АЭРОАКУСТИКА

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.

Лит.: Гутин Л. Я., О звуковом поле вращающегося воздушного винта, "ЖТФ ", 1936, т. 6, с. 899; Блохинцев Д. И., Акустика неоднородной движущейся среды, 2 изд., M., 1981: эрогидромеханический шум в технике, пер. с англ., M., 1980; Голдстейн M. E., Аэроакустика, пер. с англ., M., 1981; Мунин А. Г., Кузнецов В. M., Леонтьев E. А., Аэродинамические источники шума, M., 1981; Авиационная акустика, ч. 1-2, M., 1986; Lighthill M. J., On sound generated aerodynamically. I-II, "Proc. Roy. Soc. Ser. A", 1952, v. 211, № 1107, p. 564; 1954, v. 222, №1148, p. 1. А. Г. Мунин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.