无人驾驶飞机导管螺旋桨噪声辐射的实验表征
导管螺旋桨是无人飞行器(UAV)中的有趣设计选择，它可以提高螺旋桨效率并降低整体噪声。
本研究旨在通过实验分析和量化适用于中型无人机的导管螺旋桨的噪声。使用麦克风阵列记录每个位置的噪声水平，并通过波束形成技术定位噪声源。研究考虑了不同类型的噪声源，包括全向源和螺旋桨，并评估了气流进入的影响。
实验结果表明，在没有气流进入时，导管明显改变了噪声辐射的频域和空间域特性。然而，当气流进入时，导管对信号频率的影响几乎消除，导致接收到的噪声水平降低。此外，方向性也发生改变。这些研究结果对于模拟复杂噪声源（如螺旋桨）的管道效应具有重要意义。
无人驾驶飞行器(UAV)的灵活性和广泛应用使其成为持续研究的焦点。
本研究探讨了提高推进系统效率的方法，特别关注导管螺旋桨的设计。实验分析了中型无人机上导管螺旋桨的噪声特性。使用麦克风阵列记录噪声水平，并通过波束形成定位噪声源。研究考虑了不同噪声源类型和气流影响。实验结果表明，导管在频域和空间域改变噪声辐射，但气流进入后其影响几乎消除。导管螺旋桨被认为是提高UAV推进效率和降低噪音排放的方法。研究还分析了管道中的声音传播，这对模拟复杂噪声源的管道效应至关重要。该研究为导管螺旋桨设计提供了实验评估和噪声特性的量化，对未来的无人机设计和噪声控制具有重要意义。
实验中使用的导管是特制的，基于克拉克-Y剖面。尽管这个剖面不是最有效的，但它被选择为了实验的一致性，确保螺旋桨具有恒定的叶尖间隙x/c= 0.3 m，对其他实验有用。这个导管不是最终设计，而只是以后修改的基准。铝管的截面图如图1所示。导管内径为30厘米，弦长为15厘米，厚度为弦长的11.7%。
实验中使用了两种不同的噪声源：全向声源和螺旋桨。图1和图2显示了这两个源位于管道的径向和轴向中心位置。源相对于阵列的距离保持在1.46米。
全向声源采用的是Qsources定制的微型声源类型QindW，其形状为长方形，长11厘米，直径2.0厘米。当通过白噪声驱动时，该声源在0.50到6.3 kHz范围内具有平坦的频率响应。
小型三叶螺旋桨采用的是主螺旋桨E-MA1260T，连接到Kontronik PYRO 700–45无刷电机。电机由Kontronik Jive PRO 80+ HV电子速度控制器控制。螺旋桨的初始直径为30厘米，但为了在导管内保留2毫米的叶尖间隙，进行了修整。对螺旋桨进行了三维扫描，以获取用于模拟的近似几何形状和翼型。
在螺旋桨实验中，施加到电机端子的功率在最大功率的35%和90%之间变化，而在给定的结果中，螺旋桨设定在85%的功率，对应于7500转/分钟的转速。还对其他转速进行了分析，但得出了相同的结论。
实验使用了由64个G.R.A.S. 40PH CCP自由场阵列麦克风组成的麦克风阵列来测量噪声。麦克风单独使用G.R.A.S. 42AA活塞麦克风进行了校准。数据采集系统由5个国家仪器公司的PXIe-4499声音和振动数据采集模块组成，通过一个NI PXIe-8370遥控模块和一个NI RMC-8354控制器进行控制。与声学阵列相关的测量不确定性通过实验确定为0.5 dB。
阵列的结构设计旨在减少声音反射，同时允许不同的麦克风阵列配置。消声室的自由场行为按照ISO3745的指导方针进行评估，其中所有高于315赫兹的频段符合标准。消声室的平均混响时间为0.25秒，符合ISO3382的消声要求。背景噪声进行了评估，并预计不会干扰噪声测量。
测试部分位于消声室（5.4m×5.4m）的中心，并具有直径为60 cm的圆形形状。这意味着涵道螺旋桨位于喷流中。
研究发现，无人机推进系统中的导管螺旋桨的噪声辐射模型对应用至关重要。实验结果表明，在无气流条件下，无导管测量无法提供导管情况下的相关信息。但在有气流的情况下，无导管和导管情况下的噪声辐射非常相似。导管影响噪声谱密度，增加宽带噪声，减少一次谐波。因此，实际应用中，可使用无导管测量的源特性进行建模，但需确保导管不改变螺旋桨的空气动力性能，以准确评估整体声级。
参考文献
1. MacNeill R, Verstraete D. Blade element momentum theory extended to model low Reynolds number propeller performance. Aeronaut J 2017; 121.
2. Oliveira L, Muñoz H, Catalano F. Aerodynamic analysis of high rotation and low Reynolds number propeller.
