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悬停状态电控旋翼噪声主动控制试验

更新时间:2009-03-28

电控旋翼,也称无自动倾斜器旋翼,是21世纪初提出的一种新概念旋翼系统。其利用嵌入桨叶的电作动器驱动伺服襟翼来代替自动倾斜器实现桨叶变距,具有机械结构简单、气动效率高等优点[1,2]。电控旋翼自身的结构特点,不仅可用于实现主操纵,还可以方便地施加高阶谐波控制,实现旋翼主动振动/噪声控制[3]。虽然国内外对于电控旋翼的理论研究已产生大量成果[4-7],国外在多年前也已利用主动控制襟翼技术实现了对常规旋翼的噪声控制 [8-12],但是对于电控旋翼的主动噪声控制试验则未见相关文献。本文开展了悬停状态下电控旋翼的噪声主动控制试验。基于电控旋翼综合试验台,通过搭建相应的噪声控制试验系统,探究电控旋翼襟翼不同谐波阶数下的幅值、相位变化对旋翼噪声的影响规律。

悬停状态下的旋翼噪声主要包括厚度噪声和面内载荷噪声。而面内载荷噪声是由桨叶表面的载荷脉动而产生的宽带噪声,是悬停时旋翼噪声的主要成分[13],因此,本次试验主要验证对电控旋翼面内载荷噪声的控制,对于其他类型的噪声控制,也有参考价值。

1 电控旋翼噪声控制试验系统

电控旋翼噪声控制试验基于电控旋翼综合试验台展开,本文仅针对旋翼噪声控制从硬件和软件两方面进行说明。

1.1 系统硬件

试验系统由模型旋翼试验台、噪声测控系统组成。其中,模型试验台又由台体和模型旋翼组成。如图1所示,台体主要包括主轴电机、俯仰电机、六分量天平、集流环以及传感器等其他元器件;模型旋翼则包括带有襟翼的桨叶、电磁作动器、信号转接盒以及角度传感器等测量元器件。

  

图1 模型旋翼试验台结构Fig.1 Schematic diagram of model rotor test rig

模型电控旋翼具有2片桨叶,旋翼半径1.4 m, 桨叶弦长 0.178 m,负扭转8°,翼型为OA212。桨叶实物如图2所示。桨叶根部通过两个沿弦长并列排列的圆形衬套与桨毂相连。桨毂采用跷跷板结构形式,包括承受离心力和变距力矩的拉扭条、中心件和桨毂套筒等[14]

刘德平教授在接受采访时,给我们讲了这样一个真实的故事。有一名糖尿病患者叫杨金忠,家里三代都患有糖尿病,爷爷因糖尿病并发脑溢血不到50岁就去世了,父亲因糖尿病双眼几乎失明,吃喝拉散全要靠体弱多病的母亲照顾,而他没到50岁血糖却高了近20年。为了控制病情,杨金忠没有吃过一口甜食、一顿饱饭,生活不仅毫无乐趣,而且还天天寝食难安,担心会走上父辈的老路。为了降糖,从二甲双胍到优降糖、美吡达……每出一种降糖药,杨金忠都率先服用,可血糖仍然居高不下,有时候吃药会降得快些,但不吃反弹得更快。杨金忠曾几次病重入院,胰岛素越打越多,眼睛越来越看不清东西,脚肿得连鞋都穿不上。

LU Yang.Electrically controlled rotor—A new concept rotor system[J]. Aeronautical Science and Technology, 2007(6): 12-16.

  

图2 电控旋翼桨叶实物图Fig.2 Blade of electrically controlled rotor

试验中,控制桨叶襟翼偏转的作动器为定制的摆动式电磁作动器,该电磁作动器具有体积小、频响特性好以及输出功率大等特点。

电控旋翼噪声测控系统主要包括旋翼噪声信号的测量与襟翼谐波指令生成两部分。其中,对于旋翼噪声的测量,分别在旋翼桨盘平面上、桨盘平面内和桨盘平面下布置了3个麦克风传声器,各测点布置如图3所示。其中,桨盘平面下方的测量点与桨毂中心的连线与桨盘平面的夹角为30°,在通过桨毂中心连线的延长线上对称布置另一个测点,两者方位角相差180°。

  

图3 麦克风传声器的测点分布Fig.3 Microphone measurement point distribution

此外,在旋翼台体的六分量天平下方还布置了1个三轴加速度传感器,用于监控试验过程中电控旋翼试验台的振动水平。定义加速度X方向为水平纵向,Y方向指向垂直向上,Z方向为水平侧向。

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襟翼的谐波指令以旋翼方位角为参考信号,在DSP控制器中经过倍频处理并通过上位机确定其谐波幅值、相位,从而生成最终的谐波信号。该信号以模拟量形式经过集流环输入给伺服控制器,伺服控制器驱动电磁作动器带动连杆机构使襟翼进行偏转。

图4给出了整个噪声测控系统的原理框图。为减小麦克风输出信号受到的电磁干扰,试验中首先利用动态信号调理器对麦克风测量的噪声信号进行滤波放大,再通过数据采集卡对噪声信号进行采集和后续的数据处理分析。图5为电控旋翼噪声控制试验现场照片。

  

图4 噪声控制测控系统原理Fig.4 Block diagram of noise control measurement and control system

  

图5 噪声控制试验现场Fig.5 Photo of noise control test

1.2 系统软件

系统软件主要包括噪声控制软件和上位机测控软件两部分。其中,噪声控制软件主要以襟翼偏角的闭环控制为主。图6给出了噪声控制流程。可以看出,针对襟翼偏角的控制分为两个环节:内环主要负责电磁作动器的电流、转速和位置控制;在外环中,DSP引入了襟翼的实际偏角反馈,通过PID对襟翼偏角进行调节。该部分的工作基于DSP2812硬件平台编程实现。

  

图6 电控旋翼噪声控制流程图Fig.6 Flow chart of electrically controlled rotor noise control

图7给出了旋翼转速400 r/min,襟翼4/rev谐波情况下,不同襟翼幅值的控制效果,可以看出不同的襟翼偏角幅值响应良好。

  

图7 电控旋翼转速400 r/min,襟翼4/rev谐波幅值的控制效果Fig.7 Amplitude control effect (Rotor rotating speed 400 r/min, 4/rev flap input)

上位机测控软件采用文献[15]中基于LabVIEW开发的电控旋翼测控软件。该上位机软件实现了系统运行状态反馈、设备控制、襟翼幅值、阶数以及相位在线发送,数据实时采集与储存以及旋翼状态监视等功能。可监控诸如旋翼转速、襟翼偏角、桨距角、挥舞角以及噪声数据等信号。

该上位机软件采用自顶向下的设计方法,将各个需要实现的功能模块化,供顶层统一调用。如图8所示,其软件框架分为3层:最上层为应用软件层,该层划分出测控系统的各个应用功能;中间层为核心软件层,该层具体实现了上层的各个功能模块;最下层为驱动软件层,该层完成了与各控制板卡之间的底层功能。

2 噪声控制试验

2.1 襟翼操纵输入形式

电控旋翼的襟翼输入可表示为

θ=θ0+θccosψ+θssinψ+

 

(1)

式中:θ0为襟翼总距,θc为襟翼横向周期变距,θs为襟翼纵向周期变距,θHHCn 为襟翼操纵某谐波阶数的幅值,n 为谐波阶数(n=2,3,…,k),ψ为旋翼方位角,φn为某谐波阶数的相位。

从图17可以看出,旋翼转速500 r/min时,施加襟翼3/rev的幅值扫略控制后,各个测点处的声压级均有所降低,与旋翼转速 400 r/min,襟翼3/rev的幅值扫略结果类似。其中,1号麦克风的声压级最优控制幅值为2°,声压级降低约 3.7 dB;2号麦克风的声压级最优控制幅值为6°,声压级降低约3 dB;3号麦克风的声压级最优控制幅值为6°,声压级降低约4.5 dB。平均声压级在幅值 2°时达到最优控制效果,声压级最多降低约3.5 dB。

首先在旋翼不旋转时采集背景噪声,其次分别在旋翼转速400 r/min,500 r/min时对襟翼施加高阶谐波控制,采集旋翼噪声。具体实施时,保持襟翼某一谐波阶数固定,谐波幅值和谐波相位先后按照设定的规律变化。表1给出了试验时襟翼偏角的输入状态。

  

图8 电控旋翼测控系统上位机软件程序框架Fig.8 PC software program framework of electrically controlled rotor control system

 

表1 襟翼偏角的输入状态表

 

Tab.1 Conditions of flap angle inputs

  

转速/(r·min-1)谐波阶数/rev谐波幅值/(°)2468104002谐波相位0°,60°,120°,180°,240°,300°3谐波相位0°,60°,120°,180°,240°,300°4谐波相位0°,60°,120°,180°,240°,300°5002谐波相位0°,60°,120°,180°,240°,300°3谐波相位0°,60°,120°,180°,240°,300°

2.2 噪声水平评估方法

通过对时域声压信号进行离散化,利用式(2)计算有效声压。

 

(2)

图20,21分别给出了旋翼在转速400,500 r/min情况下,最优噪声控制时,电控旋翼试验台加速度传感器监控点处的3个方向的振动水平。整体上,最优噪声控制状态下,台体的各向振动水平相对于无控状态均有所增大。但在旋翼转速500 r/min,1号麦克风最优噪声控制时,台体Z向(水平测向)振动水平显著降低。

在小学体育学科教学中教师必须考虑到小学生的身心发展特点,从而制定出小学生喜闻乐见的教学方式方法。为此,在小学体育学科教学的实践创新上应当尽量采用游戏、比赛、情景等教学方法,激发学生的运动兴趣,让学生体验到运动所带来的愉悦感,从而产生强大、持久的内驱力,培养学生的终身体育意识。由于小学生的年龄特点,兴奋占优势,兴奋抑制转换快,好奇心重,上进心强,故适度变换教学手段会取得比较好的效果,这也是未来小学体育学科教学中实施实践创新的突破口。

 

(3)

式中:Lp为声压级,pref为空气基准声压,pe为有效声压。

3 试验结果与分析

本节以曲线图的形式给出了不同旋翼转速(400 r/min,500 r/min)、不同襟翼高阶谐波输入(2/rev, 3/rev, 4/rev)情况下,幅值与相位分别按表1中的状态变化对电控旋翼噪声的影响规律。各图图例中的“Control on”表示施加主动控制,mic1,mic2,mic3表示1号,2号和3号麦克风测得的声压级,mic AVG表示3个麦克风所测得声压级的平均值。

当襟翼偏角的幅值、阶数和相位为某一数值时,噪声声压级最小,定义此状态为最优噪声控制状态。对此状态下旋翼台体的振动水平也进行了初步的分析。

3.1 襟翼谐波相位控制对噪声的影响规律

从图9中可以看出,旋翼转速400 r/min时,施加襟翼2/rev、幅值6°的相位扫略控制后,不同测点的噪声声压级差异较大,各测点处的声压级变化趋势不同。其中,对于旋翼桨盘下方的1号麦克风,180°为其最优控制相位,声压级最多可降低约2 dB。平均声压级变化趋势与1号麦克风的声压级变化趋势基本一致,最优噪声控制相位也基本相同。平均声压级在控制相位120°~200°区间均有所降低,在180°时最大降低约0.5 dB。

  

图9 相位扫略时,各测点处声压级(旋翼转速400 r/min,襟翼2/rev,幅值6°)Fig.9 Sound pressure level of measurement points under phase sweep(Rotor rotating speed 400 r/min, 2/rev flap input, amplitude 6°)

  

图10 相位扫略时,测点处声压级(旋翼转速400 r/min,襟翼3/rev,幅值6°)Fig.10 Sound pressure level of measurement points under phase sweep(Rotor rotating speed 400 r/min, 3/rev flap input, amplitude 6°)

从图10可以看出,旋翼转速400 r/min时,施加襟翼3/rev、幅值6°的相位扫略控制后,旋翼桨盘平面内3号麦克风的声压级比其他测点处声压级变化大。

⑤施工期水生生物受干扰度。施工过程临时改变水流条件,增加河道含沙量,对水生生物造成一定影响的,应尽量减少其影响程度和影响时间,尤其是某些生物可能在特殊时期具有特殊生活条件需求的,施工时应考虑予以避让。

其中,对于桨盘平面内3号麦克风,其最优控制相位为240°,声压级最多可降低约3.5dB。且3号麦克风的声压级与平均声压级变化趋势基本一致。平均声压级在控制相位30°~300°区间均有所降低,在240°时最大降低约0.6 dB。

沙集泵站位于江苏省睢宁县沙集镇南约2km处的徐洪河上,其下游和相距72km的洪泽湖相通,主要承担灌溉、航运、环保及调节骆马湖水位等作用,当骆马湖地区排泄涝水时,可以通过徐洪河经沙集闸排泄,此时泵站可利用上游来水通过泵站同步电动机组倒转发电并网。

WANG Liangquan, XU Guohua, SHI Yongjie, et al. Influence of higher order harmonic control on propeller-vortex disturbance load and noise of rotorcraft[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(7):65-74.

  

图11 相位扫略时,测点处声压级(旋翼转速500 r/min,襟翼2/rev,幅值6°)Fig.11 Sound pressure level of measurement points under phase sweep(Rotor rotating speed 500 r/min, 2/rev flap input, amplitude 6°)

  

图12 相位扫略时,测点处声压级(旋翼转速500 r/min,襟翼3/rev,幅值10°)Fig.12 Sound pressure level of measurement points under phase sweep(Rotor rotating speed 500 r/min, 3/rev flap input, amplitude 10°)

图12给出了旋翼转速500 r/min时,施加襟翼3/rev,幅值10°的相位扫略控制后各测点处的声压级变化。桨盘平面上2号麦克风与桨盘平面内3号麦克风的声压级变化量较大。其中,2号麦克风的噪声最优控制相位为180°,声压级最多降低约1 dB;3号麦克风在控制相位为0°~110°与180°~300°时,声压级均降低,0°为其最优控制相位,声压级最多降低约2.3 dB。平均声压级在控制相位为0°~60°与150°~300°时,声压级均有所降低,最优控制相位300°时,声压级降低约 0.5 dB。

3.2 襟翼谐波幅值控制对噪声的影响规律

图13给出了旋翼转速400 r/min时,施加襟翼2/rev幅值扫略控制后,各测点处的声压级变化。由图可知,整个幅值扫略过程中,1号麦克风与2号麦克风的声压级均处于减小状态。3号麦克风声压级变化剧烈,基本随谐波幅值的增大而增大,且声压级变化幅度较大。平均声压级随襟翼谐波幅值的增大呈先减小后增大的趋势,在幅值为 6°时,平均声压级最多降低约2 dB。在幅值大于9°时,平均声压级增大。

  

图13 幅值扫略时,测点处声压级(旋翼转速400 r/min,襟翼2/rev)Fig.13 Sound pressure level of measurement points under amplitude sweep(Rotor rotating speed 400 r/min, 2/rev flap input)

  

图14 幅值扫略时,测点处声压级(旋翼转速400 r/min,襟翼3/rev)Fig.14 Sound pressure level of measurement points under amplitude sweep(Rotor rotating speed 400 r/min, 3/rev flap input)

从图14可以看出,旋翼转速400 r/min时,施加襟翼3/rev的幅值扫略控制后,3个麦克风的声压级均处于减小状态。其中,2号麦克风的声压级随襟翼谐波幅值的增大一直减小。3号麦克风的声压级在谐波幅值 2°时,声压级最多降低约3.6 dB。平均声压级降低量为-1.7~-1.3 dB之间。

从图15可以看出,旋翼转速400 r/min时,施加襟翼4/rev的幅值扫略控制后,1号麦克风与3号麦克风的声压级随谐波幅值增大均处于减小状态。2号麦克风的声压级随谐波幅值增大而增大。

  

图15 幅值扫略时,测点处声压级(旋翼转速400 r/min,襟翼4/rev)Fig.15 Sound pressure level of measurement points under amplitude sweep(Rotor rotating speed 400 r/min, 4/rev flap input)

其中,2号麦克风的声压级变化范围为-0.5~1.7 dB。平均声压级随襟翼谐波幅值的增大而增大,在幅值为2°时,平均声压级最多降低1.5 dB。

(2)整体而言,试验结果表明最佳的旋翼噪声主动控制襟翼谐波阶数为2/rev。对于本次试验,襟翼谐波的最优控制幅值小于6°,最优控制相位在180°~300°之间。

在我国的林业产业建设中,林场经营和建设具有重要的地位和作用。在一段时间内,我国的林场经营管理存在一定的问题,即不重视养护,而只重视移植,种植之后的管理工作不到位,这造成林区存在一定的安全隐患。如很容易发生火灾、病虫害等问题,这种情况严重影响了林业的可持续发展和林业经济的发展建设。本文阐述的主要内容是我国林业管理过程中存在的问题,同时对管理工作的意义和提升管理质量的措施进行了简要的阐述。

(3)加强建植层基本性质的研究。深入研究不同灌草模式下的喷混基底稳定性,建植层结构力学性质,建植层保水供水功能,酸碱度调节与养分动态等物理化学过程的变化,植物生物量和根系生长布局,水土保持效果等,以确定最适宜的生态治理模式。

式中,Si为TN或TP的评价指数,Si>1表示因子i含量超过评价标准值;Ci为评价因子i的实测值;Cs为评价因子 i的评价标准值,TN的 Cs取 1000 mg·kg-1,TP 的 Cs取 420 mg·kg-1(张敏,2005);F为n项污染指数平均值(STN和STP中平均值);Fmax为最大单项污染指数(STN和STP中最大者)。

  

图16 幅值扫略时,测点处声压级(旋翼转速500 r/min,襟翼2/rev)Fig.16 Sound pressure level of measurement points under amplitude sweep(Rotor rotating speed 500 r/min, 2/rev flap input)

试验时,针对不同襟翼偏角探究噪声响应规律,保持襟翼的总距和周期变距不变,分别就某单一谐波阶数下的谐波幅值、相位变化对旋翼噪声的影响进行研究。

  

图17 幅值扫略时,测点处声压级(旋翼转速500 r/min,襟翼3/rev)Fig.17 Sound pressure level of measurement points under amplitude sweep(Rotor rotating speed 500 r/min, 3/rev flap input)

3.3 襟翼谐波阶数对噪声的影响规律

从图18中可以看出,旋翼转速400 r/min时,施加襟翼不同阶数的谐波控制后,1号麦克风与2号麦克风声压级的降低量随着谐波阶数的增加而减小;3号麦克风声压级的降低量随着谐波阶数的增加而增大。其中,施加襟翼2/rev的谐波控制可对桨盘平面上方及下方的噪声取得较好的控制效果,而襟翼谐波阶数的变化对位于桨盘平面内3号麦克风的声压级影响并不明显。平均声压级的降低量随着谐波阶数的增加而减小,其最优的控制谐波阶数为2/rev。

  

图18 襟翼各谐波阶数最优控制时,测点处声压级(旋翼转速400 r/min)Fig.18 Sound pressure level at each measurement point during optimal control of each flap harmonic (Rotor rotating speed 400 r/min)

从图19中可以看出,旋翼转速500 r/min时,施加襟翼不同阶数的谐波控制后,1号麦克风声压级的降低量随谐波频率变化不大,2号麦克风与3号麦克风声压级的降低量随谐波频率增加而减小。平均声压级的降低量随谐波频率的增加而略微减小,整体上较优的谐波控制频率为2/rev。

  

图19 襟翼各谐波阶数最优控制时, 测点处声压级(旋翼转速500 r/min)Fig.19 Sound pressure level at each measurement point during optimal control of each flap harmonic (Rotor rotating speed 500 r/min)

3.4 噪声主动控制对台体振动的影响

式中:p为某时刻的声压,N为某段时间内采集到的点数,pe为有效声压。进一步根据声压级定义得到噪声的声压级频谱,有

  

图20 最优噪声控制时,电控旋翼台测点处的三向振动水平(旋翼转速400 r/min)Fig.20 Vibration levels in three directions of electrically controlled rotor test rig under optimal noise control condition(Rotor rotating speed 400 r/min)

  

图21 最优噪声控制时,电控旋翼台测点处的三向振动水平(旋翼转速500 r/min)Fig.21 Vibration levels in three directions of electrically controlled rotor test rig under optimal noise control condition(Rotor rotating speed 400 r/min)

4 结 论

本文基于电控旋翼综合试验台,搭建了噪声控制试验系统,通过开展悬停状态试验,研究了不同旋翼转速、不同襟翼谐波阶数控制下的幅值、相位变化对旋翼噪声的影响规律,得到了以下主要结论:

(1)施加噪声控制后,在旋翼转速为400 r/min时,旋翼噪声平均声压级最多可降低2 dB;旋翼转速500 r/min时,最多降低 4dB。较高的转速下,主动降噪的效果体现得更明显。

从图16可以看出,旋翼转速为500 r/min时,施加襟翼2/rev的幅值扫略控制后,3个麦克风的声压级整体上随幅值扫略呈增大趋势。其中,桨盘下方1号麦克风的声压级变化较大,谐波幅值为 4°时,其声压级最多可降低约3.5 dB。平均声压级随幅值扫略呈先减小后增大的趋势,声压级降低量为-4~2 dB,噪声最优控制幅值为4°,幅值大于8°时噪声的控制效果变差。相比旋翼转速400 r/min,襟翼2/rev的幅值扫略,旋翼转速500 r/min,襟翼2/rev的幅值扫略对噪声的主动控制效果更明显。

(3)随旋翼转速的增加,旋翼总声压级增大,但旋翼台振动水平可能减小,也可能增大,说明主动控制情况下的旋翼噪声与台体振动之间无必然关系。

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基础网络系统平台在4k技术电视播放实践一体化网络系统中的功能主要分为数据传输和信息通信两个部分,它可以结合不同业务子系统的实际需求,为其提供稳定高效的路由支持和网络接入。业务支撑系统平台是4k技术电视播放实践一体化网络系统的联通和管理枢纽,它对系统信息、接口协议进行了定义和实现。主体业务系统可以细分为新闻、非新闻类节目、广告、媒体资源管理等多项系统。其他业务系统是指不属于主体业务范围的其他业务的支持系统。[2]此外,各技术系统之间存在系统接口,系统接口关系是指两个系统之间的定位关系。

促进良种选育、品种培育工作。2004年至今,在雅安、宜宾、泸州、自贡和乐山5市范围内开展了大面积牡竹优良无性系筛选工作,共建立临时监测样地30余个,通过生物学、生态学特性与笋用性能的比较,最终选育出原产于宜宾市长宁县竹海镇世纪竹园、宜宾市江安县仁和乡义和村、乐山市沐川县幸福乡沙溪村、乐山市犍为县清溪镇永星村、雅安市天全县新华乡孝廉村的5个优良无性系,引种至宜宾长宁曙光观赏竹园艺场和成都市三环路竹博园保存,并在雅安、成都、宜宾3地进行了引种测试和区域试验。其中,优良笋材两用竹“川牡竹1号”与“天丰6号”,分别于2012年及2013年通过四川省林木品种审定委员会的良种认定。

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主持人孟非作为舆论领袖,必须具有人格魅力、消息灵通和分析能力强等诸多优势。他的任务是将各方意见互动、整合在一起,在整合的过程中,把差异性、个性的东西抛弃掉,形成权威意见,从而实现对舆论的引导和控制。特殊情况下,主持人也可能不表达明确意见,将解释权留给场外的观众,既将舆论炸弹抛到场外,形成舆论爆炸。

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随着当前计算机信息技术的不断发展,我国当前社会正向着智能化的方向发展。同时计算机信息技术在不断的日新月异,新技术和新方法与日俱增,从而使机械设计与制造的智能化发展又上升到了新高度。以机械设计制造及其自动化为代表的新型生产模式正在日新月异。在机械设计制造及其自动化过程中,CAD制图技术和人工智能技术得到了广泛的利用,并且将二者有效的结合,从而顺应了时代发展的需求。在目前和今后的机械设计制造中,计算机信息技术必然会成为其有效的技术支撑,从而推进机械设计制造自动化的发展,为其在设计和生产中提供更加便利的条件。

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图11给出了旋翼转速500 r/min时,施加襟翼2/rev、幅值6°的相位扫略控制后各测点处的声压级变化。桨盘平面内3号麦克风处声压级的变化比较大,其噪声最优控制与最差控制两个状态下声压级相差15 dB;桨盘平面上2号麦克风 的噪声最优控制相位为240°,声压级最多可降低约3.5 dB;对于桨盘平面下1号麦克风,300°为其噪声最优控制相位,声压级最多可降低约 1 dB。平均声压级在最优控制相位300°时最多降低 0.8 dB。

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卫瑞智,陆洋,董祥见,冯剑波
《南京航空航天大学学报》2018年第02期文献

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