Диссертация (Прогнозирование и снижение шума на местности легких винтовых самолетов), страница 7

Можно видеть, что спектрыизлучения СУ самолета «Ан-2» содержат как дискретные составляющие в области частотниже 1000 Гц, так и широкополосные составляющие на частотах свыше 1000 Гц.Источниками гармонического излучения являются все периодические процессы вдвигателе, редуктор двигателя и воздушный винт. При определении частот гармоническихсоставляющих в шуме двигателя обычно рассматривается два типа гармоник: гармоники,34частота которых кратна частоте следования вспышек топливной смеси в одном цилиндре (fц),и гармоники, частота которых кратна частоте вспышек смеси в цилиндрах двигателя в целом(fд).

Для поршневого двигателя, как ранее было отмечено, частоты дискретных составляющихв шуме равны:гармоники шума одиночного цилиндра -гармоники шума двигателя (всех цилиндров) – fд = k fц i;;где k – номер гармоники, nкв – частота вращения коленвала двигателя (об/мин), i – числоцилиндров в двигателе, - тактность двигателя.Частота гармоник шума винта () определятся как произведение частотывращения винта (nв, об/с) на число лопастей (zв) и на номер гармоники. Частоты дискретныхсоставляющих шума для каждой шестерни редуктора определяются произведением числазубцов на частоту вращения шестерни.Для рассматриваемого на рисунках 2.4, 2.5 режима работы двигателя значения частотпервых гармоник шума одиночного цилиндра и двигателя в целом равны, соответственно,17,53Гц и 157,81 Гц, а частота первой гармоники шума вращения 4-х лопастного винта равна96,88Гц.Рисунок 2.4- Узкополосный спектр акустического излучения силовой установки самолета«Ан-2» в диапазоне частот 0-1000 Гц (Режим 6, φ=120°)Вузкополосномспектре(рисунок2.4)выделяетсячастоколдискретныхсоставляющих, наиболее заметными из которых являются гармоники шума вращения винта(выделяется до 10-ти гармоник в диапазоне частот 100-1000 Гц), и гармоническиесоставляющие излучения шума цилиндра до 10-ти гармоник в диапазоне частот 1-200 Гц (на35рисунке 2.4.

обозначены первые девять гармоник на частотах, кратных частоте следованиявспышек в цилиндрах). Остальные дискретные составляющие в спектре акустическогоизлучения СУ самолета Ан-2 могут быть отнесены к излучению зубчатых шестерен редуктораи различных агрегатов СУ.В третьоктавном спектре излучения (рисунок 2.5) выделяются несколько характерныхмаксимумов уровней звукового давления в полосах с центральными частотами 31,5 Гц, 100Гц, 200 Гц, 315 Гц.

В эти полосы попадают 2-я, 6-я и 7-я гармоника шума одиночногоцилиндра (35,94 Гц, 106,25 Гц, 123,44 Гц), три гармоники шума вращения винта (96,88 Гц,193,76 Гц и 290,64 Гц). В области частот свыше 1000 Гц присутствует только широкополосноеизлучение.Одним из источников широкополосного шума СУ самолета является турбулентныйслед за лопастями винта, для которого ожидаемая частота шума наибольшей интенсивности,определенная из соотношения для критерия подобия Струхаля и геометрических параметровпрофиля лопасти, равна 612 Гц, что согласуется с частотой характерного максимума в спектрена рисунке 2.5. Это подтверждает важную роль турбулентного следа за лопастями в генерациивинтом излучения с непрерывным по частоте спектром.110SPL, дБ10090807010100частота, Гц100010000Рисунок 2.5 - Третьоктавный спектр акустического излучения силовой установки самолетаАн-2 в диапазоне частот 16-10000 Гц (Режим 6, φ=120°)При изменении режима работы СУ самолета в сторону увеличения или уменьшениямощности спектр акустического излучения также изменяется – происходит соответствующееизменениеуровнейспектральныхсоставляющихсоставляющих (рисунок 2.6, режимы 2,4,6 - таблица 1).исмещениечастотдискретных36120Режим 2SPL, дБ100Режим 4Режим 680604010100частота, Гц100010000Рисунок 2.6 – Влияние режима работы на третьоктавный спектр акустического излучения СУв направлении φ=105°Энергетические характеристики акустического излучения СУНа основании измеренных в 13-ти точках акустического поля третьоктавных иузкополосных спектров уровней звукового давления выполнен энергетический анализакустического поля силовой установки самолета.

Суммарный уровень звуковой мощности, атакже уровни звуковой мощности отдельных составляющих излучения рассчитывались всоответствии с соотношением [70]:(∫) ,(2.1)где R - расстояние от источника до точки измерения шума, φ – угол направления излучения исоответствующий ему уровень звукового давления – L.На рисунке 2.7 представлены измеренные уровни звуковой мощности: суммарногоакустического излучения (16-10000 Гц) силовой установки самолета; излучения на частотах 1й гармоники шума вращения винта и 7-й гармоники шума цилиндра двигателя; суммарногоизлучения СУ в диапазоне частот 16-100 Гц, суммарного гармонического излучения напервых 10-ти гармониках, кратных частоте следования вспышек в цилиндрах, в зависимостиот числа Маха окружной скорости потока в концевом сечении лопасти винта.37150Суммарный уровень звуковоймощностиLW, дБ140Уровень звуковой мощности 1-йгармоники шума вращения винтаСуммарный уровень звуковоймощности в диапазоне частот 16100 Гц130120Уровень звуковой мощности 7-йгармоники шума цилиндра110Сумма 10-ти гармоник начастотах, кратных частотеследования вспышек в цилиндрах0,40,50,60,7Мокр0,80,9Рисунок 2.7 – Влияние режима работы СУ на суммарный уровень звуковой мощности (1610000 Гц), а также на уровни звуковой мощности отдельных составляющих излученияМожно видеть, что суммарный уровень звуковой мощности для всех режимов работыСУ определяется излучением в области частот низких частот (16 – 100 Гц).

При этом уровниакустической мощности излучения на частотах первой гармоники шума вращения винта и 7-йгармоники шума цилиндра практически одинаковы при числах Маха окружной скоростиMокр< 0,64, а при Мокр > 0,72 уровни мощности излучения цилиндров на частоте 7-й гармоникии суммарного излучения первых 10-ти гармоник с ростом Мокр даже несколько уменьшаются.При повышенных режимах работы СУ (Мокр > 0,72) излучение на частоте следования лопастейвинта начинает фактически определять суммарный уровень звуковой мощности СУ самолета.Представляетинтересспектральных составляющих (мощность:провестиколичественнуюоценкувкладаакустического излучения СУ в суммарную (различных) звуковую, %.Результаты такой оценки приведены в таблице 2.2 и на рисунке 2.8, где обозначено:W(16-100Гц)- суммарная мощность излучения в диапазоне частот 16-100 Гц, W1в –мощностьизлучения на частоте 1-й гармоники шума вращения винта, W2в –мощность излучения начастоте 2-й гармоники шума вращения винта, W7ц –мощность излучения на частоте 7-йгармоники шума цилиндра, W∑1-5в – суммарная звуковая мощность первых пяти гармоникшума вращения винта, W∑1-10ц – суммарная звуковая мощность первых 10-ти гармоник начастотах, кратных частоте следования вспышек в цилиндрах, Wш-вч – мощность суммарногоширокополосного излучения в области частот 1000-5000 Гц.38Таблица 2.2 – Вклад различных составляющих акустического излучения СУ самолета всуммарную мощность акустического излучения в диапазоне частот (16-10000 Гц) дляразличных режимов работы№режима(МОКР)W(16-100 Гц),(%)W1в,(%)W2в,(%)W7ц,(%)W∑1-5в, (%)W∑1-10ц, (%)Wш-вч,(%)1 (0,42)70614827360,82 (0,49)501471031220,73 (0,57)763352641550,64 (0,64)7329101742340,65 (0,72)785110564140,46 (0,80)70,670,31529450,4100∆1гв, %90∆2гв, %∆, %8070∆3гв, %60∆4гв, %50∆5гв, %40∆7ц, %30∆ (16-100), %20∆∑гвинта, %1000,350,450,550,65Мокр0,750,85∆∑гцилинд,%Рисунок 2.8 - Оценка вклада различных спектральных составляющих акустического излученияв суммарную звуковую мощность СУ самолета Ан-2 в статических условияхКак видно из табличных данных (таблица 2.2) и графиков на рисунке 2.8, основная доляэнергии (до 78%) акустического излучения СУ легкого винтового самолета при умеренныхвеличинах числа Маха окружной скорости Мокр≤ 0,72 сосредоточена в области низких частот(16-100 Гц) и важную роль здесь играет низкочастотная широкополосная составляющаяизлучения и гармоническая составляющая излучения на частотах, кратных частоте следованиявспышек в цилиндрах, и излучения на частоте следования лопастей винта.

Обращает на себявнимание (таблица 2.2) тот факт, что значительная доля энергии (до 55%), излучаемой начастотах, кратных частоте следования вспышек в цилиндре, при Мокр = 0,57 (режим 3)39сравнима с долей энергии (до 41%), излучаемой на частотах первых пяти гармоник шумавращения винта.Роль высокочастотного широкополосного акустического излучения (1000-5000 Гц) вобщей акустической мощности силовой установки невелика и доля этого излучения в общейакустической мощности силовой установки не превышает 1% (таблица 2.2) во всемрассматриваемом диапазоне чисел Маха окружной скорости. Источником данного типаизлучения может быть вихревая пелена, образующаяся за вращающимися лопастями.Ранее[25,26]былоустановлено,чтомощностьакустическогоизлучениямалонагруженного воздушного винта, у которого доминирующими являются источникидипольного типа, пропорциональна числу Маха характерной скорости обтекания профилялопасти в восьмой степени “Мокр8”, квадрату коэффициента тяги винта ―α2” и коэффициентумощности “β”:̅*̅+,(2.2)где c1 – эмпирический коэффициент пропорциональности, d – диаметр винта (м), a –максимальная толщина аэродинамического профиля винта на эффективном радиусе (м), ̅ –относительный радиус винта, c0 – скорость звука (м/с), z – число лопастей, bэ – хорда лопастив эффективном сечении (м),– плотность воздуха (кг/м3), n – частота вращения воздушноговинта (об/с).В связи с этим представляет определенный интерес оценить соответствие этихзакономерностей экспериментальным данным на примере акустического излучения силовойустановки в целом.