Full Text

Введение Шум самолета на местности является одним из ключевых вопросов в оценке конкурентоспособности перспективных самолетов [1]. Одним из важнейших источников шума современных самолетов является вентилятор. Так, на взлетном режиме доминирующими источниками шума самолета являются вентилятор и струя двигателя, а для режима захода на посадку наибольший вклад в шум на местности вносят вентилятор и шум обтекания элементов конструкции планера самолета [2]. Одним из основных способов снижения шума вентилятора является облицовка каналов авиационного двигателя звукопоглощающими конструкциями (ЗПК). Они представляют собой многослойные панели, геометрические и механические свойства которых (толщина слоев, размер и форма ячеек, процент перфорации, материал конструкций и заполнителя, тип клея и т.д.) подбираются таким образом, чтобы обеспечить этим конструкциям определенный акустический импеданс. Импеданс ЗПК должен быть таким, чтобы звук, излучаемый вентилятором на определенной частоте или в полосе частот, испытывал максимальное затухание при распространении в канале заданной геометрии, полностью или частично облицованном этими ЗПК. Стоит отметить, что данное требование к свойствам звукопоглощающих конструкций не эквивалентно требованию максимизации коэффициента звукопоглощения этих конструкций на данной частоте (или в полосе частот). Связь между геометрическими и механическими параметрами ЗПК, с одной стороны, и их акустическим импедансом - с другой, весьма сложна [3-13]. Как следствие, применение новых материалов (в частности, полимерных композиционных материалов) для звукопоглощающих конструкций требует дальнейших расчетно-экспериментальных исследований влияния параметров ЗПК на их импеданс. И наоборот, появление ЗПК с новыми характеристиками (меньший вес, меньшая толщина и т.д.) позволяет облицовывать звукопоглощающими конструкциями большую поверхность каналов авиационного двигателя, что, в свою очередь, может приводить к изменению оптимального импеданса, который должны реализовывать ЗПК. Для определения оптимального импеданса ЗПК необходимо знание звукового поля в канале, который предполагается этими ЗПК облицевать. Звуковое поле в каналах обычно описывается с помощью разложения по модам (азимутальным и радиальным), так что знание звукового поля сводится к знанию его модального состава [14]. Решение задачи о распространении звуковых мод в канале, частично или полностью облицованном ЗПК, позволяет определить импеданс ЗПК, обеспечивающий максимальное затухание звука при его распространении вдоль канала [15-18]. Таким образом, для выбора геометрических и механических параметров звукопоглощающих конструкций, устанавливаемых в каналах авиационных двигателей, необходимо знание модального состава звукового поля в этих каналах. Проблеме идентификации модального состава распространяющегося в канале шума вентилятора посвящено большое число экспериментальных исследований (их краткий обзор можно найти, например, в работе [19]). Применяемые в этих исследованиях экспериментальные методы определения модального состава включают измерения микрофонными решетками, установленными внутри канала [20-23] или вне него [23-26]. В данной работе исследуется возможность идентификации азимутальных мод, излучаемых из канала воздухозаборника, с помощью плоской многомикрофонной решетки, установленной вне канала, результаты измерений которой обрабатываются с помощью метода плоского бимформинга [27]. Основная идея метода состоит в когерентном суммировании результатов измерений различных микрофонов для улучшения сигнала, излучаемого из фокусной точки, и минимизации вкладов сигналов из всех остальных точек. Таким образом, метод бимформинга представляет собой способ сложения данных, измеренных микрофонами, с целью определения пространственного распределения источников шума. В простейшем случае метода бимформинга результаты измерений микрофонов складываются с задержкой по времени, где величина задержки зависит от положения фокуса и положения микрофона. Когда источник звука находится в фокусной точке, результаты измерений микрофонов складываются когерентно, что приводит к усилению сигнала, а когда источник находится вне фокуса - некогерентно. Такой метод бимформинга хорошо себя зарекомендовал для локализации изолированных точечных источников звука. Существуют модифицированные методы бимформинга, где учитывается, например, эффект распределенности [28] или эффект вращения источника звука [29]. Однако в ситуациях, когда источники звука разнородны и двигаются различным образом (если часть источников покоится, а часть вращается или же если источники вращаются в разные стороны - такие ситуации возникают, например, для винта с пилоном или для открытого ротора), - создание алгоритма бимформинга, учитывающего эти различия, может быть затруднительным. В этом случае применяется какой-то существующий метод бимформинга и проводится анализ того, как он локализует эти разнородные источники звука. Действительно, даже если источник звука не обладает теми свойствами, которые у них предполагает используемый метод бимформинга, эти источники, тем не менее, могут проявить себя на картах локализации источников, полученных с помощью этого метода. Например, в работах [30, 31] было показано, что метод плоского бимформинга, примененный к открытому ротору, ошибочно локализует источник шума вне лопастей ротора в одной точке, положение которой меняется в зависимости от направления вращения лопастей. Тем не менее проведенный анализ [30, 31] позволил сформулировать методику определения источников тонального и широкополосного шума открытого ротора с помощью метода плоского бимформинга. В данной работе метод плоского бимформинга применяется для идентификации вращающихся звуковых мод, излучаемых из канала воздухозаборника авиационного двигателя. Мотивацией такого исследования служило то обстоятельство, что микрофонная решетка бимформинга используется для локализации источников шума двигателя при испытаниях на открытом стенде, и идентификация с ее помощью азимутального состава шума, излучаемого из канала воздухозаборника, существенно увеличила бы объем получаемой при испытаниях информации. При этом наличие как покоящихся, так и вращающихся источников шума двигателя делает разработку соответствующей модификации метода бимформинга, как и в вышеприведенном случае открытого ротора, затруднительной. Как следствие, в данной работе для идентификации вращающихся мод также применяется метод плоского бимформинга. Исследования проводились в отсутствие потока на специально созданном генераторе вращающихся мод, установленном в заглушенной (безэховой) камере. Отсутствие потока позволило исключить возможное влияние рефракции звука на излучение азимутальных мод из канала [32] и изолировать тем самым эффект вращения мод. Насколько известно авторам, такое исследование проводится впервые. Оборудование и аппаратура, используемая в эксперименте Разработанную установку для генерации вращающихся мод можно условно разделить на три основные части (рис. 1): 1 - канал для распространения мод; 2 - платформа; 3 - генератор звука. Рис. 1. Схема установки для генерации вращающихся мод В качестве канала, по которому распространяются звуковые моды, использовался воздухозаборник авиационного двигателя ПС-90. Применение полномасштабного воздухозаборника облегчает перенос результатов, полученных в данном исследовании, на результаты измерений натурного двигателя на открытом стенде. Диаметр цилиндрической части воздухозаборника равен 2 м, высота 1,2 м. Масса воздухозаборника составляет 450 кг. Другой важной частью установки является подвижная платформа, которая одновременно позволяет разместить на одной ее стороне тяжелый воздухозаборник, а систему источников звука на обратной стороне. Платформа изготовлена из 4 листов фанеры толщиной 21 мм, уложенных в 2 слоя, слои повернуты друг относительно друга на 90 градусов. Габариты платформы 2×2 м. По углам платформы установлены поворотные колеса таким образом, чтобы они не попадали в область воздухозаборника. По окружности внутреннего контура воздухозаборника в платформе сделаны 34 отверстия диаметром 40 мм, на равном расстоянии друг от друга, через которые в канал излучается звук. Система источников звука состоит из 34 драйверов JBL 2451H, позволяющих генерировать звуковой сигнал в частотном диапазоне до 25,6 кГц, с уровнями звукового давления до 160 дБ. Драйверы закреплены под платформой соосно с отверстиями. Генерация сигналов выполняется программно в специализированном программном обеспечении PULSE Labshop. Генерируемый сигнал усиливается через 2-канальные усилители мощности B&K 2716 и подается на драйверы. Для регистрации положения источников шума используется 54-канальная микрофонная антенна Bruel & Kjaer. Диаметр антенны в раскрытом положении равен 2,5 м. Геометрия антенны и расположение микрофонов оптимизировано по динамическому диапазону, уровень фантомных источников не менее чем на 9-15 дБ меньше уровня максимального источника шума на данной частоте (полосе частот). На каждом из 9 лучей антенны располагается 6 четвертьдюймовых микрофонов поля давления типа B&K 4944-W-008. Такие микрофоны предназначены для измерений на высоких частотах и при высоких уровнях звукового давления. Чувствительность микрофонов - 1,0 мВ/Па, диапазон частот - от 4 до 70000 Гц, динамический диапазон - 30-170 дБ, поляризующее напряжение - 0 В. Полученные сигналы передаются с микрофонов на анализаторы спектра типа B&K 3055-В-120 семейства LAN-XI с частотным диапазоном до 25,6 кГц, а затем в специализированное программное обеспечение PULSE. Данное программное обеспечение позволяет просматривать и сохранять результаты, извлекать измерения из базы данных, выполнять расчеты локализации акустических источников в заданном диапазоне частот с помощью метода бимформинга. В центре антенны установлена веб-камера, на изображение с которой накладывается результат локализации акустических источников. Для обеспечения условий измерений, близких к свободному полю (то есть в отсутствие отражений от стен помещения), исследования проводились в заглушенной камере лаборатории механизмов генерации шума и модального анализа Пермского национального исследовательского политехнического университета. Звукопоглощающее покрытие камеры представляет собой клинья из базальтового супертонкого волокна, облицованные акустически прозрачной стеклотканью [33]. Клинья собраны в блоки по 5 штук, размерами 1×1 м в основании и высотой 0,8 м. Размеры самой камеры (длина 10 м, ширина 6,7 м, высота 5 м), а также жесткий пол позволяют размещать в ней габаритные и тяжелые установки. Метод локализации источников шума с помощью плоского бимформинга в условиях заглушенной камеры хорошо известен и успешно применялся авторами для локализации источников шума обтекания [34-35]. В данной работе этот метод впервые применяется к вращающимся звуковым модам, излучаемым из канала. Проведение экспериментальных исследований и анализ результатов Рис. 2. Настройка уровня источников звука Для обеспечения одинакового уровня звукового давления на всех 34 источниках звука предварительно проводилось их выравнивание. С этой целью использовался контрольный микрофон типа B&K 4944-W-008, установленный в центре воздухозаборника (рис. 2). На каждый динамик задавалось напряжение, обеспечивающее уровень звукового давления на выходе (124 ± 0,5) дБ. В качестве задаваемого сигнала для настройки источников по уровню задавался белый шум. Общий уровень сигнала оценивался по всему диапазону частот (25,6 кГц). Расстояние от микрофонной антенны до источника звука выбирается из расчета разрешающей способности антенны и может составлять от 1 до 4 ее диаметров (2,5-10 м), однако для получения наилучшего разрешения на поверхности данное расстояние должно быть как можно меньше. В заглушенной камере микрофонная антенна располагалась на расстоянии 3,6 м от центра воздухозаборника (рис. 3). Рис. 3. Измерения микрофонной антенной В процессе экспериментального исследования измерения проводились для шести вариантов модального состава: нулевая азимутальная мода (поршневая), +7 мода, -7 мода, +10 мода, -10 мода, +10 -7 моды. Звук генерировался на частоте 1000 Гц. Ниже приводятся результаты локализации источника звука в соответствующей третьоктавной полосе частот. Результат локализации источника звука для нулевой моды приведен на рис. 4. Ядро источника находится на оси воздухозаборника, максимальный уровень звукового давления в ядре источника составляет 126,7 дБ. Результат локализации источника звука для +7 моды приведен на рис. 5. Ядро источника смещено относительно 0 точки оси координат на 0,35 м по оси Х и на -0,15 м по оси Y. Максимальный уровень звукового давления в ядре источника 125,6 дБ. Рис. 4. Режим «0 мода». Результат локализации источника звука в третьоктавной полосе 1000 Гц Рис. 5. Режим «+7 мода». Результат локализации источника звука в третьоктавной полосе 1000 Гц Результат локализации источника звука для -7 моды приведен на рис. 6. Ядро источника смещено относительно 0 точки оси координат на -0,4 м по оси Х и на -0,2 м по оси Y. Максимальный уровень звукового давления в ядре источника 125,6 дБ. Результат локализации источника звука для +10 моды частот приведен на рис. 7. Ядро источника смещено относительно 0 точки оси координат на 0,55 м по оси Х и на -0,1 м по оси Y. Максимальный уровень звукового давления в ядре источника 125,2 дБ. Рис. 6. Режим «-7 мода». Результат локализации источника звука в третьоктавной полосе 1000 Гц Рис. 7. Режим «+10 мода». Результат локализации источника звука в третьоктавной полосе 1000 Гц Результат локализации источника звука для -10 моды частот приведен на рис. 8. Ядро источника смещено относительно 0 точки оси координат на -0,6 м по оси Х и на -0,1 м по оси Y. Максимальный уровень звукового давления в ядре источника 125,8 дБ. Результат локализации источника звука для +10 -7 моды (т.е. при одновременном возбуждении двух мод: +10 моды и -7 моды) приведен на рис. 9. В этом случае идентифицируются два источника. Ядро первого смещено относительно 0 точки оси координат на -0,55 м по оси Х и на -0,1 м по оси Y, что соответствует смещению источника на режиме «+10 мода». Ядро второго источника смещено относительно 0 точки координат на -0,4 м по оси Х и на -0,25 м по оси Y, что соответствует смещению источника на режиме «-7 мода». Максимальный уровень звукового давления в ядре источника 127,7 дБ. Рис. 8. Режим «-10 мода». Результат локализации источника звука в третьоктавной полосе 1000 Гц Рис. 9. Режим «+10 -7 мода». Результат локализации источника звука в третьоктавной полосе 1000 Гц Результаты, приведенные на рис. 4-9, свидетельствуют о том, что метод плоского бимформинга локализует вращающиеся моды в точке (наличие размытой области источников на картах локализации связано с разрешающей пространственной способностью микрофонной решетки на данной частоте). Этот результат аналогичен результату применения метода плоского бимформинга к шуму открытого ротора [30-31], где шум вращающихся источников (открытого ротора) также локализовывался в точке. Важно отметить, что метод плоского бимформинга локализует различные азимутальные моды, излучаемые из канала воздухозаборника, в разных точках. Для положительных и отрицательных мод одного номера точки локализации источника звука располагаются зеркально относительно центра воздухозаборника (см. рис. 5-6 для ±7 мод и рис. 7-8 для ±10 мод). Это зеркальное расположение локализуемых источников также соответствует тому, что было получено в [30-31] для противоположных направлений вращения лопастей. Таким образом, имеет место качественное совпадение полученных в данной работе результатов для вращающихся мод с результатами [30-31] для шума открытого ротора. Основной результат проведенного исследования состоит в том, что метод плоского бимформинга позволяет идентифицировать вращающиеся моды и их комбинации. Ядра источников различных мод локализуются в разных точках (при этом положительные и отрицательные моды располагаются зеркально относительно нулевой точки оси координат), что в принципе позволяет различать моды между собой и тем самым определить модальный состав излучаемого шума. Стоит сказать, что если число мод велико (что обычно имеет место для авиационных двигателей), области локализации этих мод могут накладываться друг на друга, затрудняя процедуру определения модального состава. Представляется, что в этом случае применение метода плоского бимформинга позволит идентифицировать только доминирующие азимутальные моды (моды с самой большой амплитудой). Однако с точки зрения выбора параметров ЗПК именно эти моды и представляют основной интерес, так как импеданс ЗПК подбирается таким образом, чтобы обеспечить затухание в канале именно доминирующих мод. Кроме того, на результаты, полученные с помощью бимформинга для натурного авиационного двигателя, может оказать влияние эффект рефракции звука на потоке, создаваемом вентилятором двигателя. Эффект рефракции может приводить к сдвигу локализуемого источника звука по сравнению с его истинным положением. Однако стоит подчеркнуть, что данная работа нацелена на применение метода плоского бимформинга к измерению модального состава шума, и в этом смысле положение локализуемого источника не имеет существенного значения при условии, что источники, соответствующие разным модам, можно разделить и идентифицировать. Возможность такой идентификации звуковых мод с помощью метода плоского бимформинга в условиях испытаний натурного авиационного двигателя требует специального изучения. Таким образом, можно рекомендовать дальнейшие исследования по применению данного метода к измерению модального состава шума авиационного двигателя в условиях открытого стенда. Однако стоит отметить, что локализация с помощью метода плоского бимформинга вращающейся моды, излучаемой из воздухозаборника, должна уже сейчас учитываться при анализе результатов локализации источников шума авиационного двигателя. Действительно, возникающие на картах локализации точечные источники звука на кромке воздухозаборника [36] должны, по всей видимости, связываться с излучаемым шумом вентилятора, а не с другими возможными источниками шума, такими как наличие вихря на кромке воздухозаборника, вибрация конструктивных элементов и т.д. Заключение Результаты испытаний показали, что метод плоского бимформинга локализует вращающуюся звуковую моду в точке, положение которой зависит от номера моды (это явление во многом аналогично результатам применения метода плоского бимформинга к шуму винта или открытого ротора). Был сделан вывод, что измерения вращающихся мод, излучаемых из воздухозаборника, с помощью метода плоского бимформинга в принципе позволяют определить модальный состав шума в канале, но практическая реализуемость этого метода для натурного авиационного двигателя требует специального исследования. Факт локализации вращающейся моды в точке необходимо учитывать при анализе источников шума авиационного двигателя, измеренных с помощью метода плоского бимформинга.

About the authors

Yu V Bersenev

OJSC Aviadvigatel

Email: bersenev@avid.ru

T A Viskova

OJSC Aviadvigatel

Email: fadeeva-ta@avid.ru

I V Belyaev

Central Aerohydrodynamic Institute (TsAGI)

Email: aeroacoustics@tsagi.ru

V V Palchikovskiy

Perm National Research Polytechnic University

Email: vvpal@bk.ru

O Yu Kustov

Perm National Research Polytechnic University

Email: kustovou@yandex.ru

V V Ershov

Perm National Research Polytechnic University

Email: er.vittore@gmail.com

R V Burdakov

OJSC Aviadvigatel

References

Statistics

Views

Abstract - 221

PDF (Russian) - 179