随着民用航空发动机涵道比的增大,航空叶轮机噪声已经成为飞机噪声的主要噪声源。当单音噪声和喷流噪声得到有效控制时,叶轮机湍流宽频噪声的重要性就日渐凸显。无论是研究宽频噪声的产生机理,还是进行新型高效管道吸声结构设计,都需要弄清风扇噪声的产生和传播过程,详细刻画风扇噪声管道声模态的分布特征,掌握湍流宽频噪声的频谱特性。本文针对航空叶轮机管道声模态的识别开展了数值和实验研究。论文的主要工作和成果是:(1)宽频噪声管道声模态相干特性以及识别测试方法研究。本文搭建了声模态识别实验研究平台,通过对单个扬声器声源和单级轴流风扇产生的宽频噪声管道声模态统计相干特性进行实验测试研究,得到了模态相干系数的分布规律。在此基础上,本文建立了宽频噪声模态识别方法,解决了宽频噪声模态识别难题。通过峰值锁相技术,本文设计加工了管道声模态旋转测试系统,并对半消声室内的单级轴流风扇管道声模态进行了精细化识别测试。实验结果表明,叶轮机宽频噪声管道声模态是统计不相干的。入射声波的声功率级要比反射声波的结果高,两者最大相差10dB。入射声波的能量在1500Hz以内主要集中于-6~+6模态,相对来说正转模态携带的能量更高。(2)风扇湍流宽频噪声远场辐射的理论和实验研究。基于Wiener-Holf方法,本文对管道内多模态的远场指向性进行了数值和实验研究。在高频处,每个模态的幅值可以表示为模态截通比的函数,远场指向性函数依赖于各个截通模态的幅值和方向函数,并随着气流马赫数的增大而增大。论文首次通过实验方法证实了较高频率处的管道声模态满足模态等能量分布规律,在此基础上发展了两传声器模态识别测试方法。通过两传声器测量的声压互谱信号,成功地计算出叶轮机管道噪声声功率和远场指向性。(3)新型模态识别方法研究。在深入研究宽频噪声管道声模态统计相干特性的基础上,本文建立了两种新型模态识别方法,分别是组合传声器阵列方法和旋转传声器阵列方法。与其它方法相比,新方法所需的测点个数大幅度减少,这种优势在中高频管道噪声测量中尤为明显,非常适用于工程应用。利用管道壁面安装的单圈传声器和单排轴向传声器或旋转传声器阵列,可以准确识别风扇进口管道声模态。在入射声波测量方面,最大误差小于1dB,在反射声波的测量方面,组合传声器阵列方法的计算结果与旋转传声器声模态识别方法的测试结果基本一致。(4)基于误差理论的管道声模态识别阵列设计方法研究。利用线性代数中的条件数分析方法,本文对声模态识别中的误差传递特性进行了初步研究,并通过建立的误差分析方法,对模态识别中的各周向和径向模态的误差传递规律进行了精细化数值分析研究。利用在人造声场中叠加微小扰动的方式,得到了不同传声器阵列对声模态识别的影响规律。在误差分析方法的基础上,论文进一步创建了传声器阵列设计准则。结果表明,径向耙在中低频噪声测试中误差较大,与轴向阵列相比更适用于高频噪声的模态识别。相反,在中低频时,轴向传声器阵列的条件数要小于10,但在高频时测试误差会急剧增大。m=0模态是制约模态识别精度以及频率上限的主导模态,因此在阵列设计中,主要参考m=0模态处的误差传递特性。轴向传声器阵列在模态识别中,其精度强烈依赖于测点间的轴向间距。