"Разработка и создание акустической заглушенной камеры для измерения, контроля и диагностики аэроакустических процессов и явлений" Пальчиковский Вадим Вадимович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Основные направления исследований при разработке заглушенной камеры 12

1.1 Применение заглушенных камер в аэроакустических исследованиях 12

1.2 Особенности конструкций заглушенных камер и требования к ним 18

1.3 Параметры, определяющие качество звукопоглощающего покрытия заглушенной камеры 30

Выводы к Главе 1 38

Глава 2 Параметрические исследования конструкции звукопоглощающего покрытия заглушенной камеры 40

2.1 Разработка конструкции звукопоглощающего покрытия заглушенной камеры 40

2.2 Разработка крупномасштабного низкочастотного интерферометра с нормальным падением волн 44

2.3 Параметрическое исследование звукопоглощающего покрытия заглушенной камеры в интерферометре с нормальным падением волн 48

2.4 Сравнительные испытания звукопоглощающих характеристик акустических клиньев различного типа в реверберационных камерах 56

2.5 Оценка влияния акустического пограничного слоя на величину звукопоглощения 67

Выводы к Главе 2 83

Глава 3 Исследования по выбору параметров заглушенной камеры для измерения, контроля и диагностики аэроакустических процессов и явлений 85

3.1 Разработка конструкции заглушенной камеры. Создание инструмента для исследования шума аэродинамических источников в заглушенном и полузаглушенном (имитация открытого стенда) пространстве 85

3.2 Метрологические исследования заглушенной камеры по определению ее частотных характеристик и размеров зоны свободного поля 90

3.3 Исследования по выбору параметров системы подачи-отвода воздушной струи заглушенной камеры 100

3.3.1 Конструкция системы подачи-отвода воздушной струи 100

3.3.2 Методика численного моделирования истечения затопленной струи в заглушенную камеру 102

3.3.3 Оценка влияния положения выхлопного коллектора на воздушную струю. Численная оценка возвратных потоков вблизи стенок заглушенной камеры 108

3.4 Исследование возможности проведения измерений в заглушенной камере шума турбулентной воздушной струи. Масштабирования шума турбулентной струи при изменении скорости 111

Выводы к Главе 3 115

Глава 4 Оценка функционирования заглушенной камеры в аэроакустических исследованиях 117

4.1 Исследование возможности измерения шума вихревых колец в заглушенной камере. Сравнение шума вихревых колец с акустическим фоном в камере 117

4.2 Исследование возможности локализации источников шума в заглушенной камере. Тестирование многомикрофонных методов измерений на эталонных источниках 122

Выводы к Главе 4 128

Заключение 130

Список литературы 132

Приложение 149

• Особенности конструкций заглушенных камер и требования к ним
• Сравнительные испытания звукопоглощающих характеристик акустических клиньев различного типа в реверберационных камерах
• Оценка влияния положения выхлопного коллектора на воздушную струю. Численная оценка возвратных потоков вблизи стенок заглушенной камеры
• Исследование возможности локализации источников шума в заглушенной камере. Тестирование многомикрофонных методов измерений на эталонных источниках

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Шум самолета на местности является ключевой проблемой достижения конкурентоспособности перспективных отечественных самолетов, поскольку требования по экологии являются вторыми по актуальности, уступая первое место только безопасности полетов. Международные нормы по шуму самолетов постоянно ужесточаются, так, в 2013 году ICAO (Международная организация гражданской авиации при ООН) приняла новые нормы, на 7 EPNLdB более жесткие, чем существующие, и этим нормам уже не соответствует ни один российский самолет. Поэтому, для удовлетворения новым и перспективным нормам по шуму необходимы прорывные решения, основанные на глубоких научных исследованиях, создании работоспособных методов и методик распознавания источников шума и их подавления. Данные задачи невозможно решать, без соответствующей лабораторной базы. Таким образом, разработка и создание заглушенной камеры для аэроакустических исследований источников шума современных и перспективных авиационных двигателей является актуальной.

Степень разработанности темы. В 50-60х годах прошлого века в институтах нашей страны активно начали создаваться заглушенные камеры для проведения различных исследований по физической акустике, что нашло отражение в работах авторов Велижаниной К.А., Домбровского Р.В., Калустьяна Р.Т. Ржевкина С.Н., Ривина А.Н. Также чуть позднее были созданы заглушенные камеры для аэроакустических исследований (например, в Центральном аэрогидродинамическом институте им. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ). Однако впоследствии создание таких камер в России прекратилось, в связи с чем был утрачен ряд компетенций, связанных с данным вопросом (например, прекратилось производство звукопоглощающих клиньев для больших заглушенных камер, не осталось работающих интерферометров по испытанию клиньев). В то же время, за рубежом подобные камеры продолжали и продолжают создаваться, в иностранных журналах публикуются статьи, посвященные этим задачам (работы авторов Ahuja K.K., Baumann W., Cattafesta L., Coughlin T., Glauser M.N., Hall A., Hubner J.P., Jansson D., Loeser T.D., Mathew J., Mueller D., Piccin O., Schrder E., Schulz H.-J., Sheplak M., Tinney C.E., Ukeiley L.S., Zitouni G.). Данные обстоятельства указывают на отставание России по ряду вопросов, связанных с реализацией аэроакустических исследований в лабораторных условиях. Поэтому восстановление на новом уровне отечественных компетенций в области создания заглушенных аэроакустических установок весьма важно.

Целью работы является разработка и создание заглушенной камеры для измерения, контроля и диагностики аэроакустических процессов и явлений, с возможностями реализации исследований задач авиационной акустики.

Основная задача диссертационной работы состояла в создании заглушенной акустической установки нового типа, имеющей существенное значение для развития аэроакустических исследований, направленных на

разработку технологий снижения шума отечественных авиадвигателей. Для ее решения были рассмотрены следующие научно-технические задачи:

1. Проведение параметрического исследования по выбору геометрических параметров и материалов для звукопоглощающих клиньев, используемых для облицовки заглушенных камер.

2. Разработка метода сравнительных испытаний звукопоглощающих характеристик акустических клиньев в реверберационных камерах.

3. Проведение исследований по выбору параметров заглушенной камеры для измерения, контроля и диагностики аэроакустических процессов и явлений применительно к задачам диагностики основных источников шума авиационного двигателя.

4. Проведение метрологических исследований разработанной заглушенной камеры по определению ее частотных характеристик и размеров зоны свободного поля.

5. Оценка качества функционирования заглушенной камеры при ее апробации в ряде аэроакустических экспериментов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

6. Впервые выполнено сравнение коэффициента звукопоглощения акустических клиньев в диффузном поле с коэффициентом звукопоглощения при нормальном падении звуковой волны и с теоретическим значением диффузного коэффициента звукопоглощения, связанным с эффектами вязкости и теплопроводности. Предложен метод сравнительных испытаний звукопоглощающих характеристик акустических клиньев в реверберационных камерах.

7. С использованием метода сравнительных испытаний звукопоглощающих характеристик акустических клиньев разработана конструкция звукопоглощающих клиньев для заглушенных камер, сочетающая новые конструкционные решения и современные материалы.

8. С применением найденных решений создана новая заглушенная камера, объединяющая возможности традиционных заглушенных камер для исследования шума турбулентных струй и следов, натурных элементов авиационного двигателя, а также уникальные возможности для исследований акустических свойств вихревых колец в интересах разработки сценариев перехода к турбулентности в локализованных вихревых структурах.

Практическая значимость. Предложенный метод сравнительных испытаний звукопоглощающих характеристик в реверберационных камерах может применяться при разработке звукопоглощающих покрытий новых заглушенных камер. Созданный интерферометр применяется для исследований новых звукопоглощающих конструкций. Разработанная заглушенная камера используется для проведения аэроакустических исследований, связанных с задачей диагностики основных источников шума авиационного двигателя. Создан уникальный комплекс для экспериментальных исследований акустических свойств вихревых колец.

Основные положения, выносимые на защиту:

9. Результаты экспериментальных исследований по сравнению величины звукопоглощения акустических клиньев для условий диффузного и нормально падающего звуковых полей. Демонстрация возможности сравнительных испытаний звукопоглощающих характеристик акустических клиньев в реверберационных камерах.

10. Результаты параметрического исследования по выбору геометрических параметров и материалов для звукопоглощающих клиньев, используемых для облицовки заглушенных камер. Научно-обоснованные характеристики новых материалов и конструкций, позволяющие создавать заглушенные акустические установки, имеющие существенное значение для развития важного для страны направления.

11. Результаты исследований по выбору параметров заглушенной камеры для измерения, контроля и диагностики аэроакустических процессов и явлений в задаче диагностики основных источников шума применительно к задаче создания нового тихого авиационного двигателя.

12. Результаты метрологических исследований разработанной заглушенной камеры по определению ее частотных характеристик и размеров зоны свободного поля. Результаты аэроакустических экспериментов в разработанной заглушенной камере, демонстрирующие качество её функционирования. Демонстрация работоспособности созданного уникального инструмента в решении задачи определения акустических свойств вихревых колец.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались стандартизированные методы определения характеристик звукопоглощающих материалов и заглушенной камеры, а также современные методы вычислительной газодинамики. Исследования проведены с использованием современного измерительного оборудования и программного обеспечения.

Степень достоверности. Достоверность проведённых экспериментов устанавливается путем сравнения полученных результатов с имеющимися данными по аналогичным экспериментам. Численное моделирование верифицируется по известным полуэмпирическим формулам.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на: 1-й и 2-й международных конференциях «Наука будущего» (г. Санкт-Петербург, 2014; г. Казань, 2016); международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного машиностроения» (г. Юрга, 2014); 4-й открытой всероссийской конференции по аэроакустике (г. Звенигород, 2015); 16-й и 17-й всероссийских научно-технических конференциях «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации» (г. Пермь, 2015; г. Пермь, 2016), 18-й международной конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR 2016) (г. Пермь, 2016), 3-й международной научно-технической конференции «Динамика и виброакустика машин» (DVM 2016) (г. Самара, 2016). Имеются акты использования результатов диссертации в научных работах и учебном процессе ПНИПУ, а также в расчетно-экспериментальных работах АО «ОДК-Авиадвигатель».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных статей в изданиях, определённых в перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК, из них 2 работы опубликованы в изданиях, индексируемых в базе данных Web of Science, 1 работа в базе данных Scopus.

Личный вклад соискателя. Диссертация написана по результатам исследований, выполнявшихся в ПНИПУ и ЦАГИ в период с 2014 по 2016 гг. в рамках гранта Правительства РФ по постановлению № 220 «О мерах по привлечению ведущих ученых в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования» по договору № 14.Z50.31.0032. Доля автора диссертации в представленных исследованиях составляет от 60% до 90%. Доля автора диссертации в статьях в соавторстве составляет от 25% до 75%.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 168 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 154 страницы, 85 рисунков, 47 формул и 3 таблицы.

Особенности конструкций заглушенных камер и требования к ним

Заглушенные камеры должны обеспечивать проведение экспериментов в условиях свободного звукового поля, когда звук от источника распространяется так же, как и в свободной атмосфере, не претерпевая отражения от стен камеры. Одним из первых требований для образования свободного звукового поля в заглушенной камере согласно ГОСТ 31273-2003 (ISO 3745:2003) [88] является обеспечение соответствующего объема камеры. Для проведения измерений в дальнем звуковом поле рекомендуется, чтобы объем камеры по меньшей мере в 200 раз превышал объем испытуемой машины.

В более раннем источнике [89] указаны еще более конкретные рекомендации, позволяющие определить минимально допустимые размеры заглушенной камеры в зависимости от максимального пространственного размера источника звука Lmax:

- ширина = 3,4Lmax + 2 м;

- длина = 3,74Lmax + 2,2 м;

- высота = 3,75Lmax + 2 м.

К этим величинам нужно прибавить толщину звукопоглощающих покрытий, которые будут установлены на каждой стене заглушенной камеры. Важно отметить, что приведенные выше рекомендации сформулированы для заглушенных камер, где источниками звука являются стационарно расположенные испытуемые машины. Тогда как проведение аэроакустических исследований требует размещения в заглушенной камере установок, создающих интенсивные воздушные течения, например, турбулентную струю, истекающую из сопла и уходящую в коллектор. Поскольку струя простирается на всю длину заглушенной камеры, то в направлении движения струи камера должна быть длиннее, чем это оговорено в [89]. Практика разработки заглушенных камер со струйными установками показывает, что часто отношение длины камеры к ее ширине или высоте равно примерно 2.

Согласно рекомендациям [90] размеры заглушенной камеры для исследования акустических характеристик турбулентных околозвуковых струй следует выбирать, используя следующие соотношения: длина камеры 100D; ширина камеры 55D; высота камеры 45D. Здесь D – диаметр сопла на срезе.

Если источник излучает звук осесимметрично, то достаточно проводить измерения шума только в одной плоскости, например, в горизонтальной. Это позволяет уменьшить ширину заглушенной камеры, для чего ось установки смещается в сторону одной из стен. Указанное решение можно наблюдать во многих случаях размещения различных экспериментальных установок в заглушенной камере (рис. 1): турбулентная струя [1, 17, 19, 26, 65, 76]; стенд испытания турбомашин [37, 91]; другие исследования [32, 92].

Если размеры камеры достаточны, то смещение струйной установки в угол позволяет выделить больше пространства под измерения шума в дальнем поле, поскольку для обеспечения хорошей записи шума струи на всех интересующих частотах микрофоны рекомендуется устанавливать на расстоянии 45-70 калибров (диаметров среза сопла) [93]. Предпочтительна более дальняя дистанция. Кроме того, микрофоны желательно располагать как можно дальше от вершин клиньев, из которых обычно состоит звукопоглощающее покрытие камеры, чтобы избежать воздействия отражений (согласно ГОСТ 31273-2003 [88] не ближе четверти длины волны на предельной нижней частоте).

Помимо турбулентной струи в заглушенной камере, могут размещаться и другие экспериментальные установки, поскольку круг аэроакустических задач довольно велик. Наиболее примечательной в этом плане является заглушенная камера NASA Glenn Research Center, называемая “Купол” (рис. 2) [40, 94]. В ней находятся: установка для аэродинамических исследований; установка для исследований шума струи; установка для исследования шума турбомашины. Форма купола исключила не используемое в измерениях для случаев прямоугольных форм пространство в верхних углах камеры и позволила сэкономить на ее звукопоглощающей облицовке.

В заглушенной камере National Aerospace Laboratory [39] на разных стенах располагается установка по исследованию активного управления шумом вентилятора и аэродинамическая труба, а в NASA Langley Research Center [92] в одной и той же заглушенной камере на разных стенах расположены: установка генерации струи; установка для исследования шума компрессоров и вентиляторов; входной-выходной коллектор. Таким образом, для удовлетворения перечисленных выше факторов, связанных с обеспечением работы различных установок и проведением качественных измерений шума в дальнем поле, размеры камеры должны быть весьма большими, что не всегда возможно реализовать исходя из экономических соображений (например, для университетов).

При создании акустических камер необходимо уделить должное внимание обеспечению их защищенности от внешнего шума и вибраций. В первую очередь нужно стараться размещать такие установки в удаленных от шума и вибраций местах (например, вне городской черты [95]). Часто по ряду причин это сделать невозможно и, тогда применяются некоторые конструктивные решения, указанные ниже.

Защита заглушенной камеры от внешнего шума достигается путем ее размещения внутри другого помещения (рис. 3). Стены внешнего помещения делаются толстыми и массивными, стены заглушенной камеры могут быть более легкими и тонкими, в качестве строительных материалов обычно применяется бетон, кирпич. Пространство между стенами внешнего помещения и заглушенной камеры может быть заполнено воздухом [96, 97] или специальным материалом [98].

Виброзащита заглушенной камеры реализуется путем установки стен на резиновые прокладки [99], амортизаторы [97] или отдельный фундамент [95]. В целом стараются обеспечить структурную независимость строительных конструкций заглушенной камеры от соседних помещений.

Следующим важнейшим вопросом является выбор звукопоглощающего покрытия, поскольку именно оно реализует отсутствие отражений звука от стен, потолка и пола камеры, что приближает проведение исследований в заглушенной камере к условиям свободного поля. Согласно ГОСТ 31273-2003 [88] звукопоглощающее покрытие при нормальном падении звуковой волны в случае измерений в плосковолновой импедансной трубе должно обеспечивать коэффициент звукопоглощения не менее 0,99 во всем диапазоне частот измерений

Удовлетворительным покрытием являются конструкции из звукопоглощающего материала в форме клиньев, закрепленные на внутренних поверхностях камеры острием внутрь камеры. Клинья устанавливают с небольшими воздушными промежутками за ними. Общая высота клина H и воздушного промежутка должна соответствовать условию

При размещении клиньев на стенах заглушенной камеры стараются избегать образования больших взаимосвязанных поверхностей, влияние которых обнаруживается при наклонном падении звука. Наиболее популярной является схема, называемая шахматной, когда клинья расположены так, чтобы их верхние кромки были повернуты друг относительно друга на 90 градусов (рис. 4а). Для экономии финансовых средств клинья часто изготавливают в меньшем количестве, делая их более длинными (высота клиньев остается неизменной, чтобы не нарушать условия (2)), после чего клинья объединяют в блоки обычно от 2 до 5 штук (рис. 4б). На стенах камеры блоки размещают в шахматном порядке, однако общая поверхность звукопоглощения в этом случае становится меньше, что отражается в сокращении зоны свободного поля в камере.

Звукопоглощающее покрытие должно быть равномерно распределено по поверхностям. В заглушенной камере со звукопоглощающим полом применяют одинаковое покрытие как для стен и потолка, так и для пола [88].

Также во избежание нежелательных отражений звука необходимо предусмотреть закрытие звукопоглощающим покрытием поверхностей труб, креплений, решеток, кабелей, различных опор, измерительной аппаратуры.

Одним из вопросов, который необходимо проработать при создании заглушенной камеры является определение способа крепления звукопоглощающего покрытия к поверхностям камеры. В работе [93] приведен следующий вариант. Полиуретановые клинья крепятся к фанерной панели (рис. 5а) путем нанесения на их основание адгезионного состава. В середине каждой панели имеется анкерный болт, через который панель крепится к стенке камеры на одну шайбу и гайку. По углам щита имеются короткие опоры 3 дюйма длиной. Затяжка гайки жестко фиксирует панель на стене. Также данный вариант крепления позволяет легко снимать панель при необходимости.

Более популярным является вариант создания на некотором расстоянии от жесткой стенки (для обеспечения нужного воздушного зазора) направляющих [37], в которые затем вставляется клин или блок клиньев (рис. 5б). В этом случае для надежной посадки основание клина рекомендуется сделать повыше (20 см и более). Для закрепления блоков в направляющих в основание клиньев могут вставляться пластины, штыри [95].

Сравнительные испытания звукопоглощающих характеристик акустических клиньев различного типа в реверберационных камерах

Проведенные в интерферометре испытания позволили установить звукопоглощающие характеристики клиньев в ограниченном диапазоне низких частот, тогда как интересующий частотный диапазон планируемых к проведению в заглушенной камере аэроакустических исследований существенно шире. Исследование акустических характеристик крупных образцов звукопоглощающих покрытий в более широком частотном диапазоне можно провести в реверберационной камере. Однако в отличие от интерферометра в реверберационной камере реализуются условия диффузного поля. Как следствие, получающиеся при этом значения звукопоглощения могут значительно отличаться друг от друга. Стоит отметить, что надежной методики пересчета одной величины в другую не существует, несмотря на наличие ряда работ в этом направлении [132-135]. Тем не менее, исследования по сравнению коэффициентов звукопоглощения при нормальном падении и в условиях диффузного поля [133-136] демонстрируют согласованность результатов измерений: материалы с меньшим звукопоглощением при нормальном падении в целом имеют меньшее звукопоглощение в диффузном поле, и наоборот.

Звукопоглощение акустических клиньев измерялось с помощью испытаний в реверберационных камерах АК-3 и АК-11 ЦАГИ в соответствии со стандартом ISO 354:2006 [137] для дискретных звукопоглотителей, а применение одинакового метода измерения для всех исследованных клиньев обеспечивает корректность относительной оценки сравниваемых величин. Сравнивались клинья БСТВ30 и АК-2. Также дополнительно исследовались клинья из минерального тонкого волокна (МТВ) со связующим в виде органических (водных растворов фенолформальдегидных) смол и с толщиной волокна в пределах 5-9 мкм. Их основным достоинством по сравнению с клиньями из БСТВ является сравнительная легкость изготовления, а недостатком – высокая хрупкость, особенно в области верхней кромки. Таким образом, в случае демонстрации существенно более высоких звукопоглощающих свойств, для дальнейшей облицовки заглушенной камеры ПНИПУ можно было бы выбрать клинья МТВ. В качестве базисной точки для сравнения звукопоглощения различных облицовок использовались клинья, установленные в действующей заглушенной установке АК-2 ЦАГИ, которая обеспечивает условия свободного поля для частот выше 200 Гц.

В соответствии с методикой, описанной в ISO 354:2006 [137], сначала проводится измерение времени реверберации (т.е. время затухания уровня звука на 60 дБ в соответствующей третьоктавной полосе частот после выключения источника) в пустой камере Т0, а затем - время реверберации при внесении туда звукопоглощающего материала Т\. Далее определяется эквивалентная площадь звукопоглощения для данной третьоктавной полосы частот/в соответствии с формулой где V - объем реверберационной камеры; со и с\ - скорость звука в воздухе в пустой камере и камере со звукопоглотителем, соответственно; а то и mi -постоянные затухания звука в воздухе в пустой камере и камере со звукопоглотителем, соответственно. С физической точки зрения, эквивалентная площадь звукопоглощения A ( f ) - это площадь плоского материала с абсолютным звукопоглощением, установка которого в камеру привела бы к тому же времени реверберации, что и установка исследуемого звукопоглотителя. Таким образом, чем больше эта площадь для исследуемых клиньев, тем больше их звукопоглощение.

Исследуемые клинья устанавливались в центр пола реверберационной камеры. Диффузное звуковое поле создавалось всенаправленным источником звука В&К 4292 на установке АК-3 и двумя акустическими системами YAMAHA DSR 115 на установке АК-11. Время реверберации измерялось с использованием трех микрофонов диффузного поля (тип В&К 4942), многофункциональной системы сбора и анализа данных (тип В&К 3560С) на платформе PULSE (тип В&К 7700-N10). Положения микрофонов и источника звука в процессе испытаний не менялись. Испытания клиньев заглушенной камеры АК-2 проводились в реверберационной камере АК-3 ЦАГИ (объем V = 125 м3). Испытывался блок из 25 клиньев (5x5), устанавливаемый непосредственно на пол реверберационной камеры (рис. 34). Для учета возможных краевых эффектов, блок клиньев испытывался в двух положениях: исходном и повернутом как целое на 45 по сравнению с исходным. Время реверберации для каждой третьоктавной полосы частот было получено усреднением по пяти испытаниям. Полученные времена реверберации камеры для обоих положений блока клиньев и для пустой камеры приведены на рисунке 35.

Видно, что времена реверберации для разных положений блока клиньев весьма близки. Для определения в соответствии с выражением (3) величины эквивалентной площади звукопоглощения клиньев АК-2 в третьоктавных полосах частот использовалось среднее время реверберации, полученное усреднением времен реверберации для обоих положений блока клиньев в соответствующей полосе частот.

Испытываемые в реверберационной камере клинья БСТВ были помещены в каркас по 5 штук (рис. 36). Площадь поверхности пола реверберационной камеры, которую занимал блок клиньев БСТВ (1 м2), была равна площади пола, занимаемой блоком клиньев АК-2.

Испытывались три блока клиньев из БСТВ с различной плотностью материала: 20, 30 и 40 кг/м3 с целью выбора оптимальной плотности, а также два металлических каркаса с толщиной стержней 2 и 4 мм (рис. 13). Методика измерений клиньев БСТВ аналогична той, что использовалась при измерении клиньев АК-2. Испытания с клиньями плотностью 40 кг/м3 были признаны некондиционными и в дальнейшем не рассматриваются. Результаты измерений звукопоглощения клиньев плотностью 20 и 30 кг/м3 приведены на рисунке 37.

Видно, что в рассматриваемом частотном диапазоне клинья из БСТВ обладают большим звукопоглощением, чем клинья АК-2. Это позволило ожидать, что заглушенная камера ПНИПУ, облицованная такими клиньями из БСТВ, также будет обеспечивать условия свободного поля в диапазоне частот не ниже 200 Гц, который установлен для заглушенной камеры АК-2.

Клинья из МТВ испытывались в реверберационной камере акустического стенда АК-11 ЦАГИ. Стоит отметить, что испытания на различных установках могут давать результаты, значительно отличающиеся друг от друга (такие сравнительные исследования для реверберационных камер приведены в [138]). Следовательно, сравнение измерений клиньев из минерального волокна, проведенных в АК-11, с результатами измерений клиньев АК-2 и клиньев из БСТВ, проведенных в АК-3, не было бы корректным. Поэтому для обеспечения возможности сравнить результаты испытаний клиньев из минерального волокна с клиньями из БСТВ, в камере АК-11 также испытывались клинья из БСТВ плотностью 20 кг/м3 (поскольку в условиях диффузного поля они показали чуть большее звукопоглощение, чем клинья БСТВ30). Эти измерения клиньев из БСТВ выступали в качестве базисной точки, с которой сравнивались результаты клиньев из минерального волокна. Геометрические параметры клиньев из минерального волокна соответствовали клиньям из БСТВ. Испытывались блоки из 5 клиньев из минерального волокна (рис. 38) с плотностями материала 30, 50 и 70 кг/м3, без металлического каркаса.

В связи с тем, что клинья из минерального волокна являются довольно хрупкими (в особенности верхняя кромка клина), их предполагалось покрывать тканью. Покровный слой также призван защитить звукопоглощающий клин от выветривания, что особенно важно при наличии в камере потока. Кроме того, ткань сама по себе является дополнительным звукопоглотителем и может улучшить акустические свойства клиньев. Рассматривались три вида ткани: стеклохолст плотностью 25 гр/м2, стеклохолст плотностью 40 гр/м2 и стеклоткань плотностью 100 гр/м2.

Результаты испытаний клиньев из минерального волокна плотностью 30 кг/м3 с различными тканевыми покрытиями приведены на рисунке 40. Видно, что звукопоглощение клиньев с тканевым покрытием немного увеличивается, причем наиболее эффективной с точки зрения увеличения звукопоглощения является стеклоткань.

Оценка влияния положения выхлопного коллектора на воздушную струю. Численная оценка возвратных потоков вблизи стенок заглушенной камеры

При моделировании по разработанной методике течений в заглушенной камере рассматривались следующие положения коллектора: 1) коллектор по оси сопла на противоположной соплу стенке; 2) коллектор по оси сопла на потолке на максимально удаленном расстоянии; 3) коллектор по оси сопла в середине потолка. С точки зрения кратчайших путей воздуховодов наилучшим является вариант расположения коллектора над соплом, однако для акустики это наихудший вариант, поскольку источник звука в струе находится, как правило, на расстоянии примерно 7-8 калибров от среза сопла, коллектор же будет давать отражение звука (данный эффект невозможно полностью устранить), что в свою очередь будет влиять на источник. Поэтому данный вариант не рассматривался.

Результаты численного моделирования представлены на рисунках 66, 67. Видно, что струя ни в одном из случаев не отклоняется под влиянием работы коллектора. Кроме того, скорость потока вблизи границ расчетной области достаточно низкая (3-4 м/с), что не оказывает негативного влияния на клинья.

Также моделирование не выявило существенного влияния возвратных течений на струю.

В результате проведенных путем численного моделирования исследований было установлено, что все рассмотренные варианты размещения коллектора являются работоспособными. Тем не менее, вариант 1 имеет наибольшую длину воздуховодов. Вариант 3 несколько неудобен с точки зрения существующих строительных конструкций заглушенной камеры. Вариант 2 имеет наибольшее удаление коллектора от среза сопла, т.е. наименьшее влияние на струю, при этом обратный контур проходит над перекрытием камеры и длина воздуховодов меньше, чем у варианта 1. Таким образом, для расположения коллектора в заглушенной камере при перечисленных выше условиях работы наилучшим является вариант 2.

Созданная струйная установка предназначена для проведения измерений шума турбулентных струй в заглушенной камере, при наличии системы измерения скорости истечения струи. В настоящей работе выполнено исследование возможности проведения подобных акустических измерений. Измерения проводились для конусного сопла с диаметром на срезе D = 40 мм. Предварительно на разных режимах работы вентиляторов была выполнена оценка скорости потока на срезе сопла, для чего использовалась трубка Пито и двухканальный цифровой манометр МЦП-2М.

Измерение шума воздушной струи выполнялось микрофоном ” Bruel & Kjaer 4192-С-001. Микрофон был установлен на стойке на высоте 2,5 м от поверхности жесткого пола, что соответствует уровню оси струи, в направлении = 30о относительно оси струи, на расстоянии R равном 4,6 м (рис. 68) [156]. При измерении шума пол заглушенной камеры был закрыт звукопоглощающими клиньями.

Исследование возможности локализации источников шума в заглушенной камере. Тестирование многомикрофонных методов измерений на эталонных источниках

Как известно одним из важнейших источников шума современных авиационных двигателей является вентилятор. Для снижения шума вентилятора каналы двигателя, по которым распространяется шум, облицовываются звукопоглощающими конструкциями (ЗПК).

Эффективность работы ЗПК во многом определяется правильно подобранным импедансом, который обеспечивает максимальное затухание звука. В свою очередь для определения оптимального импеданса ЗПК необходимо знание модального состава звукового поля в канале.

Проблеме идентификации модального состава распространяющегося в канале шума вентилятора посвящено большое число экспериментальных исследований (их краткий обзор можно найти, например, в работе [163]). В работах [164, 165] показано, что одним из возможных подходов к идентификации вращающихся звуковых мод, является применение метода плоского бимформинга [166]. Основная идея метода состоит в когерентном суммировании результатов измерений различных микрофонов для улучшения сигнала, излучаемого из фокусной точки, и минимизации вкладов сигналов из всех остальных точек. Таким образом, метод бимформинга представляет собой способ сложения данных, измеренных микрофонами, с целью определения пространственного распределения источников шума.

Отработка методики идентификации вращающихся звуковых мод в лабораторных условиях позволяет существенно сэкономить финансовые средства по сравнению с натурными испытаниями, при этом вентилятор заменяется модельным источником звука, способным создавать необходимый модальный состав. Чтобы реализовать генерацию вращающихся мод в ЛМГШиМА была создана специальная установка, которую можно условно разделить на три основные части (рис. 77): 1 – канал для распространения мод; 2 – платформа; 3 – генератор звука.

В качестве канала, по которому распространяются звуковые моды, использовался воздухозаборник авиационного двигателя ПС-90. Воздухозаборник был установлен на подвижную платформу. По окружности внутреннего контура воздухозаборника в платформе были сделаны 34 отверстия диаметром 40 мм, на равном расстоянии друг от друга, через которые в канал излучался звук.

Система источников звука состояла из 34 драйверов JBL 2451H, позволяющих генерировать звуковой сигнал в частотном диапазоне до 25,6 кГц, с уровнями звукового давления до 130 дБ. Генерация сигналов выполнялась программно в специализированном программном обеспечении PULSE Labshop. Генерируемый сигнал усиливался через 2-канальные усилители мощности Bruel & Kjaer 2716 и подавался на драйверы.

Для идентификации положения источников шума предполагалось использовать 54-канальную микрофонную антенну Bruel & Kjaer (рис. 78), на каждом из 9 лучей которой располагается 6 четвертьдюймовых микрофонов поля давления Bruel & Kjaer 4944-W-008. Тестирование антенны проводилось на открытой площадке двумя точечными источниками Bruel & Kjaer WB3509 с частотой 2,4 и 2,6 кГц. Как видно из рисунка 79 положение точечных источников было определено верно. Однако проведение подобного эксперимента в помещении, не облицованном звукопоглощающим покрытием, показало, что источники звука локализуются в неверном положении и их число превышает реальное количество (рис. 80). Таким образом, для получения адекватных результатов эксперимент по локализации вращающихся мод звукового поля проводился в заглушенной камере (рис. 81). В процессе экспериментального исследования измерения проводились для шести вариантов модального состава: нулевая азимутальная мода (поршневая), +7 мода, -7 мода, +10 мода, -10 мода, +10-7 моды. Звук генерировался на частоте 1000 Гц. Напряжения, подаваемые на каждый драйвер генератора мод, были подобраны так, чтобы в случае работы только одного драйвера на срезе воздухозаборника в центре достигался уровень 124 ± 0,5 дБ. Ниже представлены результаты локализации источника звука в соответствующей третьоктавной полосе частот.

Результат локализации источника звука для +7 и -7 моды приведен на рисунке 83. Для режима «+7 мода» ядро источника смещено относительно 0 точки оси координат на 0,35 м по оси Х и на -0,15 м по оси Y. Максимальный уровень звукового давления в ядре источника 125,6 дБ. Для режима «-7 мода» ядро источника смещено относительно 0 точки оси координат на -0,4 м по оси Х и на -0,2 м по оси Y. Максимальный уровень звукового давления в ядре источника 125,6 дБ.

Результат локализации источника звука для +10 и -10 моды приведен на рисунке 84. Для режима «+10 мода» ядро источника смещено относительно 0 точки оси координат на 0,55 м по оси Х и на -0,1 м по оси Y. Максимальный уровень звукового давления в ядре источника 125,2 дБ. Для режима «-10 мода» ядро источника смещено относительно 0 точки оси координат на -0,6 м по оси Х и на -0,1 м по оси Y. Максимальный уровень звукового давления в ядре источника 125,8 дБ.

Результат локализации источника звука для +10-7 моды (т.е. при одновременном возбуждении двух мод: +10 моды и -7 моды) приведен на рисунке 85. В этом случае идентифицируются два источника. Ядро первого смещено относительно 0 точки оси координат на -0,55 м по оси Х и на -0,1 м по оси Y, что соответствует смещению источника на режиме «+10 мода». Ядро второго источника, смещено относительно 0 точки координат на -0,4 м по оси Х и на -0,25 м по оси Y, что соответствует смещению источника на режиме «-7 мода». Максимальный уровень звукового давления в ядре источника 127,7 дБ.

Анализ применимости результатов исследования к идентификации модального состава шума вентилятора авиационного двигателя представлен в [167], здесь же отметим только качество полученных данных, с целью оценки работы заглушенной камеры в данном типе эксперимента.

Как видно из рисунков 81-85, на картах локализации источников звука отсутствуют сильные отражения, которые могли бы искажать положение источника. Вращающиеся моды локализуются в точке (наличие размытой области источников на картах локализации связано с разрешающей пространственной способностью микрофонной решетки на данной частоте), что аналогично результату применения метода плоского бимформинга к шуму открытого ротора [164, 165], где шум вращающихся источников также локализовывался в точке. Нулевая мода локализуется на оси канала, положительные и отрицательные моды с одинаковыми номерами располагаются зеркально относительно оси, что позволяет различать моды между собой, и тем самым определить модальный состав излучаемого шума. Таким образом, можно заключить, что построенная заглушенная камера в исследовании по локализации источников звука показала адекватные результаты, что позволяет проводить в ней дальнейшие эксперименты с применением метода плоского бимформинга.