2. Установки для испытаний

Звуковое поле создается в испытательных боксах, реверберационных камерах и каналах бегущей волны.

Принципиальная схема бокса для проведения акустических испы­таний показана на рис. 2.65.

Испытуемые изделия 4 располагают вокруг струи 3, истекающей из сопла реактивного двигателя 1 на монтажной раме 5. Для сброса га­зов за рабочим участком расположен диффузор 2. Параметры звуко­вого поля и реакции панелей обшивки контролируют при помощи мик­рофонов и тензорезисторных датчиков.

Как видно из схемы, интенсивным источником шума является вы­хлопная струя реактивного двигателя. Так, вблизи среза выхлопного сопла уровни шума составляют приблизительно 160 — 175 дБ. Такое интенсивное акустическое излучение реактивных струй связано с нео­днородностью структуры турбулентного потока и может рассматри­ваться как результат взаимодействия нестационарных объемов жидко­сти или турбулентных вихрей.

1. Акустическую мощность турбулентной струи определяют по формуле

2. Уровень суммарного шума в точке звукового поля, расположен­ной на расстоянии r от среза сопла под углом Q к оси струи, опреде­ляют по выражению

Фактор направленности l0lgФ, который представляет собой раз­ность между измеренным уровнем шума и уровнем шума в той же точке от фиктивного источника такой же мощности, как и исследу­емый источник, но излучающего звук равномерно во всех направле­ниях, определяют в соответствии с температурой Т и числом М струи; Q — угол между осью струи и направлением измерения шума; Δ — поправка, учитывающая влияние скорости полета ЛА:

Значение коэффициента п зависит от угла наблюдения Q (табл. 2.4).

В реверберационных камерах происходит отражение звука от сте­нок камеры, и звуковое поле вокруг объекта испытаний представляет собой интерференционную картину звуковых волн, т.е. возникает эф­фект резонансного усиления колебаний среды.

Реверберационная камера представляет собой помещение, стены которого оштукатурены с последующим железнением их и покраской тонким слоем. Толщина стен может достигать 80 см при уровне шума 170 дБ. В другом варианте стены реверберационной камеры могут быть облицованы плиткой. Такое помещение почти полностью (99%) отра­жает звуковые волны. В результате этого в камере создается диффуз­ное звуковое поле, т.е. поле, в котором все направления равнозначны и уровни звукового давления одинаковы в любой точке камеры.

Размеры камеры выбирают в соответствии с размерами объекта ис­пытаний. В среднем объем реверберационной камеры должен превы­шать объем испытуемого образца не менее чем в 8 раз.

Для того чтобы акустическое поле было более равномерным, каме­ры относительно небольших объемов (менее 1000м³) строят с непарал­лельными стенками, что способствует улучшению условий ревербера­ции звука. Угол скоса противоположных поверхностей относительно друг друга 5 - 10°.

Камеры большого объема (более 1000м³) обычно делают прямо­угольными. Для повышения диффузности поля в таких камерах иног­да применяют рассеиватели — жесткие клинья, устанавливаемые на внутренних поверхностях камер. Ориентировочно объем ревербераци­онной камеры можно определить из условия обеспечения нижнего ча­стотного диапазона измерений по формуле

где V — объем камеры; f_н — нижняя граничная частота.

Более точный расчет размеров реверберационной камеры (длины d, ширины b и высоты h) производят по формулам:

Правильность выбранных размеров камеры оценивается исходя из удовлетворения условия

В реверберационных камерах, как правило, испытывают полнораз­мерные конструкции ЛА. Генераторы звукового давления устанавли­ваются в разных местах внутри камеры или могут быть установлены вне камеры. Уровень шума, достигаемый в таких камерах, составляет 177 дБ. Управляемый спектр шума — от 40 до 1250 Гц, общий спектр шума — от 40 до 10 000 Гц. Такие камеры позволяют намного снизить потребную акустическую мощность, а также практически избежать воздействия сильного шума на обслуживающий персонал. Уровень шума около камеры имеет значение порядка 50 дБ.

Известные реверберационные камеры имеют объемы 50 — 5000м³ . Наблюдается тенденция к еще большему увеличению объема камер.

В состав реверберационных камер входят (рис. 2.66):

• испытательный бокс;

• препараторская;

• система генераторов звука;

• согласующие устройства (рупоры);

• система питания генераторов звука сжатым воздухом;

• система формирования и управления спектрами акустической нагрузки;

• информационно-измерительная система;

— шумоглушитель для вывода рабочего тела звуковых генерато­ров.

При конструировании реверберационных камер суммарная акусти­ческая мощность источников шума в соответствующих частотных полосах должна быть распределена на минимальное количество согла­сующих устройств (рупоров). При этом должна достигаться высокая, эффективность излучения звука рупором, условием выбора геометри­ческих размеров которого является

где d — размер выходного сечения рупора; а — скорость звука; f_кр — критическая частота рупора, ниже которой эффективность излучения резко падает.

Наибольшая эффективность излучения звука у экспоненциального рупора.

При этой форме поперечное сечение рупора увеличивается на оди­наковую процентную величину через каждую единицу его осевой дли­ны. Это приращение определяет нижнюю граничную частоту рупора.

На рис. 2.67 представлена зависимость процентного приращения по­перечного сечения на 1 см осевой длины от нижней граничной частоты. Так, например, чтобы получить нижнюю граничную частоту 60 Гц, пло­щадь поперечного сечения рупора надо увеличивать на 2% через каж­дый сантиметр его осевой длины. Эту зависимость можно представить и в виде формулы

где К - приращение площади поперечного сечения, %.

Для приращений К, меньших 20%, и, следовательно, для гранич­ных частот, меньших 500 Гц, формула может быть представлена в сле­дующем виде:

В рупоре круглого или квадратного сечения диаметр круга или сторона квадрата должны увеличиваться на каждый сантиметр длины рупора на (К%)^1/2. В рупоре прямоугольного сечения с постоянной вы­сотой ширина сечения должна увеличиваться на К % на каждый сан­тиметр длины рупора.

Для хорошего воспроизведения низких частот нужно также обес­печивать достаточные размеры выходного отверстия рупора — устья. Его диаметр должен быть не менее λ_гр/π. Следовательно, для нижней граничной частоты 100 Гц, для которой длина волны составляет 3,4 м, диаметр устья должен быть около 110 см. Для более низких граничных частот размеры устья рупора будут еще больше. В области низких ча­стот в полосе 25 < f < 100 Гц более эффективным является катеноидальный рупор.

Расчет рупора следует начинать, задавшись размерами устья по выбранной нижней граничной частоте, уменьшая сечение на К% на каждый сантиметр осевой длины до тех пор, пока не получим сечение, равное площади диффузора или диафрагмы звукового генератора. При этом в месте сопряжения сечения звукового генератора и рупора должны иметь одну форму. Если же форма сечения рупора отличает­ся от формы выходного отверстия звукового генератора, то сопряже­ние осуществляется с помощью промежуточной камеры. Интенсив­ность акустического поля в камере зависит от места расположения источников звука. При расположении источника на стене камеры сред­няя интенсивность звука в два раза, а при установке в углу — в четыре раза выше, чем при установке его в центре.

Для повышения равномерности звукового поля в камере прямо­угольной формы рекомендуется брать следующие соотношения ли­нейных размеров:

Так как в подобных камерах звуковые нагрузки обычно имеют ши­рокополосные спектры частот с неравномерной спектральной плотно­стью, на стендах необходимо создавать согласованное (программное) управление генераторами, формирующими спектр звуковых давлений. Это осуществляется при помощи многоканальной управляющей сис­темы (рис. 2.68).

Исходный сигнал звукового давления задается генератором белого шума 8, имеющего полосу частот 20 Гц — 20 кГц. Из этой широкой полосы при помощи фильтров устройства 9 выделяют ряд более узких полос, чаще всего 1/3-октавных. В каждой из полос уровень сигнала может регулироваться в пределах 40 — 60 дБ. Просуммированный на выходе фильтров формируемый сигнал поступает в параллельно включенные усилители мощности генераторов звука — сирен 3, 4, 5, создающих акустическое поле в боксе камеры 6.

В каждом генераторе шума предусмотрен независимый канал уп­равления сжатия воздухом, включающий обычные для воздухораспре­делительных систем устройства: электрозадвижку, дроссель, регуля­тор давления, воздушный фильтр, ресивер.

В качестве датчиков обратной связи в системе регулирования ис­пользуют микрофоны 13, устанавливаемые в контрольных точках бок­са. Для ввода в систему регулирования сигналы, поступающие от микрофонов, усиливаются и усредняются и, пройдя коммутатор 16, поступают в полосовой анализатор спектра 15, аналогичный по соста­ву анализатору устройства 9. Пройдя среднеквадратичный детектор 17, уровни сигнала в полосах с помощью мини-ЭВМ сравниваются с заданными уровнями, в результате чего вырабатывается сигнал кор­ректировки, поступающий на усилители задающих фильтров устрой­ства 9, благодаря чему автоматически поддерживается уровень звуко­вого давления в камере.

Достаточно хорошее приближение к заданным характеристикам акустического нагружения можно получить при использовании десяти микрофонов. Одно из основных достоинств такой автоматической си­стемы регулирования — быстрота настройки на требуемый режим ис­пытания объекта.

Обычно при таких испытаниях требуется измерять звуковое давле­ние, деформацию и вибрацию. Для этого в комплексе технологическо­го оборудования предусматривается система сбора, измерения и обра­ботки получаемых данных. Эта система должна контролировать сред­неквадратичные значения измеряемых величин в ходе эксперимента, регистрировать процессы на магнитной ленте и затем обрабатывать их на анализаторах.

Каналы бегущей волны (рис. 2.69) используются для испытаний элементов обшивки ЛА на акустическую выносливость в ближнем аку­стическом поле (граница зоны смешивания турбулентной струи) с на­правлением фронта распространения звуковых волн по касательной к поверхности обшивки.

Установка представляет собой туннельный канал (волновод) 4 с сечением прямоугольной формы. Размеры поперечного сечения кана­ла выбирают в зависимости от габаритных размеров испытуемых пане­лей, отношение ширины канала к высоте должно быть не менее 1:5. Испытуемую панель 6 устанавливают в рабочую часть блока 5 уста­новки заподлицо с внутренней поверхностью стенки канала.

Корпус волновода 4 установки выполняют железобетонным или полностью металлическим, сварной конструкции. Коэффициент зву­копоглощения стен волновода должен быть не выше 1,6%. Звуковые колебания в канале возбуждаются при помощи генераторов-сирен 2, устанавливаемых в головной части установки. Одно из главных требо­ваний воспроизведения бегущих волн — отсутствие отражения звука от стен канала и его торца. Для выполнения этого требования в кон­цевой части канала устанавливают звукопоглощающие клинья 7, кото­рые в некоторых случаях увеличивают длину установки до 10—15 м. Системы электрического и пневматического питания генераторов, уп­равления и измерительная примерно такие же, как и в реверберационных камерах. Уровень акустической мощности до 170 дБ.

Комбинированные установки сочетают преимущества реверберационной камеры и установок с бегущей звуковой волной. Они содержат систему акустических генераторов с рупорами, переходящими в сек­цию бегущей волны, обычно прямоугольного поперечного сечения, для испытания панелей при достаточно высоких уровнях шума и сле­дующую за ней реверберационную камеру для испытаний на меньших уровнях звукового давления объемных отсеков ЛА.

При необходимости на стенках реверберационной камеры иногда ставят шумопоглощающие клинья, и тогда установка работает в режиме бегущей волны.

К недостаткам комбинированной установки можно отнести неблагоприятное влияние отраженных звуковых волн на характеристики по­ля в секции бегущих волн при относительно малых размерах оконеч­ной камеры.