14. Аэродинамический шум
14.1. Шум струи
Использование отработавших свой срок в авиатехнике турбореактивных двигателей в тепловых машин, предназначенных для очистки аэродромных покрытий от наледи и снежного наката, требует особого внимания конструкторов при акустическом расчете тепловых машин.
Истекающая из насадка различного профиля или сопла струя создает шум, причинами которого являются турбулентные пульсации в области смешения, колебания (флуктуации) плотности в струе и взаимодействие между этими флуктуациями и турбулентными пульсациями. Строение струи за соплом показано на рис 14.1.
Рис. 14.1. Строение струи за соплом: 1 – сопло; 2 – ядро струи;
3 – область смещения струи с окружающим воздухом; d – диаметр сопла; uc – скорость струи
Максимальный шум регистрируется в ядре струи. С увеличением расстояния от насадка или сопла звуковая мощность резко падает. Около 98 % ее создается на расстоянии R ≤ 10 d, где d – диаметр сопла. Шум струи имеет ярко выраженную направленность, которая иллюстрируется на рис. 14.2.
Рис. 14.2. Показатель направленности шума струи (ПН) в зависимости от угла φ
Звуковая мощность струи зависит от скорости ее истечения и определяется уравнением Лайтхилла1:
при uc ≥ 150 м/с
;
(14.1)
при uc < 150 м/с
,
(14.2)
где ρс и ρ0 – плотность газа в сопле перед истечением и в окружающей среде соответственно; uc – скорость истечения струи; d – диаметр сопла; с – скорость звука в окружающей среде.
Уровень звуковой мощности струи определяется по формуле
,
(14.3)
где L0 = - 52 дБ для холодных струй, L0 = - 44 дБ для горячих струй; S – площадь среза сопла. (Струя называется холодной, если ее температура близка к температуре окружающей среды (воздуха), и горячей – если ее температура значительно выше.)
Анализируя формулы (14.1) и (14.2), следует обратить внимание на то, что звуковая мощность струи в значительной степени определяется скоростью ее истечения. Лайтхиллу принадлежит открытие закономерности образования шума струй с числом М > 0,5 (М – число Маха, М = uc/с), согласно которой шум пропорционален восьмой степени скорости струи.
Октавные уровни звуковой мощности струи вычисляются по формуле
.
(14.4)
Здесь ∆L – разность общего и октавного уровней звуковой мощности шума, которая определяется по графику, приведенному на рис. 14.3.
По абсциссе графика отложено значение безразмерного параметра – числа Струхаля:
,
(14.5)
где f – частота октавной полосы (63, 125, …, 8000 Гц); d – диаметр выхлопного сопла; uc – скорость истечения газа из сопла.
Рис. 14.3. Зависимость относительного спектра звуковой мощности струи (для М > 0,5) от числа Струхаля
Меры по снижению шума струи разработаны и могут быть условно разбиты на две группы: 1) внутренние конструктивные меры; 2) установка на пути струи глушителей и других устройств.
Первый способ широко используется в турбореактивных авиационных двухконтурных двигателях, где скорость истечения струи относительно окружающей среды и, следовательно, ее шум снижаются за счет создания спутного потока и, таким образом, истечение газового потока в движущуюся среду. В двухконтурных двигателях функцию спутного потока выполняет струя, идущая от вентилятора. Чем выше степень двухконтурности такого двигателя (отношение расхода воздуха через внешний контур двигателя (G1) к расходу через внутренний контур (G2), т.е. m = G1/ G2), тем меньше шум струи. В современных пассажирских самолетах степень двухконтурности достигает значений m = 5-6, что обеспечивает снижение УЗ на 15-20 дБА.
Глушители шума струи различны по исполнению и эффективности. Они выбираются в зависимости от требуемой степени шумоглушения и допустимого снижения скорости струи.