3.2. Акустические процессы при старте

Сверхзвуковая струя является мощным источником акустической энергии, излучаемой турбулентным слоем смешений высокоскоростных частиц струй с воздухом. От пульсаций давления и вихрей в слое смешения излучаемая мощность составляет примерно мощности струи. Однако зависимость акустической отдачи от скорости весьма сложная. Так, для высокоскоростных струй при она может достигать . При дальнейшем увеличении скорости от до коэффициент акустической отдачи падает до .

Помимо этого процесса, достаточно известного и освещенного в зарубежной и отечественной литературе, при взаимодействии струй с элементами пускового устройства возникают акустические процессы нового вида, которые можно отнести условно к типу эффектов Пауэлла или Гартмана, так как они связаны с колебаниями газа в полостях в результате воздействия обратной акустической или газодинамической связи, то есть с возникновением автоколебаний и, иногда, с потерей устойчивости струи.

Возникают и другие источники акустических излучений. Излучение от эффекта взаимодействия сверхзвуковых струй с преградами сильнее, чем от простого отражения акустических волн.

Таким образом, при пуске ракеты окружающее ее пространство является акустическим полем, колебания газа в котором воздействуют на ракету и агрегаты пускового устройства, вызывая вибрации их элементов и подвергая тем самым опасности их работоспособность. Этому способствует как широкий спектр пульсаций давления, так и широкий спектр собственных частот элементов и агрегатов конструкций, вследствие чего всегда возможны резонансы. Спектр акустического поля струи имеет диапазон . Уровень акустической мощности на отдельных частотах в шахтной пусковой установке при автоколебаниях может достигать . Акустические нагрузки при старте, как правило, превосходят акустические и пульсационные нагрузки в полете и достигают на днище ракеты.

3.2.1. Общие понятия и закономерности акустических процессов

Звуковая волна – распространение возмущения в среде со скоростью звука:

, , , ,

где – газовая постоянная; – температура.

Если , то ; если , то .

Звуковые колебания – движение частиц под действием возмущения.

Фронт волны – поверхность, соединяющая точки с одинаковой фазой колебаний.

Звуковой луч – направление звуковых колебаний.

Интенсивность звука – мощность или энергия в единицу времени, проходящая через единицу поверхности.

Для периодических процессов

,

где и – мгновенные значения давления и скорости частиц соответственно.

Для синусоидальных колебаний

,

где , – амплитудные значения давления и скорости, – сдвиг по фазе между и .

Связь между и

Если задана скорость колебаний v, то вызываемое этим колебанием давление будет определяться упругими характеристиками среды – акустическим сопротивлением . При этом

.

Рассмотрим (рис.3.4) баланс массы для элементарной трубки с площадью , длиной , по которой движется звуковое возмущение со скоростью .

Рис.3.4. Элементарная трубка, в которой идет звуковое возмущение

Количество массы, вошедшей в этот объем, будет . Тогда повышение плотности в этом объеме будет и . Отсюда и . Так как , то .

Тогда мгновенное значение мощности на единицу площади будет

,

где – для нормальных условий атмосферы на уровне моря; – для , .