Автореферат (Прогнозирование и снижение шума на местности легких винтовых самолетов), страница 3

Приотсутствии системы шумоглушения, например, у СУ самолета «Ан-2» с 4-х лопастным винтомна максимальном режиме работы η≈0,055%, что в несколько раза ниже, чем у самолетов с 2-хлопастными винтами (η≈0,123% у СУ самолета «Вильга-35А» и η≈0,15% у СУ самолета «Як18Т»). При наличии в выхлопном тракте двигателя глушителя шума выхлопа акустическийКПД существенно снижается (η≈0,01% у СУ самолета «МАИ-223М» (двигатель заключен вкапот) и η≈0,012% у СУ самолета «МАИ-890У» (двигатель без капота)).У силовых установок с двухтактными поршневыми двигателями воздушногоохлаждения при отсутствии системы шумоглушения (малоразмерный БПЛА) величинаакустического КПД существенно возрастает и на режиме максимальной мощности СУсоставляет ~1,1%.

При это суммарный уровень шума СУ БПЛА определяется, в основном,первыми 10-ю гармониками шума двигателя и первыми 5-ю гармониками шума вращения12винта. Например, вклад первых пяти гармоник шума вращения винта в суммарнуюинтенсивность акустического излучения СУ БПЛА составляет на режиме малого газа ~38%,на крейсерском режиме ~23%, на режиме полного газа только ~3%, а остальная акустическаяэнергия излучается двигателем. В шуме силовой установки БПЛА, включающей двухтактныйпоршневой двигатель воздушного охлаждения и винтокольцевой движитель, при отсутствии ввыхлопном тракте двигателя глушителя шума выхлопа, определяющим источником внешнегошума является поршневой двигатель.Поскольку двухтактные двигатели, по сравнению с четырехтактными, характеризуютсяболее высокими значениями литровой мощности и, соответственно, меньшими габаритами имассами, то двухтактные двигатели являются более предпочтительными для малоразмерныхЛА.

Однако в этом случае при разработке современных малоразмерных БПЛА следуетучитывать определяющую роль излучения от двухтактного поршневого двигателя в шумесиловой установки и принимать меры по снижению шума ЛА на местности с учетомкомпоновки СУ на ЛА.На основании выполненных в диссертации экспериментальных исследований былиполучены нормализованные обобщенные характеристики направленности суммарногоизлучения винтомоторных СУ и отдельных его составляющих. Результаты обобщены для СУс толкающими и тянущими воздушными винтами. Максимальные уровни суммарногоизлучения соответствуют направлению 0° в передней полусфере и 105°-120° в заднейполусфере для обоих типов СУ (рисунок 3а). Максимумы характеристики направленностиизлучения на частоте первой гармоники шума вращения винта наблюдаются в направлении45°-60° в передней полусфере и 105°-120° в задней полусфере (рисунок 3б).156△L=Lφ – Lφ=0, дБ42Ан-20-2МАИ223М-4-6△L=Lφ – Lφ=0, дБосредненнаяосредненная105Ан-20МАИ223М-5F30F30-8-10-100 15 30 45 60 75 90 105120135150165φ, града)0 15 30 45 60 75 90 105120135150165φ, градб)Рисунок 3 – Нормализованные характеристики направленности суммарного излучения (а) ипервой гармоники шума вращения винта (б) для винтомоторных СУ с тянущими винтами13Характеристики направленности суммарного излучения и излучения на частотах,кратных частоте следования лопастей винта являются характерными для источниковдипольного типа, оси которых направлены по нормали к поверхности лопасти наотносительном радиусе, соответствующем максимуму распределенной вдоль размаха лопастиаэродинамической нагрузки.Получены обобщенные характеристики направленности акустического излученияавиационных поршневых двигателей, применяемых в малой авиации.

Характерные максимумыакустического излучения авиационных поршневых двигателей соответствуют углам азимута 0°- в передней полусфере и 135-150° - в задней полусфере (рисунок 4). Полученные факторынаправленности используются в предложенной автором методике расчета шума авиационныхДВС.△L=Lφ – Lφ=0, дБ50осредненная-5ROTAX-912ULS-10АШ-62ИР-15ROTAX-582UL-20015 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165φ, градРисунок 4 - Обобщенные характеристики направленности акустического поля авиационныхбензиновых двигателей с внешним смесеобразованиемПри исследовании автомодельности процессов генерации широкополосного шумадозвуковым воздушным винтом было установлено, что влияние числа Рейнольдса наинтенсивность вихревого (широкополосного) шума воздушного винта проявляется в различиипоказателей степени зависимости интенсивности излучения от характерной скорости обтеканияпрофиля лопасти при работе винта в различных диапазонах чисел Рейнольдса.

В данной работеустановлен интервал чисел Рейнольдса lgRe=6,36 6,5, в котором работают малонагруженныевинты ЛВС. Экспериментально получена зависимость интенсивности вихревого шума отхарактерной скорости обтекания профиля лопасти в степени ~5. Эта зависимость непротиворечит результатам исследований других авторов и свидетельствует о том, что вихревая14пелена за лопастями винта является доминирующим источником вихревого шума СУ самолетовтипа «Ан-2» и «Вильга-35А».В результате экспериментального исследования влияния капотирования двигателя наакустические характеристики авиационной поршневой СУ получено, что заключениедвигателя (ROTAX-912ULS) в капот приводит к существенному снижению (до ~7 дБ) уровнязвуковой мощности основного тона двигателя на всех рассматриваемых режимах работы.125LW, дБ120двигательзаключен вкапот115110двигатель безкапота1051004000420044004600480050005200частота вращения коленвала двигателя, об/минРисунок 5 – Влияние капотирования двигателя на уровень звуковой мощности основного тонадвигателя при различных режимах работы СУВыполненная количественная оценка вклада основного тона двигателя в суммарнуюзвуковую мощность СУ сверхлегких самолетов типа «МАИ-223М» (двигатель заключен вкапот) и «МАИ-890У» (двигатель без капота) показала существенное снижение роли основноготона в суммарном шуме СУ за счет капотирования.Капотирование двигателя может быть рассмотрено как один из конструктивных методовснижения шума на местности легкомоторных самолетов.Экспериментально установлено, что уменьшение диаметра винта может являтьсяодним из средств снижения шума ЛВС на местности.

На примере самолетов F-30 и «МАИ223М экспериментально показано, что при сохранении неизменными тяги и частоты вращения,снижение шума винта можно получить, если уменьшить скорость потока в концевом сечениилопастизасчетнекоторогоуменьшениядиаметра(на≈3,3%)и,соответственно,компенсирующего увеличения шага винта. Снижение суммарного уровня звуковой мощностисиловой установки самолета составляет при этом до ~1,5 дБ (рисунок 6) в широком диапазонечастот вращения.LW, дБ151281271261251241231221211201191181600F30 (d=1,74м)МАИ-223М(d=1,8м)17001800190020002100частота вращения винта, об/минРисунок 6 – Влияние окружной скорости винтов различного диаметра на суммарный уровеньзвуковой мощности (16-10000 Гц) при различных режимах работы СУСнижениешумаСУобусловленоснижениемшумавоздушноговинтаотаэродинамической нагрузки при незначительном снижении шума от «вытеснения».Таким образом, применение на ЛВС воздушного винта меньшего диаметра посравнению со штатным можно рассматривать как один из методов снижения шума наместности ЛВС, у которых винт является доминирующим источником шума.На основании полуэмпирической модели шума винта получено соотношение дляопределения влияния диаметра винта на уровень звуковой мощности СУ при условиисохранения геометрического и аэродинамического подобия винтов.В результате экспериментального исследования влияния зазора между толкающимвинтом и крылом на уровень шума ЛВС на местности установлено, что увеличение зазорамежду плоскостью вращения винта в толкающей компоновке и задней кромкой крыла приводитк снижению уровней гармонических составляющих шума винта.

Увеличение рассматриваемогозазора можно использовать как метод снижения шума ЛВС с толкающими воздушнымивинтами. Полученное снижение суммарного гармонического шума винта на 6,3 дБ приувеличении нормализованного расстояния (x/c, где x – расстояние между плоскостью вращениявинта и задней кромкой крыла, c – хорда крыла) между винтом и крылом от x/c=0,13 доx/c=0,22 хорошо согласуется с данными зарубежных работ (рисунок 7).Этот эффект следует учитывать при разработке новейших ЛВС и БПЛА с различнымивинтовыми движителями в толкающей компоновке.16Рисунок 7 - График затухания гармонических составляющих шума винта с увеличением зазорамежду винтом и крылом: 1,2 – данные работ зарубежных авторов.

Точка 3 на графике результаты данного исследованияВ разделе 3 предложен метод расчета общего акустического поля винтомоторных СУ,как суперпозиции полей поршневого двигателя и воздушного винта. Метод расчета шума винтабазируется на полуэмпирической модели шума. Алгоритм реализуется в программномкомплексе «АЭРОШУМ» ЦАГИ. При этом исходная модель скорректирована с учетомполученных в диссертации данных о зависимости интенсивности широкополосного (вихревого)шума от скорости потока. А также в алгоритм добавлена корректирующая функцияучитывающая влияние осевого зазора между толкающим винтом и расположенными перед нимэлементами планера на шум толкающего винта.Расчет шума двигателя осуществляется по предложенной автором методике оценкишума авиационных поршневых двигателей, характерных для легкомоторной авиации.В частности, на рисунке 8 показаны рассчитанные и измеренные характеристикинаправленности суммарного уровня шума поршневого двигателя «ROTAX-912ULS» начастотах, кратных частоте следования вспышек в цилиндрах.

Получено хорошее согласованиерассчитанных и измеренных уровней шума. Коэффициент детерминации (R2), который являетсяпоказателем качества предложенной расчетной модели R2>0,87, что свидетельствуют охорошем качестве предложенной модели при решении задачи прогнозирования шума типовыхавиационных двигателей.17Предложенный в работе метод расчета общего акустического поля винтомоторных СУдает хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных в диапазоне частот,определяющем суммарный уровень шума СУ.L, дБ8482Расчет80Измерения78767472700153045607590105120135150165φ, градРисунок 8– Характеристика направленности шума поршневого двигателя ROTAX-912ULS безкапота (nкв=4101 об/мин, на расстоянии 30 м)Раздел 4 посвящен проблеме акустической заметности ЛА с винтовыми движителями.Проведено исследование субъективной возможности обнаружения ЛА наблюдателем (на слух).В соответствии с поставленными задачами было выполнено экспериментальное исследованиеинтегральных и спектральных характеристик природного фона, исследование критериев аудиозаметности, а также разработана и использована на практике методика расчета координатграниц неслышимости БПЛА с винтомоторной силовой установкой.В результате выполненных измерений спектральных характеристик природногоакустическогофонавусловияхаэродромабазированиямалойавиацииполученынормализованные графические матрицы третьоктавных спектров уровней звукового давленияприродного акустического фона в приземном слое (рисунок 9) для локальной природноклиматическойзоны.Установленызначениядоверительныхинтерваловдляоценокматематического ожидания спектральных уровней звукового давления фона для 90%-йнадежности для различных значений метеорологических параметров, характеризующихсостояние атмосферы.Акустическое излучение, соответствующее природному акустическому фону, являетсяширокополосным в диапазоне частот 16-10000 Гц.

Форма спектров природного акустическогофона – спадание интенсивности спектральных составляющих по частоте -согласуются с18известной моделью распада вихрей в турбулентном приземном слое атмосферы. В спектрахфона можно выделить, по крайней мере, четыре диапазона частот, в которых отмечаетсяхарактерное изменение уровней спектральных составляющих по частоте. Возможно, что этидиапазоны частот соответствуют различным источникам (или механизмам генерации звука)природного происхождения.Рисунок 9 - Спектры природного акустического фона при измерениях в течение 1мин с шагом5с.