Аэроакустика - раздел физики, находящийся на стыке аэродинамики и акустики, в к-ром изучаются проблемы аэродинамич. генерации звука, акустики движущихся газовых потоков, взаимодействия звука с потоком и методы снижения аэрошумов. А. в осн. имеет дело со звуком, создаваемым аэродинамич. силами и возмущениями, к-рые возникают в самом потоке, а не приложенными извне силами или колебаниями, как в классич. акустике. Впервые теоретич. вопросы образования звука при движении потоков жидкости были рассмотрены Дж. Рэлеем (1877). Однако практич. применение А. получила позднее, после работ Л. Я. Гутина о шуме вращения винта (1936), Д. И. Влохинцева по акустике движущейся среды (1946) и M. Д. Лайтхилла (M. J. Lighthill) о шуме турбулентных струй (1952-54).
Аэрошумы можно разделить на два класса: образующиеся при смешении частиц
среды в потоке и при обтекании потоком твёрдых тел. К первому классу
можно отнести шум струи, ко второму - шум обтекания проводов (т. н.
эоловы тона), винтов, вентиляторов и т. д. Шумы гидродинамич.
происхождения изучает гидроакустика.
Осн. причиной аэродинамич. генерации звука является образование вихрей (см. Вихревое движение)и
их ускоренное движение в неоднородном поле течения при обтекании тел,
помещённых в потов, а также при истечении газа в покоящуюся или
движущуюся среду. Нестационарные составляющие потока в пограничных слоях
около обтекаемых тел или в свободных слоях, таких как зона смешения
струи, приводят к непрерывной генерации вихрей и увеличению турбулентности потока. Вследствие сжимаемости среды часть энергии потока уходит на бесконечность в виде акустич. излучения.
Для образования аэрошумов важную роль играют тепловые процессы,
протекающие при горении, а также в потоках нагретых газов, для к-рых,
помимо завихренности потока, существенны неоднородности энтропии,
проявляющиеся в виде температурных пятен. Энтропийные неоднородности, с
одной стороны, индуцируют дополнит. завихренность, а с другой -
непосредственно генерируют звук.
Осн. ур-нием А. является неоднородное конвективное волновое ур-ние (наз.
ур-нием Блохинцева - Хоу), к-рое при условии адиабатичности, т. е.
постоянстве энтропии, имеет вид;
где 
,Н - энтальпия, 
-- завихренность, S - энтропия, T - температура, 
-
скорость потока, с - скорость звука, t - время. При этом энтальпия
торможения В связана со звуковым давлением р соотношением:
(
- плотность среды).
Уравнение (*) - следствие законов сохранения массы и кол-ва движения, а также
ур-ния состояния идеального газа. Левая часть ур-ния описывает распространение
звука в произвольном неоднородном потоке, правая - характеризует источники звука,
внутренне связанные с потоком и определяемые завихренностью потока и градиентами
энтропии.
Источники звука локализуются в тех областях
потока, где завихренность и градиенты энтропии отличны от нуля; вне этих областей
звук только распространяется, взаимодействуя
с безвихревым изэнтропийным осн. потоком. На основании ур-ния (*) можно получить
в общем виде выражение для определения звукового давления. Однако практич. применение
его ограничено вследствие сложности решения, поэтому в А. пользуются упрощающими
предположениями и аналогиями.
Для турбулентных струй применяется аналогия Лайт-хилла, согласно к-рой
значения энтропии и плотности струи считаются постоянными и равными
значениям этих величин в окружающей среде, а также считается, что
излучение звука струёй происходит в неподвижную среду; обратное
воздействие излучённого звука на поток при этом не учитывается. В этом
случае ур-ние (*) принимает вид:
где тензор напряжения 
- плотность и скорость звука в невозмущённой среде. T. о., согласно аналогии
Лайтхилла турбулентный поток вызывает такие флуктуации плотности и давления,
к-рые образуются в стационарной среде под действием напряжений 
.
Предположения, лежащие в основе теории Лайтхилла. справедливы при малых числах
M потока (M - Маха число ).При больших числах M становятся
существенными эффекты рефракции и рассеяния звука, вызванные влиянием скорости
потока в струе, и аналогия Лайтхилла неприменима. Для дозвуковых турбулентных
струй Лайтхилл установил подтверждённый впоследствии экспериментально "закон
восьмой степени" зависимости мощности шума от скорости истечения струи.
В результате для турбулентной струи оказалось возможным найти спектр шума, создаваемого
всей струёй и её отд. участками, расположенными на разл. расстояниях от начала
истечения.
Турбулентная струя создаёт широкополосный,
практически сплошной шум; максимум звуковой мощности наблюдается при Струхаля
числе 
(где
D и 
- диаметр
и скорость струи в нач. сечении на выходе из трубы, сопла,
- характерная частота звуковых колебаний). Вблизи выходного сопла излучается
высокочастотный шум, вдали - низкочастотный. Осн. часть звуковой мощности (~80%)
генерируется участком струи длиной, равной 10 диаметрам струи на выходе из сопла.
При сверхзвуковых скоростях истечения в спектре шума струи отчётливо проявляются
дискретные составляющие, обусловленные скачками уплотнения в струе и колебаниями
всей струи.
Несмотря на то, что акустич. энергия струи составляет всего 0,1% её
кинетич. энергии, с ростом мощности источников шума (реактивные и
ракетные двигатели самолётов и ракет), шум, создаваемый струями,
достигает высоких уровней, и поэтому разрабатываются эфф. меры по
снижению шума выхлопных струй, как активные, так и пассивные. Активные -
предусматривают воздействие на процесс турбулентного перемешивания
струи с окружающей средой с целью интенсификации перемешивания и
уменьшения градиента ср. скорости, т. е. снижения шума в источнике,
пассивные - предназначены для снижения уже образовавшегося шума с
помощью звукопоглощающих конструкций и материалов и установки преград на
пути распространения звука.
Для воздушных винтов используется подход Гутина, в к-ром действие движущихся лопастей на окружающую среду заменяется моделью источников в виде элементарных сил давления, распределённых по лопасти, и моделью источников, обусловленных вытеснением среды телом лопасти. Спектр шума винта имеет гармонич. составляющие, частота к-рых пропорциональна произведению числа лопастей на число оборотов винта; в спектре также присутствуют составляющие широкополосного шума обтекания лопасти и дискретные составляющие, обусловленные вытеснением объёма среды лопастью. Шум других лопаточных машин (компрессор, вентилятор, турбина) аналогичен шуму винта, однако в спектре их снижается доля дискретных составляющих и возрастает роль вихревого шума обтекания, что обусловлено увеличением числа лопастей (лопаток) и скоростью вращения машины.
В ряде случаев скорость обтекания достигает
скорости звука и даже становится больше её, что приводит к возрастанию вихревого
шума и появлению звуковых колебаний, связанных с появлением ударных волн. Большую
роль в образовании шума многоступенчатых лопаточных машин играют нестационарные
аэродинамич. нагрузки на лопасти, обусловленные влиянием аародинамич. следа
от лопастей предыдущего аппарата. Снижение шума таких источников достигается
в результате уменьшения окружной скорости, увеличения расстояния между направляющим
аппаратом и рабочим колесом, увеличения числа и ширины лопастей у воздушного
винта и т. д.
Значит. внимание в А. уделяется вопросам распространения звука в канале с импедансными стенками (см. Импеданс акустический
),что обусловлено необходимостью создания глушителей шума,
обеспечивающих снижение шума по пути его распространения. Решение ур-ния
(*) позволяет для известного в нач. сечении канала звукового поля
подобрать импеданс
стенок, обеспечивающий макс. снижение шума в выбранном диапазоне
частот. Выбор характеристик импеданса определяется уровнем звукового
давления в канале, скоростью потока и параметрами пограничного слоя
на стенке. Наличие газового потока в канале, движущегося в направлении
распространения звуковой волны, приводит к снижению затухания в области
низких частот и увеличению его в области высоких по сравнению с
затуханием в канале без потока. При распространении звука против потока
затухание увеличивается на низких частотах и уменьшается на высоких.
А. Г. Мунин
|
|
 |
