一项突破性的研究揭示了新兴电动飞机发动机技术为何听起来如此令人烦躁——以及如何解决这一问题。
来自布里斯托大学与萨尔福德大学合作的科学家们发现了边界层摄取（BLI）发动机所产生的特别刺耳噪音的根本原因——这是一项未来电动和混合动力飞机的关键技术。
基于之前的工作，这些工作确定了BLI系统中的一般噪音源，这项最新研究今天在《自然npj声学》上发表，进一步探讨了气动声生成的物理学，揭示了湍流边界层流与旋转风扇和导管组件的相互作用，产生两种不同且感知上令人不快的声学特征。
这项研究的关键在于基于流体力学的评估，揭示了两种不同类型的宽带噪声模式的基本气动起源，这些噪声模式称为“干草堆现象”——这些光谱特征影响噪音的感知。在声学中，“干草堆现象”描述了湍流流动散射音调声场的效果，导致特定音调的能量分散到更广泛的频率范围。
研究表明，在低推力（巡航期间）时，较弱的风扇吸力使得机身边界层流保持基本不受干扰。在这种情况下，流动摄入受到机身曲率引起的流动失真影响，这仅使叶片尖端暴露于低动量的湍流结构中。由于导管的声学贡献在低推力时占主导地位，主要的噪声生成机制是湍流与导管内部声场的相互作用——导致了“导管干草堆现象”。
在高推力（起飞期间），强大的风扇吸力扰乱机身边界层流，产生风扇引起的流动失真，使高动量、高不稳定的湍流结构在更大范围的叶片跨度内摄入。这种风扇引起的失真流与旋转叶片的强烈相互作用导致了“风扇干草堆现象”，其中不稳定的流动被大部分旋转叶片的跨度反复切割。
首席研究员费罗兹·艾哈迈德博士在布里斯托大学科学与工程学院开展这项研究时表示：“这两种隐藏的声音特征——干草堆现象——使未来嵌入式发动机在感知上感到烦躁，而不仅仅是嘈杂。”
“通过将湍流流动摄入模式与人们对噪声感知的联系，我们为工程师提供了设计未来飞机的工具，使其在声音上真正做到与外观一样安静。”
这些见解为设计更安静的嵌入式发动机提供了一条新的路线图，而不仅仅是测量更安静——这是改善公众对未来城市空中出行飞机接受度的重要一步。
研究人员利用高保真风洞装置模拟现实世界条件，使用先进仪器收集跨飞行状态的详细流动和噪声数据——包括热线风速计、压力传感器和远场麦克风。这使他们能够隔离并将每个噪声特征（干草堆现象）与其气动原因及其对人类感知的影响相连接。
这项研究的影响是广泛的。这些见解为大型运输飞机提供了可操作的设计指导——如空中客车ZEROe，ONERA NOVA，NASA/MIT Aurora D8，空中客车Nautilus和MITSAX-40——以及城市空中出行（UAM）部门下一代电动垂直起降（eVTOL）飞机的制造商，支持他们努力实现欧盟2050航行目标，将飞机噪音减少65%。这些研究结果可能有助于为未来的电动飞机和空中出租车设计在感知上更安静的发动机。
该团队现在计划开发气动和声学控制策略，以减少风扇和导管的干草堆现象。他们还希望将这一分析扩展到其他涉及湍流流动摄入的推进概念，旨在塑造未来的安静航空。
