Излучение звука упругими системами при неоднородном аэроакустическом возбуждении

ІУ
Оглавление
Список использованных обозначений....................................... 4
Введение............................................................... 10*
Глава 1. Характеристики случайных полей пульсаций давления
аэродинамического происхождения...................................... 31
1.1. Основные характеристики случайных аэроакустических полей
пульсаций давления..'............................................ 32
1.2. Спектр пространственных корреляций и частотно-волновой
спектр неоднородного случайного поля пульсаций давления 37
1.3. Методы решения задачи акустического излучения упругих
систем........................................................... 42
Выводы к Главе 1............................................... 51
Глава 2. Излучение звука упруго-инерционной системой, связанное
с ее чисто инерционным поведением.................................... 52
2.1. Постановка задачи и метод решения............................. 52
2.2. Спектральная плотность звукового давления при возбуждении . неограниченной пластины неоднородным аэроакустическим полем 60
2.3. Звуковая мощность, излучаемая неограниченной пластиной в
неоднородном поле пульсаций давления............................. 66
2.4. Влияние параметров возбуждающего поля на излучаемую
пластиной звуковую мощность...................................... 69
Выводы к Главе 2............................................... 74
Глава 3. Колебания и излучение звука упругой системой при ее
резонансном возбуждении неоднородным полем внешних сил 76
3.1. Основные закономерности в колебаниях неограниченных
упругих систем................................................... 76
3.2. Колебания ограниченной упругой системы........................ 90
3.3. Ограниченная пластина при широкополосном возбуждении
неоднородным случайным полем внешних сил........................ 108
3.4. Пластина в жестком экране.................................... 114
3.5. Акустическое излучение упругой системы, возбуждаемой полем
пульсаций давления с изменяющимися по пространству характеристиками.......................................... 122
3.6. Определение доминирующего механизма излучения................ 128
Выводы к Главе 3.............................................. 133
Глава 4. Экспериментальные исследования пластин....................... 135
4.1. Экспериментальные установки.................................. 136
4.2. Панели для экспериментальных исследований, их
диссипативные свойства.......................................... 141
4.3. Методика и техника измерений при сверхзвуковых и дозвуковых
скоростях потока................................................ 147
>
г
3
4.4. Реализуемые в экспериментах поля пульсаций давления........ 153
4.5. Колебания и акустическое излучение панелей.................... 163
4.6. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных для
случая сверхзвукового потока.................................. 173
4.7. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных для
случая дозвукового потока........................................ 182
Выводы к Главе 4............................................... 190
Глава 5. Звуковое поле в оболочке при неоднородном
аэроакустическом возбуждении...................................... 192
5.1. Обоснование расчетной модели конструкции...................... 193
5.2. Влияние структуры возбуждающего поля на звуковое поле в
оболочке......................................................... 200
5.3. Влияние формы распределения амплитуды и фазы
возбуждающего поля по внешней упругой поверхности на звуковое поле в оболочке.................................................. 207
Выводы к Главе 5............................................... 215
Глава 6. Акустическое поле в оболочке при синхрофазировании
источников шума..................................................... 216
6.1. Математическая модель синхрофазирования....................... 217
6.2. Расчетная оценка влияния синхрофазирования на звуковое поле
в оболочке....................................................... 226
6.3. Экспериментальная оценка влияния синхрофазирования
источников звука на шум в салоне самолета........................ 234
Выводы к Главе 6............................................ 241
Глава 7. Метод прогноза шума в замкнутой оболочке,
моделирующей отсек фюзеляжа винтового самолета...................... 242
7.1. Суть метода тестового поля.................................... 243
7.2. Экспериментальная установка................................... 245
7.3. Объект исследований - модельный отсек фюзеляжа самолета.
Исследование динамических характеристик отсека................... 252
7.4. Построение расчётной модели................................... 254
7.5. Тестирование расчетной модели................................. 258
7.6. Испытания с винтом в кольце................................... 265
7.7. Испытания в тестовых полях.................................... 272
7.8. Результаты и анализ........................................... 281
Выводы к I лаве 7...................'.......................... 289
Заключение............................................................. 290
Библиографический список............................................... 293
4
Список использованных обозначений
а; - величина, обратная масштабу неоднородности
с) - величина, обратная масштабу корреляции в направлении координаты х} с0 - скорость звука в среде
с! - расстояние от точечного источника до поверхности оболочки
0 - цилиндрическая жесткость Е - модуль Юнга
/,/0 - частота
/. - центральная частота полосы /{г*г2к} - двумерная плотность вероятности Р - передаточная функция
Г (а), Г(аД,) - функция безразмерных параметров
Г(р), /ТРД,; — функция безразмерных параметров
ГаР - функция, определяющая степень взаимодействия мод аир
С (а) - функция безразмерных параметров
С(Р) “ функция безразмерных параметров
&° (г) " функция Грина
Л - толщина конструкции
Иг ~ высота уступа •
На, Яра - передаточная функция
1 - интенсивность звука у = 1,2. - индекс
J - функция, описывающая реакцию среды на колебания упругой системы
30 - функция Бесселя нулевого порядка
к0 - акустическое волновое число
кя - конвективное волновое число
к] ~ координата в волновом пространстве
к - вектор в волновом пространстве {кпк3}
к; = к} /к0 - безразмерная координата в волновом пространстве*
- конвективное волновое число в направлении координаты
ка— волновое число изгибных колебаний, соответствующее моде с индексом а
Кч (х, х', /, г') - пространственно-временная корреляционная функция поля д(х, г)
Кп (х, т) - автокорреляционная функция поля /)
£у — размер упругой системы в направлении координаты х]
£ - протяженность отрывной зоны перед уступом £ - линейный вязкоупругий оператор над функциями координат Ь - образ оператора £
- масштаб неоднородности поля в направлении х)
К ~ уровень мощности акустического излучения пластины Ьр - уровень звукового давления в звукомерной камере Ьщ ~ Уровень пристенных пульсаций давления т — индекс упругой моды в направлении координаты х, т' — индекс акустической моды в направлении координаты х1 М — число Маха полета
М — поверхностная масса излучающей конструкции
Мп - масса панели
Мф - конвективное число Маха
Ма - модальная масса
тк - математическое ожидание процесса гк
п - индекс упругой моды в направлении координаты дг2
п - размерность процесса
п - индекс акустической моды в направлении координаты х2
п} - нормаль к поверхности, направленная в сторону полупространства Оу
«(со) - модальная плотность
п - безразмерная модальная плотность
ра - атмосферное давление
р0 - пороговое значение давления
psl - статическое давление
р2 - средний квадрат звукового давления в оболочке рj - давление, генерируемое пластиной в полупространство П,
Р(х, /) - мгновенное значение давления Р(х) - математическое ожидание давления
q(x, /) - случайное по пространству и времени поле пульсаций давления - спектральная амплитуда поля пульсаций давления q(x-x°) - функция пространственного изменения амплитуды сигнала
Q - коэффициент канонического разложения поля внешних сил
г - расстояние от элемента поверхности пластины до точки наблюдения
Ar - микрофонная база интенсиметрического зонда
Я — расстояние от начала координат до точки наблюдения
Я0 - радиус оболочки
я, - радиус винта
АЯа - частотно зависимые поправки на реверберацию Я/к (т) - нормированная взаимная корреляционная функция
S - площадь излучающей поверхности упругой системы Sh - число Струхаля t - время Т - температура
Т60 - время снижения уровня сигнала на 60 дБ U - скорость потока иф - фазовая скорость
V - объем акустической среды w(x,t) — случайное нормальное смещение пластины wa (х) - собственная функция упругой моды W - излучаемая мощность
W — коэффициент канонического разложения нормальных перемещений W0 - пороговое значение мощности х - координата точки пространства
7
х°пх°2 - координата точки максимальной интенсивности пульсаций давления х0 — расстояние от носа самолета
Х} — коэффициент канонического разложения потенциала скорости У і (0 “ функция, описывающая процессы временных флуктуаций амплитуды гу (/) - функция, описывающие процессы временных флуктуаций фазы
(х,г) — случайный процесс, описывающий изменения фазы а = [кч/к0 - квадрат безразмерного конвективного волнового числа-а = {}п,п} — совокупность индексов моды оболочки [3 « {кч/ж}2 - квадрат безразмерного конвективного волнового числа
р = {т',п'} - совокупность индексов моды акустического объема •
X, (х) - функция, описывающая пространственное распределение фазы сигнала
X - безразмерная спектральная плотность звукового давления в оболочке X - угол синхрофазирования 6 — дельта-функция Дирака 5 - толщина турбулентного пограничного слоя»
5* - толщина вытеснения пограничного слоя
ф(*) _ безразмерная спектральная плотность обобщенных сил,
фу (Зс,Хр/) — потенциал скорости в полупространстве
ф(3с, х\ со) - нормированный спектр пространственных корреляций
Ф0 (со) — спектральная плотность поля в точке максимальной интенсивности
Фр (о>) - спектральная плотность звукового давления
Ф(к С05) “ спектральная плотность звуковой мощности
ф* ( ®) “ спектральная плотность-колебательной скорости
фа') С®) “ спектральная плотность обобщенных сил
Ф2 (й) “ взаимная спектральная плотность обобщенных сил
ФЇЇ С05) ~ взаимная спектральная плотность обобщенных координат
ФРг (со) — взаимная спектральная плотность давления
Фу (х, а)) - спектральная плотность поля д(х, /)
Фч (х,х',(о) - спектр пространственных корреляций поля ^(х, /)
(к,к', ю) - частотно-волновой спектр поля пульсаций давления
у« , у« - функции, описывающие реакцию акустической среды на колебания оболочки, соответствующие моде а ^ - коэффициент диссипации моды с индексом j
г| - общий коэффициент потерь в конструкции цг - коэффициент потерь на излучение
г|0 - пороговое значение коэффициента диссипации аэ - волновое число свободной изгибной волны X, - обобщенный масштаб
Хф - длина волны конвектирующего поля внешних сил Хч — волновой масштаб К (а), К (р) - безразмерные коэффициенты
Л - пространственный масштаб корреляции спектральных составляющих V - коэффициент Пуассона
V, - квадрат нормы собственной функции упругой моды
\>р - безразмерный квадрат нормы собственной функции акустической моды
0 - угловая координата
- угол раскрытия оболочки до уровня пола
) - двумерная характеристическая функция гауссова процесса
р - плотность сг - дисперсия
СУи11 - коэффициент излучения
(х,г) — собственная функция акустической моды
т - временной интервал
х} - коэффициент звукопроницаемости
сос - критическая частота
ю,(о0 - круговая частота
— частота собственных колебаний упругой системы
9
о)р - частота собственных колебаний акустического объема (ЬJ - со/со; — безразмерная собственная частота QJ - идентификатор полупространства
| = х - х - вектор пространственного разделения точек наблюдения \р7 — фаза сигнала
3(*) - осредненная по угловой координате волнового пространства
спектральная плотность обобщенных сил
10
Введение
Прогресс б развитии авиационной техники и других видов скоростного транспорта выдвинул в разряд актуальных проблему борьбы с шумом, излучаемым упругими системами при их возбуждении пульсациями давления аэродинамического происхождения. Шум, излучаемый элементами конструкции, подверженной воздействию нагрузок от реактивных двигателей, воздушных винтов, пограничного слоя может раздражать и утомлять пассажиров, снижать работоспособность экипажа, приводить к сбоям в работе аппаратуры и, в конечном счете, ухудшать конкурентную способность транспортного средства. Эффективная борьба с ним возможна только при ясном понимании физических принципов, определяющих излучение звука упругими системами.
Основоположниками научного подхода к исследованию вопросов излучения звука упругими системами можно считать Г.Гельмгольца и Дж. Рэлея. Последний, кроме своих фундаментальных работ в области колебаний, известен классическим трудом «Теория звука» [1191, который не потерял актуальности и поныне. В нем он подытожил весь предшествующий этап развития акустики и дал импульс дальнейшему ее развитию. В частности, в этой книге впервые представлено решение задачи о звуковом поле поршневой диафрагмы, колеблющейся в жестком экране. Несколько позже появилась книга Г.Лэмба [84], в которой ясно разобраны основные задачи классической акустики и которая, по словам автора, может служить ступенькой к изучению работ Гельмгольца и Рэлея. В этом же ряду нельзя не отметить книгу Ф.Морза «Колебания и звук» [90], развивающую вопросы излучения и рассеяния звука.
Современный период, в истории акустики, как отмечали С.Н.Ржевкин [110] и В.А.Красильников [80], начался в двадцатых годах XX века. Исследованию акустического излучения пластин и оболочек посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. Положение дел в этой области отражено в монографиях Е.Л. Шендерова [127,128],
11
В.В. Музыченко [93] а также в обзорных работах А.Г. Горшкова [22],
A.В Римского-Корсакова и Ю.И. Белоусова [111], М.А Ильгамова [73],
B.IO. Приходько [109], В.В. Музыченко и С.А. Рыбака [98]. Акустическое излучение пластин и оболочек рассматривалось также в работах Л.Я. Гутина [25,26], В;Н. Евсеева, B.C. Иванова и В.Ю.Кирпичникова[29], B.C. Иванова и В.Н. Романова [132], Д.Д. Плахова [105,106], В.В. Музыченко [92], С.А. Рыбака [94-97,217], Ю.И. Бобровницкого и Т.М. Том ил иной [8], И.И. Долговой [28], В.Н. Романова [112,113] и др. [5,6,75,77]. Из зарубежных авторов можно отметить книги Е.Скучика [120], Л.Фелсена и Н.Меркувица [126], Л.Беранека [134,135], Junger М.С., Feit D [191], R.G.White and J.G.Walker[259], а также работы [183, 186, 189, 199, 202, 234, 253,257].
Развитие авиации и судостроения стимулировало интерес к исследованию проблем генерации звука упругими системами при воздействии на них полей пульсаций давления стохастической природы, а также к изучению структуры таких полей. Основы акустики движущейся среды были разработаны в трудах H.H.Андреева, И.Г.Русакова [2] и Д.И.Блохинцева [7]. М.Лайтхилл [198] построил общую теорию излучения звука турбулентным потоком. Результаты, полученные в области теоретической аэроакустики представлены во многих публикациях, в частности, в монографии М.Голдстейна [21] и в книге
А.Г.Мунина, В.М.Кузнецова, Е.А.Леонтьева [99]. Обширная библиография (более десяти тысяч работ) за период 1980-2002 гг., охватывающая различные области проблемы турбулентных течений, приведена П. Брэдшоу на его интернет сайге [140]. Достаточно подробно положение дел в области изучения пристенных пульсаций турбулентного пограничного слоя изложено в монографии В.И. Корнилова [79], обзорной работе М.К. Bull [141], а также в работах W.K. Blake [137], R:S Langley & N.S. Bardell [194]. Из последних публикаций можно отметить работы С.А.Рыбака [114-116], монографию Кудашева Е.Б. и Яблоника JT.P. [81], а также работы [129, 193, 215, 250, 251]. Анализ, обобщение и систематизация теоретических и экспериментальных
результатов об акустическом излучении турбулентных потоков, полученных в различных научных центрах за последние 40-50 лет, представлены в недавно вышедшей монографии A.B. Смольякова [122].
Излучаемая упругой системой звуковая мощность существенным образом зависит от структуры поля нагрузки, воздействующей на ее поверхность. Эффект волнового резонанса, проявившегося в аномально интенсивном прохождении звука через пластинку при определенных условиях, впервые, по-видимому, наблюдал С.Н.Ржевкин в 1941 году, как это отмечено в книге И.И.Клюкина [76]. Объяснить это явление, названное резонансом волнового совпадения, удалось Л.Кремеру [149]. Суть его состоит в том, что при совпадении длины свободной изгибной волны в пластине со следом падающей на нее звуковой волны наблюдается усиленное прохождение последней через пластину.
Первая работа по исследованию акустического излучения пластин в поле пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя выполнена Г.Рибнером [240], который обнаружил эффект усиления прохождения звука через плаетшгу при 'совпадении скорости свободной изгибной волны с фазовой скоростью конвектирующего случайного поля внешних сил, названный эффектом аэродинамического совпадения.
Первые соотношения для оценки влияния пространственных масштабов корреляции и фазовой скорости пульсаций давления на колебания и акустическое излучение упругих систем были получены Б.М.Ефимцовым при изучении поведения свободно опертой пластины в поле пристеночных пульсаций давления турбулентного пограничного слоя [61]. Анализ колебаний неограниченной тонкой пластины в конвектирующем поле случайных сил [33] позволил выявить эффект усиления колебаний, который наблюдается при определенных соотношениях между пространственными масштабами корреляции поля нагрузки и длиной свободной упругой волны в пластине. Последующее рассмотрение колебаний пластины при различных видах
случайного нагружения [62] позволило определить основные закономерности, связанные с влиянием пространственных масштабов корреляции и фазовой скорости поля нормальных внешних сил на колебания упругих систем. Позднее они были подтверждены при рассмотрении колебаний упругоинерционных моделей, близких к реальным фюзеляжным панелям — многопролетной пластины на жестких промежуточных опорах [59] и пластины с ребрами жесткости [60]. Аналогичные зависимости были выявлены и при анализе акустического излучения пластины [32].
Акустическое излучение пластин и оболочек при их. возбуждении случайным полем внешних сил рассматривалось в работах B.C. Иванова, В.Н. Романова [71], М.А. Исаковича [74]^ А.Д. Лапина [83], Л.М. Лямшева [85-89], P.A. Мхитарова[100], В.А. Пальмова,. В.А. Пупырева [103], Ю.К. Коненкова, И.Ш: Рахматуллина [78], В.Н. Москаленко [91], Д.Д. Плахова [104,107]. В книге
B.C. Иванова, В.Н. Романова [72] обобщены основные закономерности излучения звука пластинами и оболочками с различной неоднородностью и предложены меры И'средства, способствующие умшгыпению этого излучения. Из зарубежных авторов можно отметить работы [130, 153, 155, 233, 236-238, 240, 242, 254,258].
Экспериментальным исследованиям колебаний и акустического излучения пластин в турбулентном пограничном слое посвящено достаточно ограниченное количество работ. Из отечественных исследований это, в первую очередь, исследования научного коллектива, возглавляемого Б.М. Ефимцовым [55, 58, 63, 64, 65, 66, 170], а также работы [24, 121, 123, 124]. Из зарубежных публикаций необходимо отметить работы L. Maestrello [204-206], J. М. Clinch [147], H. G. Davies [151], W. V. Bhat and J.F. Wilby [136], J. F. Wilby and F. L. Gloyna [260], P: Leehey [197], N. C. Martin and P. Leehey [209], М. P; Norton and М. K. Bull [222], F. W. Grosveld [187], G. Robert [241], S. F. Wu, G. Wu, М. M. Puskarz and М. E. Gleason [264], G. Cousin [148], L. М. В. C. Campos, A. Bourgine and B. Bonomi [142], F. Han at al. [188], C. Durant et al. [156].
Можно сказать, что, в результате полувековых исследований, в настоящее время достаточно хорошо изучены основные закономерности в колебаниях и акустическом излучении тонкостенных конструкций, связанные с особенностями пространственно-временной структуры поля пульсаций давления бсзградиснтного турбулентного пограничного слоя на гладкой поверхности. Но особенности обтекания реальных конструкций таковы, что даже на гладкой поверхности существуют локальные области с относительно большими градиентами среднего давления, области взаимодействия скачков уплотнения с турбулентным пограничным слоем, а также прямые и обратные уступы, связанные с нюансами производства (стыковка элементов обшивки, окантовка остекления и т.д.). В таких локальных областях уровни пульсаций давления могут существенно превышать уровни пульсаций давления на гладкой поверхности с нулевым градиентом среднего давления. Однако излучение упругих систем, подверженных воздействию неоднородных по пространству случайных полей пульсаций давления, до сих пор остаетсянеизученным.
В’ последнее время появилось достаточно много работ, посвященных экспериментальному изучению структуры отрывных течений различного происхождения [143, 145, 146, 152, 177, 178, 182, 184, 185, 195, 196, 203, 213, 214, 218, 219, 221, 225, 244, 245, 246, 247, 248, 249, 252, 255, 259]. Современное состояние исследований в этой области отражено в обзоре Института теоретической и прикладной механики СО РАН [23]. В то же время практически отсутствуют публикации, касающиеся изучения колебаний и акустического излучения упругих конструкций при их неоднородном возбуждении случайным полем внешних сил. Из таких работ можно отметить только [71, 72].
Первая часть настоящей работы посвящена восполнению данного пробела в имеющихся знаниях, а именно теоретическому исследованию и экспериментальному подтверждению основных физических явлений и закономерностей, связанных с излучением звука пластинами, возбуждаемыми
15
случайными по пространству и времени неоднородными полями пульсаций давления аэродинамического происхождения.
Еще один аспект проблемы излучения шума упругими системами при их неоднородном аэроакустическом возбуждении связан с применением на современных самолетах экономичных винтовых и винтовентиляторных двигателей с их чрезвычайно интенсивными шумовыми гармониками в низкочастотной области. Несмотря на то, что с ними пытаются бороться различными методами, в частности, методом синхрофазирования, до сих пор нет ясного понимания сути физических процессов, лежащих в его основе, как нет понимания основных эффектов, обусловленных взаимодействием оболочечных ’ конструкций с возбуждающими их неоднородными аэроакустическими полями. Эти и связанные с ними вопросы исследуются во второй части настоящей работы.
Исследованиям случайных колебаний оболочек, содержащих акустическую среду, посвящены работы В.В. Болотина [11, 13^ 14], в которых решаются связанные упруго-акустические стохастические задачи и предложена методика расчета основных вероятностных характеристик акустического поля внутри оболочки, несущей внутренний слой (типа звукоизолирующих покрытий) и возбуждаемой случайными силами. Дальнейшее развитие этот метод получил в монографии В.В.Болотина [12] и в работах Л.А.Лазарева и Б.М.Ефимцова [56, 158].
Основоположниками энергетического подхода, применительно к задачам распространения звука и вибраций, являются Лайон и Майданик [200, 201]. Развитием этого метода явились работы Поупа и Уилби [232] в которых они получили соотношения, позволяющие рассчитать поток звуковой мощности, излучаемой внутрь замкнутой оболочки при ее возбуждении широкополосным полем внешних сил с учетом взаимодействия отдельных мод колебаний конструкции и объема. Полученные соотношения позволили им, в частности, рассчитать средние уровни звукового давления в грузовом отсеке аппарата
16
"Спейс шаттл" при наличии полезной нагрузки и без нее [261]. В.дальнейшем этот метод был применен для расчета шума в кабине самолета с винтовым двигателем [239]. В работе [229] авторы приблизили расчетную модель к реальной самолетной конструкции путем введения в нее поверхности, моделирующей пол в салоне самолета, и учета лагерь звуковой энергии при прохождении через многослойную конструкцию. При этом получилось хорошее совпадение результатов расчета с экспериментальными данными, полученными при возбуждении подкрепленной и неподкрепленной цилиндрической оболочки с полом и без нет диффузным звуковым полем. В работах [228, 230] проведен расчет звукового поля в модельном отсеке самолета при возбуждении его полем нагрузки от вращающегося винта. Расчеты звукового поля в модельном отсеке удовлетворительно совпали с экспериментальными данными для первых пяти гармоник вращения винта. Однако, применяя полученные соотношения для решения конкретных задач, авторы не выявили общих закономерностей по влиянию параметров неоднородного поля нагрузки на уровни звукового давления в оболочке. Решению данной проблемы посвящена пятая глава настоящей работы.
Достаточно полно положение дел за рубежом в области расчета и снижения шума в салонах самолетов с винтовыми двигателями освещено в обзорных работах [154, 216, 256, 262]. Одним из перспективных методов снижения низкочастотного шума в салоне самолета с винтовыми силовыми установками является синхрофазирование. Однако, насколько можно судить по публикациям, до сих пор нет четких представлений о возможностях этого метода. Об уровне теоретических и расчетных исследований в этой области можно судить, в частности, по публикациям [150, 180, 181]. Расчетные оценки акустических эффектов синхрофазирования, полученные в работах Фуллера, [180, 181] не могут претендовать на достоверность в основном по трем причинам. Во-первых, они основаны на анализе чрезмерно упрощенных моделей фюзеляжа (круговая цилиндрическая оболочка бесконечной длины),
17
во-вторых, не учитывают случайной природы флуктуации амплитуд и фаз при реализации синхрофазирования и, наконец, звуковое давление рассчитывается только в отдельных точках пространства, что не может дать интегральную оценку эффективности синхрофазирования. Предлагаемая в настоящей работе модель синхрофазирования источников звука лишена указанных недостатков и позволяет понять сущность физической природы наблюдаемых эффектов.
Разработка и модернизация пассажирского самолёта требуют решения комплекса задач, связанных с прогнозом и снижением шума в салоне и кабине экипажа. Несмотря на то, что в настоящее время хорошо разработана теория колебаний и акустического излучения упругих систем при различных видах звукового возбуждения, она не позволяет описывать все особенности поведения реальной фюзеляжной конструкции при формировании звуковых полей внутри самолёта от реализуемых на его внешней поверхности аэроакустических полей. Это усугубляется сложностью самих аэроакустических полей на поверхности фюзеляжа самолёта.
В последние годы успешно развиваются численные методы для решения подобных задач, как это показано, например, в монографии М.Ф. Гарифуллина [20], посвященной исследованию проблем динамики тонкостенных конструкций. Автор справедливо отмечает, что «происходит непрерывное усложнение расчетных моделей». Однако реализуемые численные модели также не могут отразить все особенности конструкции, которые оказывают влияние на передачу звуковой энергии в салон и кабину экипажа самолёта. Как правило, расчётные оценки на основе аналитических и численных подходов не обеспечивают требуемую достоверность прогноза. Поэтому обычно проводится серия экспериментальных работ на разных стадиях создания самолёта, в результате которых осуществляется уточнение ожидаемых уровней шума внутри него и реализуются акустические доработки. Это весьма трудоёмкие и дорогостоящие мероприятия.
Одну из современных тенденций, связанных с созданием надёжных
методов достоверного прогноза шума в салоне самолёта, иллюстрируют, в частности, две работы, представленные на международном кошрессе «Звук и вибрации» в 2002 году [243, 139].
В работе Шартона [243] анализируется современное состояние дел в авиакосмической области и подчёркивается важность экспериментальных работ, проводимых в лабораторных условиях. В частности, здесь приводится описание экспериментов, реализуемых в ИАБА. Отмечается, что в настоящее время уделяется мало внимания экспериментам, что, в свою очередь, увеличивает риск катастроф. Формулируются две глобальные задачи. На текущий момент - проведение всеобъемлющих экспериментов в лабораторных условиях. В будущем - использование результатов этих экспериментов при создании надёжных методов расчёта.
В работе Брэдфорда и др. [139] предлагается создать экспертную систему, в которую- войдут различные аналитические методы расчётов, а также база экспериментальных данных и данных о конструкциях транспортных средств. Предполагается, что эта система поможет эффективно обеспечить соответствие транспортных средств предъявляемым им требованиям' по надёжности и техническим характеристикам.
Эти работы подчёркивают актуальность и практическую значимость предлагаемого в седьмой главе настоящей работы полуэмпирического метода прогноза шума в салоне самолёта, суть которого и состоит в комплексном использовании энергетического метода расчёта и результатов эксперимента, полученных в лабораторных условиях. Предлагаемый метод тестового поля, может обеспечить своевременные и достоверные оценки ожидаемого шума внутри самолёта с винтовой силовой установкой. Этот метод предусматривает эксперименты непосредственно на самолёте или на представительных элементах его конструкции (например, на отсеках фюзеляжа), возбуждаемых реализуемыми в лабораторных условиях тестовыми звуковыми полями, а также расчётные оценки, учитывающие невоспроизводимые в эксперименте особенности реальных аэроакустических полей возбуждения.
19
Таким образом, актуальность темы работы следует из необходимости развития физических представлений о природе и механизмах взаимодействия упругих систем со случайными неоднородными по пространству полями пульсаций давления и создания фундаментальной основы для дальнейшего развития систем и методов борьбы с шумом.
Цель работы
Целью диссертационной работы является изучение основных физических . явлений, определяющих излучение звука упругими системами, подверженными воздействию неоднородных по пространству случайных полей пульсаций давления аэродинамического происхождения, на основе комплексного теоретико-экспериментального подхода.
Основные задачи, которые стояли при реализации поставленной цели исследования, включали
• изучение влияния пространственно-временной структуры неоднородного поля случайных пульсаций давления на колебания и акустическое излучение упругих систем;
• получение аналитических соотношений для оценки звуковой мощности, излучаемой упругой системой, возбуждаемой неоднородным полем пульсаций давления, при ее преимущественно резонансном и инерционном поведении;
» изучение основных физических явлений, определяющих влияние синхрофазирования источников1 на акустическое поле в оболочке;
• проведение комплекса экспериментальных исследований на гладких и оребренных пластинах, подкрепленной оболочке и на самолете с целью проверки достоверности полученных результатов теоретических исследований;
• разработку метода прогноза шума в замкнутой оболочке, моделирующей фюзеляж самолета, при ее возбуждении аэроакустичсским полем вращающегося винта, с учетом особенностей поведения реальной конструкции в процессе передачи звуковой энергии и формирования внутреннего акустического поля.
20
Методы исследования, достоверность н обоснованность результатов
В работе использованы экспериментальные и теоретические методы исследования. Достоверность результатов экспериментальных исследований* обеспечена использованием экспериментальных установок, регистрирующей, анализирующей аппаратуры и управляемых координатных систем, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к прецизионным измерениям. Достоверность результатов теоретических и расчётных исследований подтверждена их согласованностью с результатами экспериментов. Существенная часть полученных аналитических соотношений в предельном случае бесконечно больших масштабов неоднородности переходит в известные соотношения для однородных возбуждающих полей, проверенные многолетней практикой их применения:
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые
• Проведен комплексный теоретический и экспериментальный анализ влияния пространственно-временной структуры неоднородного по пространству поля случайных пульсаций давления на колебания и акустическое излучение упругих систем.
• Обнаружены эффекты усиления излучаемого звука, проявляющиеся при определенных соотношениях между пространственными масштабами неоднородности, корреляции, фазовой скоростью поля пульсаций давления, длинами упругих волн в конструкции и скоростью их распространения.
• Выведены аналитические соотношения для оценки звуковой мощности, излучаемой упругими системами при неоднородном аэроакустическом возбуждении. Установлены критерии, определяющие доминирующий механизм излучения. Показано, что при определенных условиях неоднородное поле эквивалентно по воздействию на конструкцию однородному полю с приведенными характеристиками.
• Получен ряд экспериментальных данных об излучении звука тонкостенными конструкциями при их возбуждении до- и сверхзвуковыми отрывными течениями различного происхождения. Изучена пространственно-временная структура таких течений. Получено экспериментальное подтверждение выведенных расчетных соотношений.
• На основании разработанной модели аэроакустического возбуждения оболочки двумя синхрофазированными источниками, учитывающей стохастичность флуктуаций амплитуд и фаз на ее поверхности, получены выражения для оценки звукового давления внутри нее с учетом дисперсии амплитуды и фазы источников. Установлено, что ослабление звукового давления в оболочке при синхрофазировании определяется, в основном, соотношением вкладов симметричных и антисимметричных упругих мод, а также диссипацией энергии в акустическом объеме.
• Измерены характеристики поля на- поверхности и внутри оболочки, моделирующей фюзеляж самолета, при различных видах ее возбуждения. Получены экспериментальные данные, иллюстрирующие, что звуковое поле в оболочке при низкочастотном аэроакустическом возбуждении определяется сильными эффектами взаимодействия упругих мод конструкции с модами акустического объема.
Научная значимость работы определяется тем, что ее выводы, положения и результаты вносят существенный вклад в развитие физических представлений: о природе и механизмах взаимодействия упругих систем со случайными но пространству неоднородными возбуждающими полями; о влиянии пространственно-временных характеристик неоднородных полей на акустическое излучение пластин и оболочек; о характере и особенностях механизмов передачи звуковой энергии упругими системами, связанных с их резонансным и инерционным поведением; о формировании звукового поля в оболочке при различных видах ее возбуждения.
22
Практическая ценность работы
Практическая ценность полученных в диссертации результатов состоит в том, что они дают количественную оценку основных физических факторов, влияющих на излучение звука упругими системами. Полученные результаты применяются при разработке рекомендаций по акустическому усовершенствованию самолетов, а также могут быть использованы для создания надежных и эффективных методов прогноза и снижения шума внутри самолетов, ракет и других видов скоростного транспорта от пространственно неоднородных полей пульсаций давления на внешней поверхности с учетом различных механизмов передачи звуковой энергии в салон. Разработанная модель синхрофазирования источников позволяет с новых позиций оценить потенциальные возможности и целесообразность применения системы синхрофазирования на самолетах с винтовыми силовыми установками.
На защиту выносятся
1. Соотношения, определяющие взаимодействие упругой системы с возбуждающим ее неоднородным аэроакустическим полем.
2. Аналитические соотношения для расчета звуковой мощности, излучаемой упруго-инерционной системой под действием неоднородного поля случайных пульсаций давления, при ее преимущественно резонансном и инерционном поведении.
3. Результаты анализа влияния параметров неоднородного поля пульсаций давления на звуковую мощность, излучаемую упругими системами.
4. Новые эффекты усиления излучаемой звуковой мощности, которые проявляются при определенных соотношениях между пространственными масштабами неоднородности, корреляции, фазовой скоростью поля пульсаций давления, длинами упругих волн в конструкции и скоростью их распространения.
23
5. Критерии эквивалентности по воздействию на упругую систему неоднородного поля пульсаций давления и однородного поля с приведенными характеристиками.
6. Критерии определения доминирующего механизма излучения упруго-инерционной системы при ее неоднородном возбуждении.
7. Математическая модель аэроакустического возбуждения конструкции, учитывающая стохастичность флуктуаций амплитуд и фаз при синхрофазировании винтов силовой установки.
8. Аналитические выражения для оценки звукового поля в оболочке, возбуждаемой случайным по амплитуде и фазе неоднородным полем пульсаций давления от двух синхрофазированных источников.
9. Физические принципы, определяющие и ограничивающие эффективность метода синхрофазирования источников для снижения шума в оболочке.
Ю.Результаты экспериментальных исследований структуры полей пульсаций давления до- и сверхзвуковых отрывных течений и излучения звука пластинами под их воздействием.
11.Новый метод прогноза шума в салоне самолета с винтовой силовой установкой по результатам его испытаний в тестовом поле.
24
Апробация работы
Результаты диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на отечественных и международных конференциях:
X и XI Всесоюзных акустических конференциях (Москва, 1983, 1991); XXXIV Научной конференции МФТИ (г.Жуковский, 1985г.); VIII и IX научно-технических конференциях по авиационной акустике (Жуковский, 1986, Суздаль, 1989); XVI научно-технической конференции молодых специалистов ЦАГИ (Жуковский, 1986); XX Ленинградской акустической конференции «Звукоизоляция-88» (Ленинград, 1988); 1,7,8 международных симпозиумах "Transport Noise and Vibration" (Санкт-Петербург, 1992, 2004, 2006); международной конференции "NOISE-93" (Санкт-Петербург, 1993); международных семинарах “High Speed Transport Noise and Environmental Acoustics” (Геленджик, 2003; Тренчин, Словакия, 2005); 7th Seminar TsAGI-ONERA, Жуковский, 2008; семинарах "Авиационная акустика" (Дубна, 1988, 2000, 2006; Звенигород 2007); Пятой Международной Конференции по Проблемам Колебаний ICOVP 2001, (Москва, 2001); научно-технической конференции «Строительная физика в XXI веке» (Москва, 2006); 1 и 7 научно-технических конференциях по гидроавиации (Геленджик, 1996, 2008); 6,8,9,10 международных конгрессах по шуму и вибрациям ICSV (6th Lyngby, Denmark, 1999; 8th Hong Kong, 2001; 9th Orlando, USA, 2002; 10lh Stockholm, Sweden 2003); международных конгрессах Inter-Noise (Hague, Netherlands, 2001; Prague, Czech Republic, 2004); 17,18 международных конгрессах по акустике ICA (17th, Rome, Italy, 2001; 18lh Kyoto, Japan, 2004); Active-95 (Newport Beach, USA, 1995); Third International Conference on Composite Science and Technology (Durban, South Africa, 2000); 'fhe Seventh Western Pacific Regional Acoustics Conference WESTPRAC VII (Kumamoto, Japan, 2000); Forum acusticum Sevilla (Seville, Spain, 2002); 144th Meeting of the Acoustical Society of America (Cancun, Mexico, 2002); EuroNoise 2003 (Naples, Italy, 2003); NOVEM 2005 (Saint Raphael, France, 2005).
25
Структура диссертации.
Диссертация состоит из списка обозначений, введения, семи глав, заключения и списка литературы, содержащего 270 наименований. Общий объем диссертации 314 страниц, включая 144 рисунка и 12 таблиц.
В Главе 1 приводятся основные понятия и характеристики случайных аэроакустичсских полей пульсаций давления. Для описания пространственно неоднородных случайных нолей предлагается использовать спектр пространственных корреляций в виде, описывающем не только конвективные и корреляционные свойства поля, но и степень его пространственной неоднородности. Для количественного описания степени неоднородности поля вводится понятие масштаба неоднородности. Для случая, когда неоднородность описывается экспоненциальной зависимостью, преобразованием Фурье спектра пространственных корреляций получено аналитическое выражение для частотно-волнового спектра.
В конце главы дастся краткий обзор известных методов решения задачи акустического излучения упругих систем.
Главы 2-4 посвящены теоретическому исследованию и экспериментальному подтверждению основных физических явлений и закономерностей, связанных с излучением звука пластинами, возбуо/сдаемыми случайными по пространству и времени неоднородными полями пульсаций давления аэродинамического происхожден ия.
В Главе 2 выводятся соотношения, позволяюпще прогнозировать излучение звуковой энергии упруго-инерционными конструкциями при их нерезонансном поведении. Решается задача излучения звука неограниченной пластиной, подверженной воздействию неоднородного случайного поля пульсаций давления. Получены интегральные соотношения для определения спектральной плотности звукового давления в любой точке полупространства, в которое
происходит излучение, и звуковой мощности, излучаемой единицей ширины пластины при произвольном виде формы неоднородности возбуждающего поля.
Получены асимптотические соотношения для оценки спектральной плотности звукового давления в предельных случаях больших и малых волновых расстояний от точки наблюдения до пластины и соотношения для излучаемой единицей ширины пластины звуковой мощности. Выведено асимптотическое соотношение для оценки звуковой мощности, излучаемой ограниченной пластиной при ее чисто инерционном поведении для случая, когда масштаб неоднородности существенно меньше протяженности пластины. Вводится понятие- «приведенного» однородного поля, эквивалентного по воздействию на пластину рассматриваемому неоднородному полю.
Введено понятие обобщенного масштаба. Показано, что именно этим масштабом определяются основные эффекты, характеризующие излучение звука инерционной пластиной при ее возбуждении неоднородным случайным полем.
Изучено влияние параметров возбуждающего поля на звуковую мощность, излучаемую пластиной при се инерционном поведении.
В Главе 3 оценивается излучение звука тонкостенной конструкцией, связанное с ее резонансным поведением.
Получены аналитические выражения и асимптотические зависимости спектральной плотности обобщенных сил от пространственных масштабов неоднородности, корреляции и фазовой скорости. Выявлены новые эффекты усиления обобщенных сил.
Решена задача определения колебаний и излучения звука тонкой неограниченной и ограниченной пластиной, осциллирующей под действием неоднородного случайного поля пульсаций давления. Получены выражения для определения колебательной энергии и излучаемой звуковой мощности. Изучены основные закономерности поведения упругих систем при их
27
резонансном возбуждении неоднородным полем пристеночных турбулентных пульсаций давления. Для случая широкополосного возбуждения конструкции, когда масштаб неоднородности существенно меньше протяженности пластины, получены асимптотические соотношения для оценки ее колебательной энергии и излучаемой звуковой мощности.
Обнаружены и исследованы эффекты влияния параметров поля внешних сил на звуковую мощность, излучаемую пластиной при ее резонансном поведении.
Показано, что в случае градиентных полей, когда характерные параметры возбуждающего поля изменяются в зависимости от координат, выявленные эффекты усиления также проявляются, хотя и в более завуалированном виде.
Установлены критерии, определяющие доминирующий механизм преобразования конструкцией энергии турбулентных пульсаций в звуковую энергию - инерционный или резонансный.
Глава 4 посвящена экспериментальным исследованиям колебаний и излучения плоских пластин при их неоднородном возбуждении полями пульсаций давления как при дозвуковых, так и при сверхзвуковых скоростях набегающего потока. Дается описание экспериментальных пластин и установок -сверхзвуковой аэродинамической трубы Т-125 и дозвуковой малошумной трубы П-1.
Описана методика измерения пространственно неоднородных спектров пульсаций давления и корреляционных характеристик поля перед прямыми и за обратными уступами, а также в области взаимодействия падающего скачка уплотнения с турбулентным пограничным слоем.
Приводятся результаты исследований по определению характеристик неоднородных полей пульсаций давления, генерируемых дозвуковыми и сверхзвуковыми отрывными течениями, и результаты исследования колебаний и акустического излучения тонких плоских и оребренных пластин, подверженных воздействию таких возбуждающих полей. Приводятся данные о
28
пространственном изменении интенсивности, корреляционных и фазовых характеристиках отрывных течений при взаимодействии скачка уплотнения с турбулентным пограничным слоем, и при обтекании прямых и обратных уступов.
Полученные данные используются для оценки колебаний и акустического излучения пластин по соотношениям, полученным в главе 3. Проводится непосредственное сравнение результатов расчета звуковой мощности, излучаемой пластинами при их дозвуковом и сверхзвуковом обтекании отрывными течениями, с экспериментальными данными.
Главы 5-7 посвящены теоретическому и экспериментальному исследованию звукового поля в подкрепленных оболочках, подверэ/сенных воздействию неоднородных аэроакустических полей.
Глава 5 посвящена исследованию зависимости уровня звукового давления в оболочке от характерных параметров внешних возбуждающих полей.
Для проведения параметрических исследований построена расчетная модель оболочки с параметрами, характерными для фюзеляжной конструкции летательного аппарата. Модель обоснована результатами экспериментальных исследований, проведенных на реальном самолете. Построенная модель используется для исследования влияния параметров неоднородного поля внешних сил на звуковое поле в оболочке. Изучено влияние формы распределения амплитуды и фазы возбуждающего поля по поверхности оболочки на уровни звукового давления внутри нее.
Изучено влияние пространственно-временной структуры неоднородного поля случайных пульсаций давления на создаваемые им уровни звукового давления в оболочке. Предложена модель пространственного распределения амплитуд и фаз по поверхности оболочки, отражающая основные особенности аэроакустического поля от винта на обтекаемой поверхности фюзеляжа. В рамках этой модели показано, что в салоне самолета с винтовым двигателем
должны прослеживаться общие тенденции снижения шума по мере смещения плоскости вращения винта к его хвостовой части за счет уменьшения фазовых скоростей на упругой поверхности в условиях полета.
В Главе 6 разработана математическая модель для оценки влияния синхрофазирования источников шума на звуковое поле в оболочке.
Рассматривается близкая к реальной для салона самолета упругоакустическая система в виде ортотропной цилиндрической оболочки, ограничивающей акустический объем, в поле пульсаций давления от двух синхрофазировашшх источников. При этом учитывается случайная природа флуктуаций амплитуд и фаз, а эффект синхрофазирования определяется на основе интегральной оценки потока звуковой энергии в замкнутый объем. Изучаются основные физические явления, определяющие эффект синхрофазирования. Оцениваются его зависимости от соотношения между вкладами симметричных и антисимметричных упругих мод в звуковое давление в оболочке, от дисперсии флуктуаций амплитуд и. фаз внешнего возбуждающего поля, от диссипации энергии в конструкции и в акустическом« объеме.
Представлены результаты эксперимента по определению эффективности синхрофазирования акустических источников на звуковое поле в салоне пассажирского самолета. Проведено сравнение экспериментальных и расчетных данных.
Глава 7 посвящена разработке нового метода оценки уровней звукового давления внутри фюзеляжа самолета с винтовой силовой установкой. Этот метод предусматривает эксперименты непосредственно на самолёте или на представительных элементах его конструкции (на отсеках фюзеляжа), возбуждаемых реализуемыми в лабораторных условиях тестовыми звуковыми полями, а также расчётные оценки, учитывающие невоспроизводимые в эксперименте особенности реальных аэроакустических полей возбуждения. Он позволяет учесть основные особенности поведения конструкции самолёта в