在航空领域，载人及无人驾驶飞行器的发展日新月异，这些飞行器常借助一个或多个螺旋桨、旋翼或风扇提供升力或推力，以实现向前飞行、垂直起降等功能。然而，螺旋桨在运行过程中产生的噪音问题十分突出，尤其是在人口密集区域，已成为限制飞行器运营的重要障碍。

螺旋桨噪音主要分为脉冲噪音、旋转噪音和宽带噪音三类。其中，旋转噪音由螺旋桨产生的推力、扭矩以及叶片旋转时的空气位移引发，具有明显的 tonal 特性，在叶片通过频率及其谐波处会形成清晰的声压谱峰值。为解决这一问题，NASA 相关研究人员研发出了低噪音多螺旋桨系统，该系统通过特定的设计和控制方式，有效降低了螺旋桨运行时的噪音，为飞行器在更多场景的应用创造了可能。

当前多螺旋桨系统在噪音控制及运行效能方面存在诸多问题。从噪音产生来看，传统多螺旋桨系统中，各螺旋桨往往独立运行，缺乏有效的相位协同控制。旋转噪音作为主要噪音来源之一，其在叶片通过频率及谐波处的峰值明显，多个螺旋桨同时运行时，噪音叠加后更为显著。

在结构设计上，现有系统对螺旋桨的布局缺乏科学规划。相邻螺旋桨之间的间距设置不合理，当间距大于叶片通过频率基频的半波长时，无法利用声学相互作用实现噪音抵消。而且，螺旋桨的排列方式较为随意，无论是线性排列、多边形排列还是其他形式，都未考虑到相位偏移对噪音控制的影响，导致噪音辐射效率较高。

从运行控制角度，传统驱动系统难以保证多个螺旋桨在相同旋转方向上保持基本一致的旋转速率，螺旋桨之间的相对相位关系不稳定。这使得螺旋桨无法形成类似声学偶极子等低效辐射源的特性，无法有效降低辐射声功率。同时，对于不同数量的螺旋桨，也没有针对性的相位偏移设置方法，无法根据螺旋桨叶片数量和数量优化噪音控制效果。

此外，在应用拓展方面，现有技术难以将多螺旋桨系统的噪音控制技术有效应用到其他领域，如计算机冷却风扇、风力涡轮机等，限制了低噪音技术的广泛应用。

该低噪音多螺旋桨系统主要由至少两个螺旋桨以及驱动系统组成。每个螺旋桨包含至少两个叶片，驱动系统能够驱动这些螺旋桨在第一方向上以基本相等的旋转速率共同旋转，并使它们保持预定的相对相位偏移，从而降低叶片通过频率处的整体声功率。

螺旋桨的结构具有一定的一致性，至少两个螺旋桨的叶片数量相等，且在尺寸和形状上基本相同，这有助于保证各螺旋桨声学特性的一致性，为后续的相位控制和噪音抵消奠定基础。

驱动系统的作用至关重要，它可以是机械驱动方式，如利用齿轮、滑轮和皮带等机械元件，使螺旋桨在相同旋转方向上以基本相同的旋转速率旋转，并保持预定的相对相位偏移；也可以是电子控制方式，通过电子控制器实现螺旋桨之间的相位锁定，维持预定的相对相位关系。

该系统的核心在于根据螺旋桨的叶片数量和数量确定合理的相对相位偏移。对于线性排列的螺旋桨，或者包含偶数个螺旋桨的非线排列情况，相邻螺旋桨的优选预定相对相位偏移约等于180度除以每个螺旋桨的叶片数量(Δψ=180°/Nb，其中Nb为叶片数量)。

例如，图1所示的螺旋桨系统5中，第一螺旋桨6A和第二螺旋桨6B均有两个叶片8，按照上述原理，它们之间的相对相位差优选为90度。这种相位设置使得两个螺旋桨产生的声音能够相互抵消，类似声学偶极子的效果，降低了噪音辐射效率。

图1 为根据本公开一个方面的低噪声多螺旋桨系统的示意俯视图

当螺旋桨系统包含位于正多边形顶点附近的奇数个螺旋桨(如三角形、五边形等)时，相邻螺旋桨的优选相位偏移角为Δψr=180°/Nb-180°/(NpNb)，其中Np为螺旋桨数量。以图2中的螺旋桨系统5E为例，三个螺旋桨6E1-6E3呈三角形排列，每个螺旋桨有两个叶片8，根据公式计算，相邻螺旋桨之间的相位偏移约为60度，有效降低了该配置下的噪音。

图2 为根据本公开另一个方面的低噪声多螺旋桨系统的示意俯视图

螺旋桨的布局形式多样，可以是线性排列，如图1中的两个螺旋桨6A、6B沿中心线CL排列，图3中的四个螺旋桨6E-6H沿中心线CL排列；也可以是多边形排列，如图4中四个螺旋桨6Q-6T呈四边形排列，图2中三个螺旋桨6E1-6E3呈三角形排列等。

图3 为根据本公开另一个方面的低噪声多螺旋桨系统的示意俯视图

图4 为根据本公开另一个方面的低噪声多螺旋桨系统的示意俯视图

无论采用何种布局，相邻螺旋桨之间的间距D均优选小于叶片通过频率基频的半波长。这一设计是为了保证相邻螺旋桨之间能够产生近场声学相互作用，从而降低多螺旋桨系统的辐射效率，减少辐射声功率。例如，在图1中，螺旋桨6A和6B的轴线10A和10B之间的距离D设置为小于叶片通过频率基频的半波长。

所有螺旋桨在驱动系统的控制下，沿相同的旋转方向(顺时针或逆时针)旋转，并且旋转速率基本相等。这种同向同速的旋转方式是保证螺旋桨之间相对相位关系稳定的基础，只有这样，预定的相位偏移才能持续有效地发挥作用，实现噪音降低的效果。

如图1所示，螺旋桨6A和6B均沿逆时针方向旋转，且旋转速率基本相同，结合90度的相位偏移，有效降低了噪音。

如图3所示，该配置包含第一螺旋桨6A和第二螺旋桨6B，每个螺旋桨都有两个叶片8，分别绕轴线10A和10B旋转。两螺旋桨基本相同，轴线沿中心线CL排列，间距D小于叶片通过频率基频的半波长。

在相位控制上，两螺旋桨相位锁定，相对相位偏移约为90度，它们沿相同方向(如逆时针)以基本相同的旋转速率旋转。这种配置下，两个螺旋桨形成类似声学偶极子的特性，通过声音的相消干涉，降低了叶片通过频率处的声功率。测试数据显示，这种配置下的辐射声功率比两个独立运行的螺旋桨降低了5.8dB。

如图5所示，螺旋桨系统5A中的第一螺旋桨6C和第二螺旋桨6D各有三个叶片8，分别绕轴线10C和10D旋转。轴线沿中心线CL排列，间距D小于叶片通过频率基频的半波长。

由于叶片数量为3，根据相位偏移公式，两螺旋桨之间的相对相位偏移优选为60度。它们在相同方向上以基本相同的旋转速率旋转，相位锁定。这种配置能够有效降低三叶片螺旋桨运行时在叶片通过频率处的噪音。

图5 为根据本公开另一个方面的低噪声多螺旋桨系统的示意俯视图

如图3所示，螺旋桨系统5B包含四个螺旋桨6E-6H，每个都有两个叶片8，它们的轴线10E-10H沿中心线CL排列，相邻轴线间距D小于叶片通过频率基频的半波长。

相邻螺旋桨之间的相位偏移约为90度，所有螺旋桨沿相同方向以基本相同的旋转速率旋转且相位锁定。这种线性排列的四螺旋桨配置，通过多个螺旋桨之间的声学相互作用，进一步降低了整体噪音。数值模拟显示，这种四螺旋桨组在叶片通过频率处的总噪音低于单个螺旋桨，同时能提供四倍于单个螺旋桨的推力。

如图2所示，螺旋桨系统5E的三个螺旋桨6E1-6E3呈三角形排列，每个有两个叶片8，轴线10E1-10E3之间的间距D小于叶片通过频率基频的半波长。

因是三个螺旋桨(奇数)呈三角形(正多边形)排列，根据相应公式计算，相邻螺旋桨之间的相位偏移约为60度。它们沿相同方向以基本相同的旋转速率旋转且相位锁定，利用近场声学相互作用降低了噪音辐射效率。

如图4所示，四个螺旋桨6Q-6T呈四边形排列，每个有两个叶片8，相邻螺旋桨间距D小于叶片通过频率基频的半波长。

相邻螺旋桨之间的相位偏移约为90度，所有螺旋桨沿相同方向以基本相同的旋转速率旋转且相位锁定。这种四边形布局的四螺旋桨系统，通过合理的相位控制和间距设置，实现了噪音的有效降低。

通过齿轮、滑轮和皮带等机械元件构成传动机构，机械结构的设计保证了螺旋桨在旋转时能够保持预定的相位关系和相同的旋转速率。例如，齿轮的齿数配比经过精确计算，使动力传递过程中螺旋桨的旋转速率一致，同时通过齿轮的啮合关系固定相对相位偏移。

这种方式的优势在于相位控制稳定可靠，不受电子干扰等因素影响，适用于对稳定性要求较高的场景。

采用电子控制器实现螺旋桨之间的相位锁定，类似于涡轮螺旋桨飞机发动机中使用的电子控制方式。电子控制器通过传感器实时监测各螺旋桨的旋转速率和相位信息，然后根据预设的相位偏移要求，对螺旋桨的驱动电机进行调节，确保它们以基本相同的旋转速率旋转，并保持预定的相对相位偏移。

电子控制方式的灵活性较高，便于根据不同的运行条件和需求调整相位偏移和旋转速率等参数。

噪音降低主要得益于螺旋桨之间的近场声学相互作用。当两个或多个螺旋桨按照预定的相位偏移、间距和旋转方式运行时，它们产生的声场会相互影响。

以两个螺旋桨为例，合理的相位偏移使它们类似声学偶极子，偶极子的辐射效率低于单个monopole(单极子)。当螺旋桨间距远小于声学波长时，偶极子的辐射声功率比单极子小。多个螺旋桨按照特定方式配置时，可能形成如四极子等更低效的辐射源，进一步降低辐射声功率。

从能量角度看，独立声学源的总功率输出是单个源的叠加，而相位协同的螺旋桨由于声学相互作用，机械能量转化为声学能量的效率降低，从而减少了辐射声功率。测试和模拟结果均验证了这一点，如两螺旋桨在90度相位偏移下，辐射声功率显著降低。

该低噪音多螺旋桨系统的技术原理不仅适用于飞行器，还可拓展到其他领域。在计算机等消费电子产品的冷却风扇中，通过控制相邻风扇的相位偏移、旋转速率和间距，可降低风扇运行噪音。对于风力涡轮机，合理控制相邻涡轮机的旋转相位和速率等，能减少运行时的噪音影响。

在这些应用中，只需根据具体设备的叶片数量、结构布局等，按照相应的相位偏移公式和间距要求进行设计和控制，即可实现噪音降低的效果。

综上所述，该低噪音多螺旋桨系统通过科学的相位控制、合理的布局设计和精准的旋转控制，有效解决了传统多螺旋桨系统噪音过大的问题，具有广泛的应用前景。

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来源：公开信息，要点纵航整理

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