Аэродинамические источники шума

растают уровни низкочастотных составляющих шума. В то же вре­ мя с увеличением частоты наряду с действием эффекта конвекции все в большей степени проявляется эффект отклонения звуковых лучей от оси полем средних скоростей. Поэтому по мере уменьше­ ния 0 доля высокочастотных составляющих в спектре шума струи уменьшается, а доля низкочастотных составляющих соответственно возрастает. Кроме того, при таком изменении спектрального сос­ тава происходит все более отчетливое выделение* максимума в спектрах шума. Наиболее заметное изменение спектров шума на­ блюдается при небольших значениях угла 0 = 15 45°

При малых дозвуковых скоростях истечения спектры шума при различных углах 0 отличаются менее значительно вследствие того; что действие эффектов конвекции и рефракции ослабевает. Спектры шума становятся более «гладкими», максимум выражен менее от­ четливо. Однако характер изменения спектров шума остается преж­ ним: с уменьшением 0 возрастает доля низкочастотных составляю­ щих шума.

При угле 0>ЗО° по мере увеличения скорости истечения в спект­ рах шума возрастает доля высокочастотных составляющих Для угла 0 = 90° изменение спектрального состава шума приблизительно соответствует условию постоянства числа Sh =fD/Uc. Так, если за­ висимость уровней шума от частоты представить в виде функции Sh, то спектры шума при 0=90° практически не отличаются для различных скоростей истечения (рис. 2.40), т. е. с увеличением ско­ рости уровни шума почти равномерно возрастают во всем диапа­ зоне изменения числа Sh. Это происходит вследствие того, что эф­ фекты конвекции и рефракции при 0=90° фактически не проявля­ ются. В области небольших значений угла 0, например 0=15°, с увеличением скорости наблюдается смещение максимума в спект­ рах шума в сторону более низких значений числа Sh. При этом частота максимального шума остается практически постоянной и, например, для случая истечения из сопла D = 30 мм равна ~2000 Гц, соответствуя значению fD/c0^ 0,2. Наблюдаемое сме­ щение максимального уровня шума в сторону меньших значений

L-20lgD/r; ОБ

числа Sh обусловлено совместным действием эффектов рефракции

щий вид: по мере уменьшения б наблюдается постоянное увеличе­ ние уровней низкочастотных составляющих шума; уровни высоко­ частотных составляющих шума с уменьшением величины угла до некоторого 0opt возрастают, а затем при дальнейшем уменьшении 0 снижаются вследствие действия эффекта рефракции звука; угол, при котором начинается падение уровней высокочастотных состав­ ляющих шума, приблизительно соответствует соотношению 0Opt = = arccos [1/(1 + Мк)], где величина Мк определяется согласно рис.

2. 22.

При изменении диаметра сопла спектры шума преобразуются в соответствии с условием постоянства числа Sh, т. е. частоты об­ ратно пропорциональны диаметру. Поэтому при определенной вели­ чине скорости истечения и угла наблюдения 0 спектры шума струй различного диаметра, представленные в виде зависимости разности уровня звукового давления в третьоктавной полосе частот Li и сум­ марного уровня шума L от числа Sh, практически совпадают меж­ ду собой и могут быть представлены в виде одной обобщенной кри­ вой AL=L{—L = cp(Sh). В результате обработки данных много­ численных измерений получены обобщенные спектры шума струи в

же частота максимального шума растет не прямо пропорциональ­ но скорости, а несколько медленнее. Поэтому с увеличением ско­ рости истечения наблюдается тенденция некоторого снижения со­ ответствующего числа Sh. Спектры акустической мощности струи

ответствующего частоте максимального уровня акустической мощ­ ности, с увеличением М от 0,3 до 1,0 несколько уменьшается от -Sh = 0,6 ... 0,8 до Sh = 0,3 ... 0,5. Однако общий вид спектра аку­ стической мощности изменяется незначительно, и его можно пред­ ставить в виде одной обобщенной кривой.

Практически в аналогичном виде представляются и спектраль­ ные характеристики шума модельных неизотермических струй и ■струй турбореактивных двигателей, если обобщенные зависимости представить в виде функции числа Sh = fDc/Ucc0, где с — скорость звука в струе на срезе сопла. Спектр акустической мощности сверх­ звуковой струи на расчетном режиме истечения в диапазоне 1,0< <М <1,5 также подобен спектру акустической мощности околозву­ ковой струи.

Рассчитанный в подразд. 2.4.2 спектр акустической мощности дозвуковой струи (см. рис. 2.32) практически совпадает с опреде­ ленными экспериментально спектрами акустической мощности (см. рис. 2.42). В результате расчета также установлено, что с увеличе­ нием расстояния от плоскости среза сопла спектр акустической мощности участка струи обогащается низкочастотными составляю­ щимиОднако в экспериментальном плане задача выделения шума участков струи является чрезвычайно сложной, поскольку явление турбулентного перемешивания струи с окружающей средой пред­ ставляет собой естественный физический процесс, нарушение кото­ рого путем, Например, механического выделения некоторого объема струи приводит к нежелательным акустическим последствиям.

Так, в принципе выделить шум какого-либо участка струи, при­ мыкающего К срезу сопла, возможно посредством заключения, на­

чиная с некоторого расстояния, части струи в цилиндрический тру­ бопровод. Одна/ко при этом возникает дополнительный шум от вза­ имодействия турбулентного потока с Ёнутренними поверхностями^ трубопровода и, кроме того, изменяется шум выделяемого участка струи, т. е. участка, расположенного между срезом выхлопногосопла и начальным сечением трубопровода, вследствие появления1 спутного потока эжектируемого в трубопровод воздуха.

Более корректным с методической точки зрения является метод, выделения шума участка посредством экранирования части струи,, т. е. путем помещения акустического экрана вне зоны смешения параллельно оси струи на незначительном расстоянии от нее. По­ лученное в результате таких измерений распределение акустичес­ кой мощности вдоль струи имеет такой же характер, как и рас­ считанное распределение (рис. 2.32). Следует иметь в виду, одна­ ко, что в этом случае возможно некоторое изменение структуры: турбулентного потока в зоне смешения из-за наличия вблизи гра­ ницы струи экранирующей поверхности.

Результаты расчета шума участков струи подтверждаются так­ же данными экспериментальных исследований распределения вдоль струи интенсивности акустического излучения посредством измере­ ний корреляции между пульсациями скорости в зоне смешения и пульсациями давления в дальнем звуковом поле. На аналогичнуюзакономерность распределения источников шума в струе указыва­ ют также исследования с использованием отражающей звуковые' лучи вогнутой параболической поверхности, в фокусе которой раз­ мещен приемник звука.

2.5.4. Ближнее акустическое поле

Вблизи границы зоны смешения турбулентной струи пульсациидавления не совпадают по фазе с пульсациями скорости, поскольку

вэтой области не выполняются характерные для дальнего поля соотношения, согласно которым расстояние от источника до при­ емника звука должно быть велико по сравнению с размером источ­ ника и по сравнению с длиной звуковой волны. Наряду с акусти­ ческими пульсациями давления в непосредственной близости к гра­ нице струи могут существовать также гидродинамические пульса­ ции. Затухание таких пульсаций давления происходит значительно' быстрее, чем акустических пульсаций, и на некотором расстоянии от границы струи они уже практически не влияют на величину об­ щих пульсаций давления.

Перенос пульсаций давления вблизи границы струи обусловлен’

восновном конвекцией источников звука в зоне смешения, а непроцессом распространения звуковых колебаний в среде. В резуль­ тате экспериментальных исследований было установлено, что вбли­ зи границы струи скорость переноса пульсаций давления практи­ чески совпадает со скоростью конвекции турбулентных вихрей в; зоне максимальной интенсивности; с увеличением расстояния от границы струи конвекция пульсаций давления все в большей сте­

пени определяется условиями распространения звука в окружаю­ щей среде.

Втеоретическом плане задача определения характеристик ближнего акустического поля является весьма сложной и в настоя­ щее время еще окончательно нерешенной. Для ее решения необхо­ дима детальная информация о структуре турбулентного потока, сложность получения которой намного выше по сравнению со слу­ чаем дальнего звукового поля. Поэтому применительно к практиче­ ским задачам, например, определения акустических нагрузок на конструкции самолетов расчет ближнего поля турбулентной струи •производится по методике, основанной на обобщении данных экс­ периментальных исследований.

Неоднородное волновое уравнение (2.3), описывающее поле давлений, создаваемых турбулентным потоком, получено из точных уравнений гидродинамики и в общем случае применимо для рас­ чета характеристик как дальнего, так и ближнего полей. Однако при расчете ближнего поля нельзя пользоваться теми упрощающи­ ми допущениями, которые были введены при анализе дальнего звукового поля. Так, в выражении (2.37) для случая больших рас­ стояний от источника во внимание принимались только первые слагаемые, содержащие г-1, а слагаемые, пропорциональные г~2 и г~3, не учитывались. Оценим относительный вклад этих слагаемых

вуровень акустического давления на различных расстояниях на­ блюдателя от источника звука.

Впредположении, что величина Пг;- в выражении (2.39), пред­ ставляющем решение неоднородного волнового уравнения, являет­ ся гармонической функцией, имеем

Тогда выражение ((2.39) записывается в следующем виде:

(Xj — y j ) ( X j — y j )

гз

Отсюда видно, что с изменением расстояния от источника звука изменение уровня звукового давления L будет отличаться от зави­ симости, справедливой для дальнего звукового поля, на величину

Результаты расчета по этой формуле показывают, что законо­ мерность, характерная для дальнего звукового поля, несправедли­ ва на расстоянии, меньшем длины звуковой волны (рис. 2.43). Так, например, для точки, расположенной на расстоянии больше 0,34 м от источника, уровень шума для частот />1000 Гц можно опреде­ лить в соответствии с законами дальнего звукового поля. Однако для частот /<100 Гц методы оценки, справедливые для дальнего звукового поля, оказываются непригодными на расстояниях мень­ ше 3,4 м.

смешения, которые позволяют выявить общую тенденцию измене­ ния акустических характеристик вдоль струи и провести качествен­ ное сопоставление результатов измерений и расчета распределе­ ния интенсивности акустического излучения в струе. При переме­ щении микрофона от плоскости среза сопла вдоль границы зоны смешения (под углом 10° к оси) уровни суммарного шума снача­ ла до хж ) несколько возрастают, затем в пределах начального' участка остаются практически постоянными и уменьшаются в ос­ новном участке. Подобный характер имеет и полученное в резуль­

где Sh=fmaxD/Uc.

Если эту зависимость представить в виде функции Shx=fxfUCi. то получим, что в начальном и переходном участках величина Shx приблизительно постоянна, а затем с увеличением х несколько уменьшается. Спектры шума вблизи границы дозвуковой струи, представленные в виде AL*= cp(Shr)-, где Shx= fx/Uc, практи­ чески совпадают между собой в пределах начального участка струи* (рис. 2.45).

Отметим, что изменение спектров шума вдоль границы струиПодобно изменению спектров турбулентности в зоне наиболее ин­ тенсивного излучения звука, т. е. на линии у~0,5£) (см. рис. 2.14).. Так, по мере удаления от среза сопла частота максимума в спект­ рах турбулентности перемещается в сторону низких частот в со­ ответствии с соотношением fmaxXfUc = 1,35, незначительно отличаю­ щимся от выражения (2.109). Подобие спектров турбулентности иг

Щ 0,05 0,1 0,1 0,5 10 Sh

шума вблизи границы струи указывает на тот факт, что пульсации скорости в каждом поперечном сечении струи с наибольшей ин­ тенсивностью генерируют звук вполне определенной частоты.

При перемещении микрофона вдоль границы струи изменение спектра шума аналогично изменению спектра акустической мощно­ сти, полученному ранее расчетным путем: при удалении от плоско­ сти среза сопла наблюдается смещение спектров в сторону низких ■частот. Отметим, однако, что перемещаемый вдоль зоны смешения микрофон воспринимает шум, как от объемов струи, расположен­ ных выше по потоку от места расположения микрофона, так и от объемов, находящихся вниз по потоку. Поэтому на основании ре­ зультатов измерений шума вдоль границы зоны смешения можно лишь судить об общей тенденции распределения источников шума ® струе.

Проведем сравнение рассчитанных спектров акустической мощ­ ности участков струи и данных измерений шума вблизи границы зоны смешения следующим образом. В пределах начального участ­ ка струи рассчитанные спектры акустической мощности участков

шума вблизи границы струи. Сравнение результатов расчета и экс­ перимента проводится так, что спектр шума, воспринимаемый мик­ рофоном на расстоянии х от среза сопла, сопоставляется со спект­ ром акустической мощности объема протяженностью D, среднее се­ чение которого находится также на расстоянии х от среза сопла. Несмотря на то, что сравнение имеет только качественный харак­ тер, приведенные спектры находятся во вполне удовлетворительном соответствии.

Типичное распределение уровней пульсаций давления в ближ­ нем поле выхлопной струи турбореактивного двигателя показано яа рис. 2.46. Максимальные значения пульсаций давления наблю-

даются вблизи границы струи на расстоянии до 5 калибров среза сопла вниз по потоку. Направление наиболее интенсивного излуче­ ния звука составляет 30 ... 45° с направлением истечения струи..

В непосредственной близости к границе зоны смешения в-, спектрах шума отчетливо выражен максимум, а по мере перемеще­ ния вниз по потоку, как уже отмечалось, происходит его смещение

всторону низких частот. Однако, начиная со сравнительно неболь­ шого расстояния от границы струи (^1 калибр среза сопла), спект­ ры шума становятся все более пологими, а положение максимума

вменьшей степени зависит от координат рассматриваемой точки. Причем зависимостью спектров шума от поперечной координаты у практически можно пренебречь.

2.5.5. Влияние начальных условий истечения на шум струи

Рассмотренные в предыдущих разделах характеристики шума относятся в основном к струям, имеющим минимальные возмуще­ ния на срезе сопла. Для создания таких условий истечения прихо­ дится применять различные методы снижения начальных возмуще­ ний путем установки в подводящих каналах детурбулизирующих устройств и глушителей шума. В то же время установлено, что су­ щественное влияние на характеристики шума выхлопных струй ока­ зывают начальные условия течения, приводящие к изменению структуры турбулентного потока в зоне смешения и изменению эф­ фективности акустического излучения [2, 17, 59]. В модельных усло­ виях увеличения начальной турбулентности можно добиться путем; дополнительной турбулизации потока в подводящих каналах по-

истечения в шестой степени. Если при оценке акустической мощности струи исходить из формулы (2.91),

то величина экспериментально определенного коэффициента про­ порциональности ко в этом случае составляет 0,8• 10~5. С увеличе­ нием скорости истечения разность уровней шума струи с турбулизирующим устройством и без него постепенно уменьшается. При околозвуковых скоростях истечения акустическая мощность ■струи подчиняется «закону восьмой степени». Уменьшение разно­ сти уровней шума струи с турбулизатором и без него при увели­ чении скорости истечения обусловлено снижением влияния на­ чальных условий течения потока на характеристики турбулентно­ сти в зоне смешения.

Оценку влияния степени начальной турбулентности потока на шум струи можно провести исходя из выражения для акустической мощности элементарного объема струи (2.86) с учетом соответст­ вующих изменений турбулентных и осредненных характеристик по­ тока в зоне смешения. Так, экспериментальным путем было уста­ новлено, что увеличение степени начальной турбулентности потока приводит к возрастанию интенсивности пульсаций скорости в зоне -смешения, уменьшению длины начального участка струи и более резкому падению скорости на оси при удалении от плоскости среза". Результаты оценки, основанной только на учете изменений этих характеристик потока, показывают, что увеличение максимальной интенсивности турбулентности в начальном участке струи от 15% до 20% вызывает увеличение уровня суммарной акустической мощ­ ности струи приблизительно на 5 дБ, что соответствует экспери­ ментальным данным.

Изменение начальных условий течения может также осущест­ вляться в результате интенсивного акустического облучения-. Уров­ ни воздействующего звука при этом должны существенно превы­ шать уровни шума невозбужденной струи. В этом случае также происходит изменение структуры турбулентности в зоне смешения

и, следовательно, интенсивности широкополосного шума струи. При низкочастотном звуковом облучении процесс турбулентного пере­ мешивания струи с окружающей средой интенсифицируется и соот­ ветственно возрастает эффективность излучения звука. И наобо­ рот, при высокочастотном облучении может произойти ослаблениепроцесса турбулентного перемешивания и уменьшение интенсивно­ сти акустического излучения [10].

Подчеркнем, что точная оценка влияния начальных условий мо­ жет быть проведена с помощью изложенного в разд. 2.4 метода расчета шума струи, если будут известны характеристики турбу­ лентного потока в зоне смешения струи. В случае «чистой» струирешение задачи на основе этого метода оказалось возможным, по­ скольку были получены обобщенные зависимости, описывающиераспределение в зоне смешения различных турбулентных характе­ ристик. Для точной оценки влияния начальных условий потока на шум струи также необходимы соответствующие обобщенные зави­ симости для характеристик турбулентности.

Различным характером условий течения потока перед срезом* выхлопного сопла объясняется несоответствие уровней акустичес­ кой мощности модельных струй и струй турбореактивных двигате­ лей. Так, приведенные на рис. 2.47 данные соответствуют резуль­ татам измерений максимальных уровней шума струй при наличии: и в отсутствии препятствий в канале [59]. По мере приближения условий течения в канале к условиям течения в реальных двигате­ лях происходит наиболее отчетливо проявляющееся в области ма­ лых чисел М увеличение уровней шума выхлопа. При увеличении скорости истечения разность уровней шума струи с препятствиями в канале и без них постепенно исчезает. Если при малых числахМ акустическая мощность приблизительно пропорциональна скорости: истечения в шестой степени, то в области околозвуковых скоростей зависимость акустической мощности от скорости истечения пере­ ходит в «закон восьмой степени», а шум выхлопа определяется в. основном процессом смешения струи с окружающей средой.

Итак, при оценке шума выхлопа двигателя на пониженных ре­ жимах работы необходимо иметь в виду, что уменьшение акусти­ ческой мощности струи с уменьшением скорости истечения проис­ ходит менее интенсивно, чем это следует из «закона восьмой сте­ пени». Кроме того, наличие различного рода конструктивных эле­ ментов в канале двигателя вызывает дополнительное увеличение интенсивности выхлопного шума. Проблема определения влияния начальных условий течения приобретает в последнее время все больший интерес в связи с необходимостью разработки эффектив­ ных способов снижения шума выхлопных струй.

2.5.6. Характеристики шума струи при нерасчетных режимах истечения

Рассмотренные ранее характеристики шума соответствовали1 струям на расчетных режимах истечения, т. е. дозвуковым струям,, истекающим из конических сопел при перепадах давлений меньше