
(B) 研究飛機 A320 ATRA
德國航天中心推進技術研究所開發了一種方法，可以讓發動機發出聲音。
(C) 模擬天橋的頻譜圖
在可聽過程中，會為每個模擬飛越生成相關的頻譜圖。繪製了飛越的聲波足跡。橫軸描述了飛越隨時間變化的過程，在所示示例中從 0 秒開始到 40 秒結束。從 0 赫茲到 4000 赫茲的頻率繪製在垂直軸上。色軸代表聲級。