Въведение, Теория на звука - Акустично изчисление в Ansys CFX
Глобалната тенденция за увеличаване на комфорта на въздушната технология диктува нови правила, сега технологията не трябва просто да лети - а да лети икономично, като същевременно създава възможно най-малко неудобства за хората. Един от основните фактори, създаващи дискомфорт е шумът, като със стойност над 80 dB той се счита за вреден за човека.
Аерошумовете могат да бъдат разделени на два класа: тези, които се образуват при смесването на частици от средата в потока и при обтичане на твърди тела. Първият клас включва струйния шум, вторият - шумът от обтичането на проводници (т.нар. еолови тонове), витла, вентилатори и др. Шумовете от хидродинамичен произход се изучават от хидроакустиката.
Като част от шума, излъчван от главния ротор, се различават вихров (или широколентов) шум, шум от въртене на лопатките и пукане на лопатките. Въпреки че разликата между тези компоненти не е толкова голяма, колкото изглежда на пръв поглед, такава класификация е полезна при представяне на резултатите.
Създаването на тихо и ефективно витло е много сериозен проблем, тъй като тези две характеристики обикновено стоят отделно една от друга. За разработването на такива винтове е необходимо да се използват нови материали или дизайнерски идеи.
Въпреки че хеликоптерът е най-тихият VTOL самолет, нивото на шума, който причинява, все още е доста високо. Това може да се превърне в значителен недостатък на хеликоптера, ако в процеса на проектиране не се вземат специални мерки за намаляване на шума. Тъй като изискванията за шум от въздухоплавателни средства стават все по-строги, изследването на излъчването на шум от ротора в процеса на проектиране на хеликоптер става важно. Поради периодичността на потока около лопатките на витлото, спектърът на шума е забележимо концентриран близо до честоти, които са кратни на честотата NQпреминаването на лопатките (фиг. 1.1). Излъчването на шум е причинено от факта, че компонентите на силите на повдигане и съпротивление, които са постоянни по големина, се въртят заедно с лопатките, както и от промяната във високочестотните компоненти на тези сили. Във високочестотната област се наблюдава разширяване на спектралните линии, което е свързано със случайни промени в параметрите на потока, по-специално с колебания в натоварванията, възникващи под въздействието на свободни вихри. Акустичното налягане се променя с течение на времето главно с период отn/NQ, с резки пикове на налягането, възникващи поради локални аеродинамични явления като свиваемост и промени в натоварването, предизвикани от завихряне. Като част от шума, излъчван от главния ротор, се различават вихров (или широколентов) шум, шум от въртене на лопатките и пукане на лопатките. Въпреки че разликата между тези компоненти не е толкова голяма, колкото изглежда на пръв поглед, такава класификация е полезна при представяне на резултатите.
Вихровият или широколентов шум е високочестотен свистящ звук, чиито честоти и амплитуди се модулират от периодичен сигнал с честотата на преминаване на лопатките. Този шум е случаен по природа и е свързан със случайни промени в натоварванията върху лопатките. Енергията на такъв шум се разпределя в значителна част от звуковия честотен спектър, който за основен ротор е приблизително от 150 до 1000 Hz с максимум около 300-400 Hz. (Трябва да се отбележи, че обхватът на човешкия слух е 100-20000 Hz с максимално възприятие при честота от 1000 Hz) Шумът от вихровия ротор се причинява главно от произволни промени в повдигането, дължащи се на преминаването на перката в турбулентната следа. Крайните вихри играят специална роля в създаването му. Други източници на вихров шум включват промяната в силите върху лопаткитепоради напречни вихри, спускащи се от задния ръб, турбулентност на настъпващия поток, както и отделяне и турбулентност на граничния слой. (Имайте предвид, че самото име "вихров шум" отразява първоначалната концепция за връзката му с лента от напречни вихри, подобни на тези, образувани при обтичане около цилиндър. Максималният интензитет на ротационния шум пада върху много ниски честоти, така че няколко ниски хармоници може изобщо да не попаднат в чуваемия диапазон. Така че, ако преобладава ротационният шум, това не е най-неприятният случай за възприятието. Като се има предвид предвид възприятието, вихровият шум често се оказва преобладаващ.
Фигура 1.1 - Шумов спектър на ротора
Ротационният шум се определя от чисто периодична промяна в акустичното налягане, създадено от периодичното силово действие на лопатките върху въздуха. Спектърът на такъв шум се състои от дискретни честотни линии, които са кратни на честотатаNQна преминаването на лопатките. Ротационният шум доминира в нискочестотната част на спектъра и в случай на основен ротор съответства на честоти от незабележими. Шумът от въртене може да причини вибрации на конструкциите на хеликоптера и увреждане от умора. В допълнение, нискочестотният шум се разпространява добре в атмосферата, докато високите хармоници се разпадат по-бързо далеч от хеликоптера. Ето защо, на големи разстояния от хеликоптера, пляскането на лопатките и шумът от въртенето на главния ротор са от най-голямо значение. Хеликоптерът обикновено се открива акустично по шума от въртенето на главния ротор.
Шумът се измерва в специални единици - децибели (dB), определени от коефициента
Логаритмичната скала се използва, защото отразява по-добре разликите в порядъка на големината на аудио сигналите и способността на слуха да реагира на шума пропорционално на логаритъма на неговата мощност. Дебитакустичната енергия в дадена точка на полето се определя от стойността
къдетоpе смущението на налягането и е скоростта на смутеното движение на средата. Моментната стойност е енергията, излъчена на единица площ. В далечното поле смутената скорост и налягане са свързани със съотношението, така че интензитетът на енергийния поток се определя от израза
където е скоростта на звука, е средната стойност на плътността на въздуха, е средната квадратична стойност на звуковото налягане. По този начин интензитетът на акустичното излъчване се определя от средното квадратично налягане. Органите на слуха и конструкцията на самолета реагират на отклонението на стойността на налягането от атмосферното налягане. Следователно шумът се характеризира с нивото на звуково наляганеSPL(ниво на звуково налягане), измерено в децибели по отношение на референтното наляганеSPL=20lg.
За референтно налягане обикновено се приема. По този начин кривата на спектралната плътност на средното квадратично налягане може да се разглежда като закон за честотното разпределение на звуковата енергия.