超音速喷气机极端噪声的安全隐患

佛罗里达农工州立大学工程学院与佛罗里达先进航空推进中心（FCAAP）的研究人员，正致力于解决军用航空中的一项关键安全问题：超音速喷气机在起飞和着陆阶段产生的极端噪声。相关成果已发表在《流体力学杂志》上。

团队提出了一种新的物理模型，用于解释当超音速喷流撞击地面或其他结构时，如何形成共振反馈回路，从而产生可达危险级别的高强度噪声。

STOVL喷气流与战术优势

研究对象是类似短距起飞和垂直着陆（STOVL）喷气机上的喷流，例如F-35B“闪电II”战机。这类飞机能够在不依赖传统长跑道的条件下起降，具备显著的战术优势。

然而，当飞机在着陆阶段接近地面时，高速排气羽流与着陆表面发生强烈相互作用，会产生极高噪声，声级常常超过140分贝，对机体结构和地面人员都构成严重威胁。

机械与航空航天工程系教授、战略合作、创新、研究与教育研究所（InSPIRE）前创始主任及FCAAP创始主任法鲁克·S·阿尔维指出：“喷气机能量中只有极小一部分转化为声音，但这小部分却足以带来巨大的影响。喷气发动机产生的强噪声不仅可能损伤飞机结构，也会危及地面人员的听力。”

他补充说：“我们正在研究这些超音速喷流及其噪声产生的物理机制，以便开发减弱噪声影响的技术工具。事实上，我们已经在喷气噪声削减技术方面取得了一定进展。”

共振反馈回路的危害

当喷气发动机排出的高速气流与周围空气混合时，会形成大尺度扰动结构。这些扰动撞击地面后产生强烈声波，并沿反方向传播回喷嘴区域，形成往返作用的共振反馈回路，导致持续而响亮的重复噪声。

对飞机而言，这种共振振动会加速结构疲劳，甚至可能在机体与地面之间形成危险的低压区，将飞机“吸”向地面，增加操作风险。

对地面机组人员来说，长时间暴露在超过140分贝的噪声环境中，即便佩戴听力防护装备，也可能造成永久性听力损伤。在峰值声压下，极端噪声甚至可能对人体器官造成伤害。

马赫1.5喷流实验与新模型

研究团队在实验中使用了马赫数1.5的超音速喷流，即喷气速度约为声速的1.5倍。他们通过调节喷嘴压力以及喷流与地面之间的距离，模拟飞机起飞和着陆过程中的不同工况，并进行多种测量。

为观察喷流结构，团队采用高速摄像机和施利伦成像技术。这种可视化方法可以实时“看到”喷流中的大尺度扰动及其产生的声波传播情况。同时，一只高灵敏度麦克风用于记录喷气噪声信号。

当喷气噪声达到高强度时，喷流结构和声波会以稳定的节奏重复出现，这是共振周期的典型特征。研究人员将成像结果与共振周期中的特定时刻一一对应，从而清晰描绘出喷流在整个周期内的演化过程，并测量了大尺度扰动的传播速度以及声波向喷嘴反向传播的速度。

实验结果显示，在许多工况下，噪声的音高——即人耳对声波频率的主观感知——主要由机体与地面之间空间内形成的声学驻波所控制。这些驻波在空间中呈现相对“静止”的分布形态。

研究表明，噪声音高并非主要由扰动传播速度决定，这为传统的喷气共振反馈理论提供了新的视角。团队还发现，传播速度较慢的扰动往往尺度更大，因此会产生更高强度的噪声。

该研究的首席作者、博士后研究员宋明俊表示：“这一点非常出乎意料。我们发现，声学驻波在决定噪声音高方面更为关键，而扰动的尺度和速度则主要影响噪声的强度，也就是人们感受到的‘响度’。”

基于这一认识，研究人员意识到：由于扰动速度对音高影响有限，仅利用声学驻波信息就可以较为准确地预测噪声音高。

这一新模型为工程设计提供了实用工具。工程师在设计飞机结构和着陆平台时，可以更方便地预测关键噪声频率，从而在早期阶段就考虑结构防护和人员声学安全问题。

世界级实验设施支撑研究

本次实验在FAMU-FSU工程学院的FCAAP专用研究设施中完成，这些设施专门用于先进高速空气动力学研究。

研究人员使用了FCAAP的STOVL试验平台，该平台具备先进的流动诊断能力；同时还利用了热喷气设施，在消声室内产生高温高速喷流，以实现高精度声学测量，尽可能接近真实喷气发动机工况。

阿尔维指出：“喷气推进是我们研究的重点之一，但我们的工作远不止于此。学院和大学通过FCAAP运营一座多音速风洞，可模拟最高马赫6的超音速流动，覆盖从超音速到高超音速的条件。我们还利用消声风洞和亚音速风洞开展大量其他航空航天相关研究。”

他强调，这些设施与研究团队的专业能力共同构成了一个独特的科研生态系统，持续推动航空航天技术的前沿发展。

InSPIRE与未来高超音速研究

与本研究相关的InSPIRE项目由佛罗里达州立大学牵头，旨在在佛罗里达湾县建设新的航空航天与先进制造中心。该项目以FCAAP为基础，规划建设更大规模的高超音速风洞设施，以覆盖更广泛的试验条件，支持应用导向和产业相关的研究工作。

“在与产业界合作的框架下，InSPIRE还整合了先进制造能力，使测试与评估过程更加高效，并帮助我们的工业伙伴在接近真实工厂环境的模拟条件下创新制造工艺。”阿尔维以InSPIRE前主任的身份表示。

他补充说：“与产业伙伴的紧密合作，使我们的研究人员能够将专业知识直接用于解决企业面临的紧迫而复杂的技术问题。”