基于声阵列的飞机地面声爆测试技术

宋亚辉，赵元明，张晓亮，瞿丽霞，张跃林

(1.中国飞行试验研究院飞机飞行试验技术研究所，陕西 西安 710089；2.中国航空研究院，北京 100012)

0 引言

声爆问题是制约超声速航空器尤其是民用超声速航空器发展的关键问题[1-2]。声爆是航空器超声速飞行或局部相对气流速度超过当地声速时产生的激波和膨胀波系，传播至地面产生的类似于爆炸声或雷声的一种物理现象[2-4]。声爆通常持续时间短、能量高，传播距离远，分布范围大，可对环境和人产生危害。而且激波和膨胀波系的产生也增加了飞行阻力，影响操纵性和稳定性，使安全性和经济性变差。历史上投入运营的超声速民机“协和号Concorde”、Tu-144被迫退出运营的原因之一就是产生的声爆引发了较大社会问题[4]。近年来，随着人们对更快、更安全和绿色航空技术的不懈追求，开展了大量声爆问题研究[3-8]，致力于新一代低声爆航空器研发，推动民用超声速航空器重返商用。

自20世纪50年代起，研究人员持续开展了大量的航空器声爆问题试验研究项目[3,6,9-15]，进行声爆的产生与传播特性等研究，进行低声爆优化技术、声爆预测技术验证，开展声爆主观响应评价研究和社会影响评估等。总体上看，航空器声爆飞行测试技术研究可分为三个典型的阶段：(1)20世纪50年代至70年代，通过飞行试验进行声爆认识和探索的阶段，初步形成了空中和地面声爆测试技术，但存在专用设施缺乏、测量精度差等问题；(2)20世纪80年代至21世纪初，通过飞行试验进行声爆深入研究及低声爆技术探索的阶段，自近场至远场地面的全传播路径声爆/低声爆测试技术快速发展，出现了专用的地面和空中声爆测量系统，实现了声爆、飞行状态、飞行航迹和气象等参数的空地一体化测量；(3)21世纪初至今，新一代低声爆航空器设计研制的技术验证及适航取证飞行试验的新阶段，低声爆测试技术探索试验大量开展，全传播路径声爆测试技术朝着高精度、高可靠性、强环境适应性和智能化的方向进一步发展。声爆飞行测试技术发展趋势表明，声爆测量设施在测量精度、范围、环境适应性、可靠性等方面有待进一步提升，新一代低声爆航空器的测试技术还需进一步探索。

声爆测试飞行试验的风险大、成本高、动用资源多、技术投入高，进行地面声爆测试面临多方面的技术难点。在声爆测试方面，大量飞行试验项目采用传声器阵列进行测量[3,6,9-15]，声阵列尺度达数十米至数千米不等，但由于地面分布范围大，如何进行声阵列设计及测试系统设计是声爆测量的关键。在飞行试验中，还需要对试验对象的飞行状态与航迹、地面至空中的气象条件、测量点位置等进行测量[3,6,13]，测试资源多，分布空间范围广，方案复杂。而且，为了能够准确测量到被试对象在目标飞行状态的声爆，要求被试对象应能精确地以相应飞行状态和航迹通过声阵列上方，需要合理的飞行设计以确保达到目标飞行状态和产生目标声爆。

近年来，我国开展了大量的航空器声爆问题研究[2,12,16]，在声爆预测、低声爆优化设计以及风洞测量等方面取得一定进展，迫切需要开展飞行试验进行技术探索和验证，但国内飞行试验技术研究进展却与需求不匹配。据公开文献，国内的航空器声爆飞行试验未全面开展，航空工业空气动力研究院进行了亚轨道飞行器的地面声爆实测[17]，中国科学院声学研究所开展了某火箭发射过程中包括声爆在内的次声波检测[18]，总体上看，国内在试验平台、声爆测试技术、试验资源等方面仍存在较多技术空白。基于此，本文开展航空器地面声爆测试技术研究，提出基于声阵列的地面声爆测试方案，引入系综平均思想[19]进行声阵列设计，根据航迹切入程序进行飞行试验动作设计，形成了声爆-飞行状态-飞行航迹-传播路径气象条件等的综合测试方案。以国产某型歼击机为研究对象，开展了多个飞行状态的地面声爆实测，对该技术进行了应用验证。

1 地面声爆测试方案

1.1 声爆的传播特征

在地面声爆的测试中，测量点远离试验对象，在真实大气中声爆从近场向中远场的传播，可以采用增广Burgers方程来描述。经典Burgers方程[20]是基于源于Navier-Stokes方程的非线性Westervelt波动方程得到的，在自由场中，有：

式中：p＇为压力扰动；x为传播距离；t＇为传播延迟时间，且，其中，t是传播时间；ρ0和c0分别为当地高度的大气密度和波速，随高度变化而不同；b和β分别为吸收系数和非线性系数。

为了考虑真实非均匀大气对声爆传播的影响，引入大气非均匀性、几何扩散效应和分子弛豫效应等的影响，可将式(1)推广为增广Burgers方程[21]：

式中：S为声管面积；(Δc)v为分子弛豫效应造成的波速变化量；τv为弛豫时间。

声爆在向地面传播的过程中受非均匀大气的显著影响[3,21-22]。如图1所示，激波与膨胀波系向中远场传播过程中发生复杂的演化[3]，至远场后演化充分，形成由正逾压(声爆绝对压力与时均背景压力的差值)和负逾压过程组成的声爆信号，典型的远场声爆的逾压波形接近“N”形或“U”形。在近地面空间范围内，地面对声爆的传播会产生很大影响：一方面，地面影响气象条件，近地面大气具有更显著的非均匀性，影响声爆的传播演化；另一方面，地面对声爆会产生散射，改变声爆的传播方向，使其进一步向近地面空间传播。

图1 声爆在大气中的传播特性Fig.1 The Characteristics of sonic boom propagation in the atmosphere

声爆可以在大气中非线性远距离传播，如图2所示，在某一时刻，在声爆(激波)波阵面与地面的交线上可观测到声爆，声爆的横向分布范围可达几十甚至上百千米。而且，在非均匀大气以及地面散射的影响下，还出现多级声爆毯现象[14]，声爆特征更加复杂。

图2 地面声爆的分布特征Fig.2 Distribution characteristics of sonic boom on ground surface

1.2 声爆测量方案

根据图1和图2，地面声爆的测量需要兼顾沿航线的航向分布和垂直于航线的横向分布，常用的声阵列阵型为“十字形”，如图3(a)所示。实际飞行试验中，试验条件(飞行状态、航迹、大气条件、声环境、地面条件等)难以保持绝对理想，尤其是大气条件难以严格控制，因此，对于稳定飞行状态的地面声爆测量，将声阵列主方向与航向保持一致，采用多个测点进行不同飞行时刻的相同方位的声爆测量，通过对多个测点结果进行算数平均来提升声爆逾压的测量精度，即采用系综平均方法，有助于消除试验条件波动的影响。而横向布置的阵元主要用于评估声爆沿横向的分布情况。还需要说明的是，为了提升整个声爆毯的测量精度，实际应用中可根据系综平均方法布置多个阵型相同的“十字形”阵列。

声阵列每个阵元的布置需要考虑地面对声爆的散射效应，如图3(b)所示。离地高度选取通常有三种：(1)传声器离地高度取人站姿的平均耳位高度，参考常见标准[23]，一般取1.2 m或1.6 m，考察人听到的声爆水平；(2)传声器布置在地平面，即感压面位于地平面或距离地面足够近，消除(通常需要对测试数据进行自由场换算)地面对声爆的散射影响，获得自由场声爆水平；(3)传声器远离地面(10米至数百米)，采用专用架高设施或者借助于建筑物、地形等，考察经地面散射后的声爆水平。

图3 声阵列布置Fig.3 Layout of microphone array

地面声爆测量一般采用大尺度声阵列，为了降低测量信号远距离传输以及系统设计、控制和维护难度，且可在任意关注的区域进行测量，一般采用分布式测试系统设计。图4所示为典型的用于地面声爆测量的测试系统，其以声阵列为核心，根据阵型分布式布置，各子系统可独立工作和在当地进行数据预处理，各子系统之间采用统一的时间基准，各子系统测量数据经预处理后通过有限或无线网络传输至测量控制站。

图4 分布式地面声爆测量系统设计方案Fig.4 Block diagram of the distributed measurement system of sonic boom on ground surface

1.3 基于航迹切入程序的飞行动作设计

采用航迹切入程序可以连续进行声爆测试，通过一处声爆测量场地可以测量多种飞行状态的声爆，降低了对试验对象、测量场地、测试设施的要求，提升试验效率，降低试验成本。如图5所示，飞机可根据飞行性能和空域等选择飞行航线，自A1/A2点切入目标飞行航迹，开始调整飞行状态，至B1/B2点达到目标飞行状态，试验动作正式开始，保持目标飞行状态沿目标飞行航迹飞行至C1/C2点，即完成一次声爆测试，飞机继续飞往D1/D2点，然后改出目标飞行航迹和飞行状态，飞往A1/A2点按照同样的程序执行下一个试验动作，直至所有试验动作完成或需要返场。

图5 采用航迹切入程序进行试验动作设计Fig.5 Schematic diagram of flight path intercept procedure for flight test run design

采用航迹切入程序时，试验对象以较高的飞行速度切入目标航迹，需要快速将飞行状态和构型调整到目标状态，飞越声阵列布置区域后，应继续保持足够的目标状态飞行时长，直至实测声爆信号衰减至接近背景噪声水平后方可改出当前飞行状态。

地面声爆测试对空域和试验场有特定要求：(1)应具有足够大的飞行空域，有适宜飞行和测量的自然环境；(2)考虑声爆对人以及地面附着物的潜在危害，场地应选择在可承受破坏或人类生产生活较少的地方；(3)声爆测量区域具有大范围平坦的地形地貌，无遮挡和阻碍声爆传播的地面附着物，可进行场地改造或环境构建；(4)试验期间试验空域内无其他飞行噪声，无人类生产生活或自然界噪声干扰测量。

1.4 综合测量方案

进行地面声爆测试还需要对试验对象的飞行状态、飞行航迹进行测量，对声爆全传播路径上的大气象条件进行测量，在试验前需要完成测量点位置的测量。声爆-飞行状态参数-飞行航迹-气象条件等参数的综合测试方案如图6所示。

图6 综合测量方案Fig.6 Block diagram of comprehensive measurement scheme

飞行状态参数的测量通常采用机载测试系统，测量参数包括速度、高度、构型、姿态等。飞行航迹可采用卫星定位系统(GPS/北斗)进行连续定位，通过差分来提高精度。声爆测量点的位置也采用卫星定位系统进行定位测量，通过差分来提高精度。气象条件测量主要用于考察传播路径上的大气条件对声爆传播特性的影响，测量参数包括温度、湿度、风速、风向、大气压等，通常采用地面站和空中气象测量设施进行测量。地面气象测量位置应尽可能靠近声爆测量点，声阵列布置范围较大时[3,20]，需要布置多个地面气象站，而空中气象测量的区域应覆盖声爆的整个传播路径，气象测量应尽可能与声爆测量同步。所有参数测量采用统一的时间基准，一般采用卫星定位系统(GPS/北斗)时间。

2 某型飞机地面声爆测试与分析

2.1 试验方法

选择某型国产歼击机为试验对象，进行不同飞行状态的地面声爆测试，进行本文提出的测试方案验证，重点关注稳定飞行状态产生的声爆特征和沿航迹方向的声爆水平，测试方案如图7所示，图中Ma为马赫数。

图7 某型歼击机地面声爆测试方案的图解Fig.7 Arrangement illustration of measuring the sonic boom of a certain fighter aircraft on ground surface

采用由高声压传声器组成的十字形声阵列设施进行声爆测量。图8为以声阵列为核心的地面测试设施布置，声阵列主方向沿目标飞行航迹地面投影，采用分布式测试系统，主要由3组声阵列子系统组成；声阵列设计尺寸为480 m(横向)×1 200 m(航向)，共15个测量点，其中测量点1～11沿航向等间隔布置，测量点12和13沿横向等间隔布置。测量点1～13的传声器采用图3(b)中第一种安装方式，感压面近似位于地平面内，测量点14和15布置在测量点6附近(3个测量点之间间隔一定距离，避免测量干扰)，安装高度分别为1.6 m和10 m。试验前，对所有声爆测量点采用差分GPS设备进行定位测量，实际测量点位置与目标位置偏差不大于2 m。

采用航迹切入程序进行飞行试验，如图7所示，试验飞机切入位于声阵列正上方的目标航线后，迅速调整至目标高度、速度、姿态、构型后保持不变，匀速直线飞越声阵列，直至所有测量点测得的声爆信号衰减至背景噪声水平后，该试验动作结束。现场设置了两组飞行标识，用于引导飞行航线。

试验中，在声爆测量的同时，同步进行飞行状态参数、飞行航迹和试验场地面至空中气象条件的测量。所有测试系统统一采用GPS时间进行同步。地面至空中大气气象条件测量站的布置位置如图8(a)，距离最远的测量点的距离不大于1.0 km。在声阵列中心附近设置了现场测试控制站，对声爆测试系统、气象条件测试系统进行控制和测试结果预处理，同时与飞行控制中心通信。

图8 地面测试系统布置和传声器安装Fig.8 Arrangement of ground measurement system and microphone installation

该系列飞行试验共进行了3组试验动作，试验动作概况如表1所示。试验动作1和试验动作2为超低空飞行状态，飞行状态、航迹基本相同，用于进行声爆测量的准确度、可重复性验证。试验动作3为高空超声速巡航状态，通过该试验动作进一步验证测试方案的适用性和可靠度。

表1 飞行试验动作概况Table 1 Overview of flight test runs

2.2 试验结果及分析

飞行试验选择在无降水、动作区无云、地面风速小且风向稳定的气象条件进行，图9为具有代表性的试验动作1执行期间(声爆产生时刻前后各30 s的平均)地面至空中气象条件的测试结果，地面温度为-3.1℃，地面相对湿度(RH)为57.4%，地面大气压为863.5 hPa，风速为3.4 m·s-1，风向东偏南48°。

图9 试验动作1的大气条件测试结果Fig.9 Meteorological condition measurement results of test run 1

图10和图11分别给出了3组试验动作的实测声爆逾压时间历程和逾压极值的对比。根据图10，3组试验动作中所有测量点自左至右依次接收到声爆信号，试验动作1和2的声爆波形近似为“N”形与“U”形的组合，试验动作3声爆波形表现出更明显的“N”形特征。该型飞机在平飞状态、巡航构型下，其头部、机翼、尾部等产生的激波和膨胀波波系是声爆的主要成分，试验动作1和2为超低空飞行，离地较近，从逾压波形能看出，波系的合并演化仍在发展中，声爆逾压波形尚未演化至常见的“N”形或“U”形，波形中包含一系列峰值，表现出典型的中场特征。而试验动作3离地高度较高，约为前两组的5倍，波形演化相对充分，声爆逾压波形更接近“N”形或“U”形。这一特征与文献[3]中NASA开展的SR-71的声爆试验测量结果较为一致。

图10 声爆逾压时间历程测量结果Fig.10 Measurement results of the over-pressure history of sonic boom

图11 声爆逾压极值对比Fig.11 Comparison of maximal and minimal over-pressure values of sonic boom

图11中，采用系综平均法对阵列主方向上的测量点1至测量点11的逾压进行了平均计算，平均值在图中用直线给出。根据Steven’s Mark Ⅶ响度计算法[24]，试验动作1和2的声爆平均感觉响度级约120 PLdB，试验动作3的声爆平均感觉响度级约96 PLdB。

结合图10和图11可以看出，相比于试验动作1，试验动作2的正逾压极值的平均值相差5%，最大负逾压极值的平均值相差6%，考虑到两次试验的大气条件和飞机飞行状态并非理想上的完全一致，可认为试验动作1和试验动作2获得了相近的测试结果。这说明对于同一目标试验动作，本文的测试方案能够可靠且可重复地进行声爆测量。还可看出，尽管试验动作1和试验动作2中飞机沿阵列主方向可能保持匀速直线飞行，但每个试验动作的声阵列主方向上的测量点1～11所测的逾压有一定差异，这证明了采用沿航向布置大尺度声阵列的主方向进行声爆测量的必要性，即借助系综平均法可减弱试验条件不严格一致对声爆测量的影响，提升测试精度。同时上述分析也表明，声阵列阵型及飞行状态需统筹设计，这是声爆测试方案的关键。

需要说明的是，从图10和图11中每个飞行动作的横向声爆测量点12和13的测量结果看，其逾压波形和极值与阵列主方向上的测量点的结果相近，无法反映声爆水平随着横向距离的变化趋势。实际上，该声爆测试飞行试验的目的是进行技术方案的验证，主要关注飞行航迹下方的沿航向的声爆水平对比。因此，对于以分析声爆毯横向分布特征或截断点为研究目的的情况，应加大声阵列的横向尺度，或采用航迹切入法，将航向调整为沿声阵列的y方向飞行，将原声阵列的x方向变换为横向。

为分析地面对声爆的散射影响，图12给出了测量点6和不同离地高度的测量点14、测量点15的逾压波形对比，这3个测量点的现场布置见图8(b)。可以看出，不同离地高度的测量点波形有较大差异。位于地平面的测量点6，测量结果基本不受地面散射的影响，保留了自由场情况的波形特征，较好地反映了该型歼击机头部、机身和尾部波系抵达地面的情形。对于离地有一定高度的测量点14、15，测得的声爆信号包含直达信号和地面散射信号，且两者到达传声器的时刻不相同，导致其波形和幅值相对于自由场发生畸变，尽管与飞机产生的未受地面污染的声爆的特征有较大差异，但这是相应高度上人或者结构感受到的声爆的实际情形，具有实际意义。这一结果表明，进行地面声爆测试需要考虑试验的目的，选择恰当的传声器离地高度和安装方式，采用在地面平面内安装的方式能更好地获取飞机真实的声爆特征。

图12 试验动作2不同离地高度的声爆测量点的逾压波形对比Fig.12 Comparison of sonic boom waveforms on ground and near ground at the measuring points of flight test run 2

3 结论

本文开展了基于声阵列的地面声爆测试技术研究，采用系综平均法进行声阵列设计，形成了声爆-飞行状态-飞行航迹-大气条件综合测试技术方案，通过某型歼击机的地面声爆测试对提出的技术方案进行了验证和应用分析。采用所提出的方案进行了多次地面声爆测试和相关参数综合测试。测试结果表明该方案合理可行，相同目标状态的试验结果一致性好，通过系综平均分析可提升稳定飞行状态的声爆测试精度，采用三类传声器安装方式可分析地面对声爆的散射影响。

飞机声爆的传播特征和空间分布复杂，飞行试验技术投入高、动用资源多。本文研究聚焦于地面声爆的测试技术方案设计和试验验证，下一步研究将关注以下方面：(1)开展大尺度声阵列阵型设计和基于航迹切入程序的飞行动作设计方法研究，进行声爆横向分布特性测试；(2)开展声爆自空中至地面的全传播路径测试技术研究，并进行试验验证。