24

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

филиал “Восход”

Кафедра КиИЛА Хакимов Р.Р.

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

на тему: «Испытания на воздействие акустических нагрузок»

по курсу: «Механические испытания»

Утверждено на заседании кафедры

протокол № ___________________

от “___” ________________ 2009 г.

г. Байконур 2009 г.

Аннотация

Методические указания предназначены для помощи студентам специальности 130900 в выполнении лабораторной работы по курсу «Механические испытания».

Лабораторная работа основана на закреплении знаний лекционного курса в изучении основных методов испытаний на воздействие акустических нагрузок.

Лабораторная работа позволяет студентам изучить принцип работы и устройство установок для создания звукового поля для проведения наземных акустических испытаний.

Содержание

Аннотация	2
Содержание	3
Основные обозначения	4
Введение	5
Цель лабораторной работы	6
1. Испытания на воздействие акустических нагрузок	7
2. Установки для испытаний	10
3. Генераторы акустических нагрузок 4. Виды акустических испытаний и методы их проведения 5. Практическая часть	16 20 21
6. Отчетность по лабораторной работе	22
Контрольные вопросы	23
Литература	24

Основные обозначения:

ЛА – летательный аппарат;

РД – ракетный двигатель;

КЛА – космический летательный аппарат.

Введение

Приступая к выполнению лабораторной работы, студент должен внимательно изучить лекционный материал по данной теме.

При выполнении работы первоначально необходимо разобрать методы испытаний в испытательных боксах, реверберационных камерах и каналах бегущей волны, а также устройство генераторов акустических нагрузок.

Лабораторная работа должны помочь студентам специальности 130900 лучше усвоить теоретический курс, читаемый по дисциплине «Механические испытания».

Целью данной лабораторной работы является закрепление знаний, полученных в теоретическом курсе «Механические испытания».

В результате изучения работы студенты должны разобраться с методами акустических испытаний: генерации акустического поля в испытательных боксах, реверберационных камерах и каналах бегущей волны, а также разобраться с принципом устройства и функционирования генераторов акустических нагрузок.

В конце работы предложены вопросы не только по содержанию лабораторной работы, но и по части лекционного курса, посвященного изучению испытаний на воздействия акустических нагрузок.

Результатом работы является защита лабораторной работы по вопросам изложенным в конце пособия и по лекционному материалу.

1. Испытания на воздействие акустических нагрузок

В последние десятилетия на стыке двух наук — аэро­динамики и акустики — образовалось новое научное направление — аэроакустика. Аэроакустика изучает проблемы аэродинамической гене­рации звука, его распространения и снижения шума.

Акустические испытания, т.е. испытания на воздействие шума (зву­кового давления), выделяются в специальный вид испытаний.

Акустические испытания могут преследовать две различные цели:

1. Изучение восприимчивости исследуемых систем к воздействию звукового давления, т.е. способности систем эффективно реагировать на воздействие основных нагрузок (например, исследование характе­ристики демпферов, гасящих пульсации в бортовых системах).

2. Определение фактической устойчивости или усталостной прочности и долговечности элементов конструкции под воздействием ин­тенсивных акустических нагрузок.

Воспроизведение действительных условий нагружения при акусти­ческих испытаниях представляет собой сложную задачу, так как аку­стические нагрузки имеют случайный характер и изменяются в весьма широком диапазоне частот. Создание универсального стенда, воспро­изводящего весь комплекс акустических нагрузок, оказалось практи­чески неосуществимым. Поэтому при наземных испытаниях имитиру­ются наиболее важные режимы нагружения. При этом предполагается, что, несмотря на физическое различие между искусственным шумом (на стенде) и шумом РД, пульсациями давления в турбулентном по­граничном слое в зонах отрывных аэродинамических возмущений и ко­леблющимися ударными волнами, они вызывают сходную вибрацион­ную реакцию конструкции.

При проектировании установок акустического нагружения и разра­ботке методик испытаний решаются следующие основные задачи:

1. Разрабатываются источники интенсивного шума.

2. Формируется требуемое акустическое поле вокруг объекта ис­пытаний.

3. Разрабатываются измерительные системы.

Общие требования к акустическим стендам, предназначенным для испытаний конструкций ЛА и его элементов, сводятся к следующему:

— необходимо воспроизводить уровни акустических нагружений, близкие к эксплуатационным;

— параметрический ряд стендов должен обеспечивать проведение прочностных, контрольных и сертификационных испытаний как элементов, узлов и агрегатов ЛА, так и его систем и изделия в целом;

• стенды должны позволять воспроизводить случайные широкополосные и узкополосные процессы акустического нагружения с задан­ной формой спектра в полосе частот 20 — 2000 Гц, а также создавать заданное распределение уровней звука на облучаемой поверхности;

• как управление процессом нагружения объекта испытаний, так и сбор и обработка получаемой информации (звукового давления, вибраций, напряжения) должны быть автоматизированы. В условиях действия звукового давления в диапазоне от 150 до 170 дБ и выше в конструкции ЛА возникают значительные напряжения, которые могут вызвать устало­стное разрушение после даже кратковременного нагружения.

Наиболее распространенный вид усталостных повреждений обшивки от акустических воздействий — разрушение отдельных панелей, оболо­чек и подкрепляющих элементов, особенно в местах значительной кон­центрации напряжений вблизи заклепочных швов и отверстий.

В натурных условиях элементы конструкции ЛА подвергаются интенсивному акустическому нагружению на трех основных этапах: 1) старт; 2) выход на трансзвуковую скорость при подъеме; 3) спуск и торможение ЛА в плотных слоях атмосферы на этапе старта.

Мощное акустическое поле возникает от высокотемпературных струй газа, истекающих из реактивных двигателей, которые взаимо­действуют с окружающей средой и с частями наземного комплекса.

Шум от РД возникает в результате колебаний давления у пограничных слоев в результате взаимодействия высокоскоростной струи газа и окружающего воздуха.

Для определения звуковой мощности реактивной струи в зависимости от скорости истечения струи можно использовать следующие зависимости:

Здесь ρ — плотность газового потока струи; v — скорость истека­ющей струи относительно окружающего воздуха; ρ₀ — плотность ок­ружающей среды; а₀ — скорость звука в окружающей среде; D — ди­аметр сопла.

Из приведенных зависимостей видно, что интенсивность шума ис­текающей струи максимальна при работе двигателя на земле, когда скорость течения газов относительно окружающего воздуха достигает наибольшего значения.

С возрастанием скорости движения ЛА интенсивность акустиче­ского поля давления от реактивных двигателей на поверхности его корпуса снижается. Снижается и общий уровень вибраций элементов конструкции. Затухают низкочастотные упругие колебания ЛА, вы­званные резким выходом двигателей на режим.

С другой стороны, по мере роста скоростного напора повышается интенсивность вибраций, обусловленных пульсацией внешнего аэро­динамического давления.

На поверхности ЛА под турбулентным пограничным слоем наблю­дается случайное по пространству и времени поле интенсивных пуль­саций давления звукового диапазона частот. Уже сама турбулентность пограничного слоя в сжимаемом потоке является источником излуче­ния звуковой энергии. Однако интенсивность пульсаций давления на обтекаемой поверхности за счет акустического излучения турбулент­ности даже при больших числах Маха существенно меньше интенсив­ности псевдозвуковых пульсаций давления. Эти пульсации давления и являются основными источниками шума от пограничного слоя. За­висимости статистических характеристик пульсаций давления в турбу­лентном пограничном слое от аэродинамических параметров получают на основании результатов экспериментальных исследований. Указан­ные пристеночные пульсации давления относятся к случаю установив­шегося развитого турбулентного пограничного слоя на гладкой повер­хности при нулевом продольном градиенте давления.

Небольшой отрицательный градиент давления приводит к сильно­му уменьшению высокочастотных составляющих пульсаций давления, практически не оказывая влияния на низкочастотные пульсации дав­ления.

Положительный градиент давления (не приводящий к отрыву по­граничного слоя) вызывает рост низкочастотных составляющих, при этом не изменяются высокочастотные составляющие спектра, из-за че­го увеличивается среднеквадратичное значение пульсаций давления в турбулентном пограничном слое.

Наличие выступающих элементов при большом положительном градиенте давления приводит к срыву потока. В зонах отрыва наблю­даются интенсивные пульсации давления, превышающие пульсации давления в невозмущенном пограничном слое в 4—5 раз.

Возмущения турбулентного пограничного слоя возникают из-за по­явления скачков уплотнения и их интерференции. В области присое­динения скачков наблюдается увеличение пристеночных пульсаций давления по мере роста интенсивности скачка уплотнения. Шерохова­тость поверхности приводит к значительному увеличению пульсаций давления в турбулентном пограничном слое по сравнению со случаем гладкой обтекаемой поверхности.

В этих случаях среднеквадратичное значение пульсаций давления на поверхности ЛА за счет шероховатости может возрасти почти на порядок для гладкой поверхности.

Среднеквадратичное значение пульсаций давления зависит от ско­ростного напора:

Для установления условий акустического подобия аэродинамиче­ских потоков необходимо рассмотреть основное волновое уравнение, описывающее источники шума аэродинамического происхождения и распространения звука от этих источников: