Введение к работе
Актуальность темы.
Проблема снижения шума на борту пассажирских самолётов появилась в середине XX века в связи с бурным развитием гражданского авиатранспорта. Высокий уровень шума в салоне вызывает дискомфорт, отрицательно влияет на здоровье пассажиров и персонала. Вредное воздействие шума возрастает с увеличением длительности полетов, поэтому описанная проблема особенно актуальна для магистральных авиалайнеров.
Одним из основных источников шума в салоне современных скоростных самолётов являются колебания обшивки фюзеляжа, возбуждаемой пульсациями давления турбулентного пограничного слоя. Для расчёта колебаний и прогноза уровней шума в салоне необходимо знать структуру поля возбуждающих сил. Наиболее информативной функцией о поле возбуждающих сил, определяемых пристеночными пульсациями давления турбулентного пограничного слоя, является частотно-волновой спектр. Эта функция описывает распределение энергии воздействующего на конструкцию случайного поля по частотам и волновым числам.
Экспериментальное исследование является основным источником информации о частотно-волновом спектре пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя. Такие измерения проводятся с 60-х годов XX столетия, но полная картина распределения интенсивности по частотам и волновым числам до сих пор не получена. Большинство исследователей используют традиционные схемы спектрального анализа, не учитывающие специфику измеряемого поля. При этом экспериментаторы не задаются вопросом применимости используемых приборов для проведения измерений. Актуальной является и проблема интерпретации результатов измерений, оценки их достоверности.
В последние годы основное внимание аэроакустиков сосредоточено на длинноволновой области частотно-волнового спектра, так как часто именно она
определяет уровень шума в салоне самолёта. В субконвективной области волновых чисел лежат длинноволновые моды колебаний обшивки, которые сложнее всего задемпфировать. Кроме того, акустическая область определяет долю звуковой энергии, переданную в салон нерезонансно, что определяется инерционным поведением обшивки фюзеляжа. Существующие данные об интенсивности пульсаций давления в области малых волновых чисел различаются более чем на три порядка, а достоверные экспериментальные данные о пульсациях давления в акустическом диапазоне волновых чисел отсутствуют. Этим оправдана необходимость экспериментального определения уровней частотно-волнового спектра поля пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя.
Основным методом оценки уровней частотно-волнового спектра является измерение спектра пространственных корреляций. Однако спектр пространственных корреляций не чувствителен к длинноволновой области волнового спектра. Поэтому достоверных экспериментальных данных об уровнях пульсаций на малых волновых числах не получено, что подчёркивает актуальность разработки состоятельной методики эксперимента перед его проведением.
Цели работы.
Анализ существующих методов измерения частотно-волнового спектра и выявление причин неудач предшествующих экспериментов.
Формулировка задачи многомерного спектрального анализа применительно к полю пристеночных турбулентных пульсаций давления. Исследование применимости классических схем измерений и оценка ошибок, возникающих при их применении. Разработка методологической основы для экспериментального исследования частотно-волновых спектров.
3) Определение наиболее результативного метода измерений и его
практическое применение для определения частотно-волнового спектра
пристеночных турбулентных пульсаций давления. Получение спектральной
плотности в длинноволновой области частотно-волнового спектра. Научная новизна. В данной диссертации впервые:
1) Исследованы особенности поля пристеночных пульсаций давления
турбулентного пограничного слоя, влияющие на возможность и точность
измерения его частотно-волнового спектра. Произведены оценки ошибок,
возникающих при спектральных измерениях.
2) Разработаны эффективные многоэлементные антенные решётки и построена
методика эксперимента, позволяющего провести измерения частотно-волнового
спектра с максимальной точностью, используя минимальное число датчиков
давления.
3) Проведена серия экспериментальных работ по измерению уровней
частотно-волнового спектра пристеночных турбулентных пульсаций давления на
стенке канала малошумной аэродинамической установки с помощью
прямоугольных мембран. Применение нескольких мембран с различными
параметрами позволило получить результаты в широкой области частот и
волновых чисел.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
Результаты анализа проблемы измерения частотно-волновых спектров, связанные с применением аналогии частотной и волновой фильтрации. Эти результаты позволяют утверждать, что искажения, вызванные дискретностью выборки и ограниченностью апертуры, которыми пренебрегают в ряде случаев при частотном анализе, существенно искажают результаты измерений спектральных уровней длинноволновых компонент поля пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя.
Результаты исследования пространственной разрешающей способности датчиков давления со сложной формой чувствительной поверхности, применяемых в экспериментах. Для всех исследованных датчиков получены корректировочные функции частотного спектра мощности пульсаций давления
турбулентного пограничного слоя.
Результаты исследования основных положений теории спектрального анализа с целью оценки ошибок, которые неизбежно возникают при волновой фильтрации дискретно выбранного сигнала в силу невыполнения условий теоремы Котельникова-Найквиста. Результаты оценки влияния пространственной апертуры измерительной системы на спектральную разрешающую способность и на динамический диапазон спектрального анализа полей пристеночных турбулентных пульсаций давления. Методика определения оптимальной конфигурации многоэлементных измерительных систем, позволяющих провести измерения с максимальной точностью, используя минимальное число датчиков давления.
Экспериментальные данные об уровнях частотно-волнового спектра пульсаций давления турбулентного пограничного слоя, полученные на стенке канала малошумной аэродинамической трубы. С помощью серии различных мембран проведены измерения в широком диапазоне частот и волновых чисел. На средних частотах уровни безразмерной спектральной плотности в субконвективном диапазоне примерно на 30 дБ ниже уровня конвективного пика и составляют около -80 дБ на средних частотах. Установлено, что в исследованном диапазоне частот и скоростей спектральная плотность зависит преимущественно от расстояния до конвективного пика.
Личный вклад автора состоит в проведении теоретического анализа и расчётов, в подготовке и проведении серии экспериментов, а также в обработке и анализе экспериментальных данных.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих конференциях: 47, 48, 49, 50, 51-ая Научные Конференции МФТИ (Москва, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 и 2009 гг.) [3, 4, 5, 7, 8, 10]; Научные Конференции «Авиационная акустика» (Звенигород, 2007 и 2009 гг.) [6, 9]. Результаты исследования используются при проведении экспериментов в НИО-9 НАГИ.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в печатных
работах [1, 2]. Статья [1] опубликована в реферируемом журнале из списка ВАК «Учёные записки ЦАГИ», который также переводится на английский язык и выходит за рубежом.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 91 страница. Диссертация содержит 67 рисунков и 2 таблицы. Библиография содержит 51 наименование работ.
