EP1347438A2 - Method of reducing noise from a multi-engined propeller-aircraft - Google Patents

Method of reducing noise from a multi-engined propeller-aircraft Download PDF

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EP1347438A2
EP1347438A2 EP03001822A EP03001822A EP1347438A2 EP 1347438 A2 EP1347438 A2 EP 1347438A2 EP 03001822 A EP03001822 A EP 03001822A EP 03001822 A EP03001822 A EP 03001822A EP 1347438 A2 EP1347438 A2 EP 1347438A2
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Sigurd Dr. Häusler
Michael Dr. Bauer
Roger Dr. Drobietz
Wolfgang Dr. Gleine
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Airbus Defence and Space GmbH
Airbus Operations GmbH
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Dornier GmbH
EADS Deutschland GmbH
Airbus Operations GmbH
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    • G—PHYSICS
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    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/175—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using interference effects; Masking sound

Definitions

  • the invention relates to a method for noise reduction indoors and outdoors of multi-engine propeller aircraft.
  • the propellers are a major source of noise for indoor and outdoor Outside noise level represents.
  • the noise emission of a propeller is due to the periodic processes very tonal.
  • the frequency of the fundamental tone is determined generally from the product of the number of blades and the speed of a propeller. at Today's propeller aircraft has a very low fundamental frequency. A reduction the interior noise therefore requires z.
  • B. the use of a high mass Increase the sound insulation of the fuselage structure of the aircraft. This high mass would be detrimental to the performance of the aircraft. Also increase high Level on the outer skin of the fuselage the mechanical / dynamic loading of the structure.
  • the object of the invention is therefore to create a method with which can significantly reduce the noise emissions of the propellers, and wherein at the same time z. B. the mass required for sound insulation is reduced.
  • the noise emission of the inner and outer propeller are adjusted so that at least that Sound field of the fundamental tone in amplitude and phase of the inner propeller with the Sound field of the fundamental tone in amplitude and phase of the outer propeller in the area overlay the nearest critical fuselage surface of the aircraft so that they weaken significantly there through interference or ideally even completely extinguish.
  • the outer propeller Since the outer propeller is farther away from the surface of the fuselage, must have its sound radiation in the fundamental tone compared to that of the inner propeller to be taller. This can e.g. can be achieved in that the number of sheets of the outer Propellers compared to that of the inner propeller is reduced. In parallel the speed of the outer propeller versus the speed of the inner propeller increased so that the products from blade count and speed for the inner propeller and the outer propeller are the same size. This also ensures that the Propellers have the same fundamental frequency.
  • the necessary phase positions of the sound fields can in the case considered here (Product of speed and number of blades for the propellers constant, i.e. constant Sheet repetition frequency), by fine adjustment of the current sheet position angle of the Propellers are adjusted to each other (e.g. adjustment of the blade phase angle or the phase differences in the blade sequence of the propellers), so that the sound fields like Above mentioned, phase-shifted by about 180 ° in the area of the critical fuselage surface be overlaid. These settings can be actively controlled and controlled become.
  • the inventive method is also taking into account several propeller tones (Fundamental and harmonic) applicable.
  • FIG Propeller plane The method according to the invention for a four-engine is illustrated with the aid of a FIG Propeller plane with two propellers closer to each of the two wings explained. It shows the view from above and in a schematic representation Fuselage outer skin 1 of the aircraft and the position of the inner 5 and the outer 6 propellers on one of the wings. The sound field of the inner propeller 10 and the sound field 11 of the outer propeller are also shown.
  • the two engines 5, 6 are coordinated with one another in such a way that that is at the critical point PK, the closest area to the outer skin of the fuselage 1, overlay the two sound fields so that they weaken as much as possible.

Abstract

Process for reducing noise in multi-engined propeller aircraft comprises determining frequency, amplitude and phase data from at least two of the propellers one after the other so that the sound fields of the propellers in the region of the nearest fuselage structure are reduced or completely extinguished. Preferred Features: At least the fundamental sound of the propellers is taken into account in the determination of the power plant data. Other propeller sounds are also taken in account. The propellers are selected and adjusted so that the product of blade number and speed is identical. The frequency of the propellers is determined by adjusting the blade number and/or speed of the propellers.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Geräuschreduktion im Innen- und Außenbereich von mehrmotorigen Propellerflugzeugen.The invention relates to a method for noise reduction indoors and outdoors of multi-engine propeller aircraft.

Bei Propellerflugzeugen stellen die Propeller eine Hauptlärmquelle für den Innen- und Außengeräuschpegel dar. Die Lärmemission eines Propellers ist aufgrund der periodischen Vorgänge sehr tonhaltig. Die Frequenz des Grundtones bestimmt sich im allgemeinen aus dem Produkt von Blattzahl und Drehzahl eines Propellers. Bei heutigen Propellerflugzeugen ist der Grundton sehr tieffrequent. Eine Reduzierung des Innengeräusches erfordert daher z. B. den Einsatz einer hohen Masse zur Erhöhung der Schalldämmung der Rumpfstruktur des Flugzeugs. Diese hohe Masse wäre schädlich für die Leistungsfähigkeit des Flugzeuges. Zudem erhöhen hohe Pegel auf der Rumpfaußenhaut die mechanische/dynamische Belastung der Struktur.In propeller aircraft, the propellers are a major source of noise for indoor and outdoor Outside noise level represents. The noise emission of a propeller is due to the periodic processes very tonal. The frequency of the fundamental tone is determined generally from the product of the number of blades and the speed of a propeller. at Today's propeller aircraft has a very low fundamental frequency. A reduction the interior noise therefore requires z. B. the use of a high mass Increase the sound insulation of the fuselage structure of the aircraft. This high mass would be detrimental to the performance of the aircraft. Also increase high Level on the outer skin of the fuselage the mechanical / dynamic loading of the structure.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Lärmimission der Propeller signifikant gesenkt werden kann, und wobei gleichzeitig z. B. die für die Schalldämmung benötigte Masse gesenkt wird.The object of the invention is therefore to create a method with which can significantly reduce the noise emissions of the propellers, and wherein at the same time z. B. the mass required for sound insulation is reduced.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved with the method according to claim 1. advantageous Embodiments of the invention are the subject of dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Geräuschreduktion bei Propellerflugzeugen werden die Kenndaten von mindestens zwei der Propeller hinsichtlich Frequenz, Amplitude und Phase derart aufeinander abgestimmt, dass sich die Schallfelder dieser Propeller in einem kritischen Bereich der Rumpfstruktur des Flugzeuges, an dem aufgrund der direkten Schallabstrahlung der Propeller ein maximaler Schallpegel auftritt, durch Interferenz abschwächen oder im Idealfall sogar völlig auslöschen.In the method according to the invention for noise reduction in propeller aircraft the characteristics of at least two of the propellers in terms of frequency, Amplitude and phase matched to one another in such a way that the sound fields this propeller in a critical area of the fuselage structure of the aircraft due to the direct sound radiation from the propellers, a maximum sound level occurs, weaken by interference or, ideally, even completely extinguish it.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell für alle Propellerkonfigurationen anwendbar, soweit aufgrund der Konfiguration der Propeller am Flugzeug eine Rumpfstruktur existiert, die auf direktem Weg mit Luftschall von mindestens zwei Propellern beaufschlagt wird. Solche Konfigurationen sind z.B.:

  • zweimotorige Propellerflugzeuge bei denen zwei Propeller oberhalb der Tragflächen angeordnet sind
  • zweimotorige Propellerflugzeuge bei denen zwei Propeller oberhalb des Rumpfes angeordnet sind
  • dreimotorige Propellerflugzeuge bei denen drei Propeller oberhalb der Tragflächen angeordnet sind
  • dreimotorige Propellerflugzeuge bei denen zwei Propeller oberhalb der Tragflächen und ein Propeller oberhalb des Rumpfes angeordnet sind
  • viermotorige Propellerflugzeuge bei denen jeweils zwei Propeller unterhalb und/oder oberhalb bzw. vor und/oder hinter jeder Tragfläche angeordnet sind
  • sechsmotorige Propellerflugzeuge bei denen jeweils drei Propeller unterhalb und/oder oberhalb bzw. vor und/oder hinter jeder Tragfläche angeordnet sind
  • achtmotorige Propellerflugzeuge bei denen jeweils vier Propeller unterhalb und/oder oberhalb bzw. vor und/oder hinter jeder Tragfläche angeordnet sind.
The method according to the invention can in principle be used for all propeller configurations, provided that due to the configuration of the propellers on the aircraft there is a fuselage structure which is directly subjected to airborne sound from at least two propellers. Such configurations are, for example:
  • twin-engine propeller aircraft in which two propellers are arranged above the wings
  • twin-engine propeller aircraft in which two propellers are arranged above the fuselage
  • three-engine propeller aircraft in which three propellers are arranged above the wings
  • three-engine propeller aircraft in which two propellers are arranged above the wings and one propeller above the fuselage
  • four-engine propeller aircraft in which two propellers are arranged below and / or above or in front of and / or behind each wing
  • six-engine propeller aircraft in which three propellers are arranged below and / or above or in front of and / or behind each wing
  • eight-engine propeller aircraft in which four propellers are arranged below and / or above or in front of and / or behind each wing.

In einem bevorzugten Anwendungsbeispiel der Erfindung mit einem viermotorigen Propellerflugzeug mit jeweils zwei Propellern an jeder Tragfläche werden die Kenndaten der beiden an derselben Tragfläche angeordneten Triebwerke (inneres und äußeres Triebwerk) folgendermaßen aufeinander abgestimmt. Die Schallemission des inneren und äußeren Propellers werden so eingestellt, dass sich zumindest das Schallfeld des Grundtons in Amplitude und Phase des inneren Propellers mit dem Schallfeld des Grundtons in Amplitude und Phase des äußeren Propellers im Bereich der nächstgelegenen, kritischen Rumpfoberfläche des Flugzeugs so überlagern, dass sie sich dort durch Interferenz deutlich abschwächen oder im Idealfall sogar völlig auslöschen. In a preferred application example of the invention with a four-engine Propeller aircraft with two propellers on each wing are the characteristics of the two engines arranged on the same wing (inner and outer engine) matched as follows. The noise emission of the inner and outer propeller are adjusted so that at least that Sound field of the fundamental tone in amplitude and phase of the inner propeller with the Sound field of the fundamental tone in amplitude and phase of the outer propeller in the area overlay the nearest critical fuselage surface of the aircraft so that they weaken significantly there through interference or ideally even completely extinguish.

Dazu müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

  • a) Die Frequenzen der Grundtöne des inneren und äußeren Propellers müssen genau übereinstimmen.
  • b) Die Amplituden der Grundtöne des inneren und äußeren Propellers müssen am kritischen Rumpfbereich annähernd gleich groß sein.
  • c) die Druckschwankungen der Grundtöne des inneren und äußeren Propellers müssen am kritischen Rumpfbereich um etwa 180° phasenversetzt sein.
    • The following requirements must be met:
  • a) The frequencies of the fundamental tones of the inner and outer propeller must match exactly.
  • b) The amplitudes of the fundamental tones of the inner and outer propeller must be approximately the same size at the critical fuselage area.
  • c) the pressure fluctuations of the basic tones of the inner and outer propeller must be out of phase at the critical fuselage area by about 180 °.

    • Diese Voraussetzungen können bei dem bevorzugten Anwendungsbeispiel der Erfindung mit einem viermotorigen Propellerflugzeug mit jeweils zwei Propellern an jeder Tragfläche insbesondere folgendermaßen erfüllt werden:These requirements can be met in the preferred application example Invention with a four-engine propeller plane, each with two propellers each wing in particular as follows:

    Da der äußere Propeller eine größere Entfernung zur Rumpfoberfläche besitzt, müssen seine Schallabstrahlung im Grundton gegenüber der des inneren Propellers größer sein. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass die Blattzahl des äußeren Propellers gegenüber der des inneren Propellers verringert wird. Parallel dazu wird die Drehzahl des äußeren Propellers gegenüber der Drehzahl des inneren Propellers erhöht, so dass die Produkte aus Blattzahl und Drehzahl für den inneren Propeller und äußeren Propeller gleich groß sind. Damit ist gleichzeitig sichergestellt, dass die Propeller die gleiche Frequenz im Grundton aufweisen.Since the outer propeller is farther away from the surface of the fuselage, must have its sound radiation in the fundamental tone compared to that of the inner propeller to be taller. This can e.g. can be achieved in that the number of sheets of the outer Propellers compared to that of the inner propeller is reduced. In parallel the speed of the outer propeller versus the speed of the inner propeller increased so that the products from blade count and speed for the inner propeller and the outer propeller are the same size. This also ensures that the Propellers have the same fundamental frequency.

    Darüber hinaus können die Amplituden der Grundtöne der Propeller u.a. durch Variation

    • der Blattgeometrie (z. B. Durchmesser, Blatttiefe, Profilform, insbesondere Blattspitzengestaltung),
    • des Blattanstellwinkels,
    • der Anströmbedingungen (z.B. Propellerneigewinkel, Vorschalten einer strömungsbeinflussenden Struktur),
    • der Entfernung der Propeller zum kritischen Bereich der Rumpfstruktur
    • der Propellerpositionen entlang der Anströmrichtung (insbesondere bei Propellern mit einer Vorzugsrichtung in der Abstrahlcharakteristik) abgestimmt werden.
    In addition, the amplitudes of the fundamental tones of the propellers can be varied, among other things
    • the blade geometry (e.g. diameter, blade depth, profile shape, in particular blade tip design),
    • the blade pitch,
    • the inflow conditions (e.g. propeller pitch angle, upstream of a flow-influencing structure),
    • the distance of the propellers to the critical area of the fuselage structure
    • the propeller positions along the flow direction (especially in the case of propellers with a preferred direction in the radiation characteristic).

    Die notwendigen Phasenlagen der Schallfelder kann in dem hier betrachteten Fall (Produkt aus Drehzahl und Blattzahl für die Propeller konstant, d. h. konstante Blattfolgefrequenz), durch Feineinstellung der momentanen Blattlagewinkel der Propeller zueinander eingestellt werden (z. B. Einstellung der Blattphasenwinkel bzw. der Phasenunterschiede in der Blattfolge der Propeller), so dass die Schallfelder wie oben erwähnt um etwa 180° phasenversetzt im Bereich der kritischen Rumpfoberfläche überlagert werden. Diese Einstellungen können aktiv kontrolliert und gesteuert werden.The necessary phase positions of the sound fields can in the case considered here (Product of speed and number of blades for the propellers constant, i.e. constant Sheet repetition frequency), by fine adjustment of the current sheet position angle of the Propellers are adjusted to each other (e.g. adjustment of the blade phase angle or the phase differences in the blade sequence of the propellers), so that the sound fields like Above mentioned, phase-shifted by about 180 ° in the area of the critical fuselage surface be overlaid. These settings can be actively controlled and controlled become.

    Weitere Möglichkeiten zur Abstimmung der Phasen der Schallfelder im Bereich der kritischen Rumpfoberfläche sind:

    • Variation des Abstands zwischen innerem und äußerem Propeller,
    • Variation der Propellerpositionen entlang der Anströmrichtung (insbesondere bei Propellern mit einer Vorzugsrichtung in der Abstrahlcharakteristik)
    • Variation der Propellerdrehrichtung.
    Other options for coordinating the phases of the sound fields in the area of the critical fuselage surface are:
    • Variation of the distance between the inner and outer propeller,
    • Variation of the propeller positions along the flow direction (especially in the case of propellers with a preferred direction in the radiation characteristic)
    • Variation of the direction of rotation of the propeller.

    Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch unter Berücksichtigung mehrerer Propellertöne (Grundton und Harmonische) anwendbar.The inventive method is also taking into account several propeller tones (Fundamental and harmonic) applicable.

    Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Vorteile auf:

    • deutlich geringere Schalldrücke auf der Rumpfaußenhaut und damit Erhöhung der Lebensdauer (Acoustic Fatigue).
    • hohe Innengeräuschreduktion bei z.B. deutlich geringerem Einsatz von Masse zur Schalldämmung der Rumpfstruktur.
    The method according to the invention has the following advantages:
    • significantly lower sound pressures on the outer skin of the fuselage and thus increased durability (acoustic fatigue).
    • high interior noise reduction with, for example, significantly less use of mass for sound insulation of the fuselage structure.

    Anhand einer Fig. wird das erfindungsgemäße Verfahren für ein viermotoriges Propellerflugzeug mit zwei Propellern an jedem der beiden Tragflächen näher erläutert. Sie zeigt in der Ansicht von oben und in schematischer Darstellung die Rumpfaußenhaut 1 des Flugzeugs sowie die Lage des inneren 5 sowie des äußeren 6 Propellers an einer der Tragflächen. Das Schallfeld des inneren Propellers 10 sowie das Schallfeld 11 des äußeren Propellers sind ebenfalls eingezeichnet. Erfindungsgemäß werden die beiden Triebwerke 5,6 so aufeinander abgestimmt, dass sich am kritischen Punkt PK, dem nächstgelegenen Bereich der Rumpfaußenhaut 1, die beiden Schallfelder so überlagern, dass sie sich möglichst stark abschwächen.The method according to the invention for a four-engine is illustrated with the aid of a FIG Propeller plane with two propellers closer to each of the two wings explained. It shows the view from above and in a schematic representation Fuselage outer skin 1 of the aircraft and the position of the inner 5 and the outer 6 propellers on one of the wings. The sound field of the inner propeller 10 and the sound field 11 of the outer propeller are also shown. According to the invention, the two engines 5, 6 are coordinated with one another in such a way that that is at the critical point PK, the closest area to the outer skin of the fuselage 1, overlay the two sound fields so that they weaken as much as possible.

    Claims (8)

    Verfahren zur Geräuschreduktion bei mehrmotorigen Propellerflugzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenndaten von mindestens zwei der Propeller (5 bis n) hinsichtlich Frequenz, Amplitude und Phase derart aufeinander abgestimmt werden, dass sich die Schallfelder (10 bis k) der Propeller (5 bis n) im Bereich (PK) der nächstgelegenen Rumpfstruktur des Flugzeugs durch Interferenz abschwächen oder vollständig auslöschen.Method for noise reduction in multi-engine propeller aircraft, characterized in that the characteristic data of at least two of the propellers (5 to n) are matched to one another in terms of frequency, amplitude and phase such that the sound fields (10 to k) of the propellers (5 to n) in the area (PK) of the nearest fuselage structure of the aircraft weaken or completely extinguish by interference. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abstimmung der Triebwerkskenndaten zumindest der Grundton der Propeller (5 bis n) berücksichtigt wird.A method according to claim 1, characterized in that at least the basic tone of the propellers (5 to n) is taken into account when coordinating the engine characteristics. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abstimmung der Triebwerkskenndaten neben dem Grundton noch weitere Propellertöne berücksichtigt werden.A method according to claim 2, characterized in that in addition to the basic tone, other propeller tones are taken into account when tuning the engine characteristics . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Propeller (5 bis n) derart ausgewählt und eingestellt werden, dass das Produkt aus Blattzahl und Drehzahl gleich groß ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the propellers (5 to n) are selected and adjusted such that the product of the number of blades and the speed is the same size. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmung der Frequenzen der Propeller (5 bis n) mittels Einstellung der Blattzahl und/oder der Drehzahl der Propeller erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the frequencies of the propellers (5 to n) are matched by adjusting the number of blades and / or the speed of the propellers. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmung der Phasen der Propeller (5 bis n) mittels einer oder mehrerer der folgenden Maßnahmen erfolgt: Einstellung des Abstandes zwischen den Propellern, Einstellung der Position der Propeller entlang der Anströmrichtung, Einstellung des momentanen Blattlagewinkels bzw. der Phasenunterschiede in der Blattfolge der Propeller zueinander, Einstellung der Propellerdrehrichtungen. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the phases of the propellers (5 to n) are coordinated by means of one or more of the following measures: Adjusting the distance between the propellers, Adjustment of the position of the propellers along the direction of flow, Setting the current blade position angle or the phase differences in the blade sequence of the propellers to one another, Setting the propeller directions of rotation. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmung der Amplituden der Propeller (5 bis n) mittels einer oder mehrerer der folgenden Maßnahmen erfolgt: Einstellung der Blattgeometrie, Einstellung der Drehzahl, Einstellung des Blattanstellwinkels, Einstellung der Anströmungsbedingungen, Einstellung der Entfernung der Propeller zum kritischen Bereich der Rumpfstruktur. Einstellung der Propellerpositionen entlang der Anströmrichtung. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the amplitudes of the propellers (5 to n) are matched by means of one or more of the following measures: Adjustment of the blade geometry, Speed setting, Adjustment of the blade pitch, Adjustment of the flow conditions, Adjustment of the distance of the propellers to the critical area of the fuselage structure. Adjustment of the propeller positions along the flow direction. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es an einem viermotorigen Propellerflugzeug mit jeweils zwei Propellern an jeder Tragfläche durchgeführt wird, wobei die zwei an derselben Tragfläche angeordneten Propeller derart hinsichtlich Frequenz, Amplitude und Phase abgestimmt werden dass sich die Schallfelder der beiden Propeller im Bereich der nächstgelegenen, kritischen Rumpfoberfläche des Flugzeugs so überlagern, dass sie sich dort durch Interferenz deutlich abschwächen oder im Idealfall sogar völlig auslöschen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that it is carried out on a four-engine propeller aircraft with two propellers on each wing, the two propellers arranged on the same wing being matched in terms of frequency, amplitude and phase such that the sound fields of the two propellers overlap in the area of the nearest critical fuselage surface of the aircraft in such a way that they weaken significantly there through interference or, in the ideal case, even completely extinguish them.
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