Метод тестового поля для прогноза шума в салоне винтового самолета

Том XXXIX

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2 008

№4

УДК 534.83:629.735.33

МЕТОД ТЕСТОВОГО ПОЛЯ ДЛЯ ПРОГНОЗА ШУМА В САЛОНЕ ВИНТОВОГО САМОЛЕТА

Б. М ЕФИМЦОВ, А. Я. ЗВЕРЕВ, В. В. ЧЕРНЫХ

Разработан полуэмпирический метод тестового поля для прогноза шума в салонах самолетов с винтовой силовой установкой. Метод позволяет учесть основные особенности поведения реальной фюзеляжной конструкции в процессе передачи звуковой энергии от внешних источников и особенности формирования акустических полей в салоне самолета на ранних стадиях его создания. Метод предусматривает эксперименты на самолете или на представительных элементах его конструкции, возбуждаемых реализуемыми в лабораторных условиях тестовыми звуковыми полями, а также расчетные оценки, учитывающие невоспроизводимые в эксперименте особенности реальных аэроакустических полей возбуждения. Отработаны экспериментальные и расчетные процедуры, реализующие предложенный метод.

Получение надежных оценок шума в салоне самолета с винтовой силовой установкой является чрезвычайно сложной задачей. Вследствие того, что реальные фюзеляжные конструкции самолета и ограничиваемый ими акустический объем салона представляют собой довольно сложные упруго-акустические системы, точно описать их поведение в аэроакустическом поле практически не представляется возможным. Это усугубляется сложностью самих аэроакустических полей на поверхности фюзеляжа самолета, в спектре которых преобладают низкочастотные дискретные составляющие, соответствующие основной лопастной частоте винта и его низшим гармоникам.

В последние годы успешно развиваются численные методы для решения подобных задач. Однако реализуемые численные модели также не могут отразить все особенности конструкции, которые оказывают влияние на передачу звуковой энергии в салон и кабину экипажа самолета. Как правило, расчетные оценки на основе аналитических и численных подходов не обеспечивают требуемую достоверность прогноза. Поэтому обычно проводится серия экспериментальных работ на разных стадиях создания самолета, в результате которых осуществляется уточнение ожидаемых уровней шума внутри него и реализуются акустические доработки. Тем не менее, окончательные конструктивные решения, направленные на снижение шума внутри самолета, как правило, принимаются только после проведения его летных испытаний.

Из изложенного ясно, насколько актуально создание такого метода прогноза шума в салонах пассажирских самолетов, применение которого гарантировало бы достоверные оценки ожидаемых уровней звукового давления внутри самолета на ранних стадиях его создания. Именно такие своевременные и достоверные оценки ожидаемого шума внутри самолета может обеспечить полуэмпирический метод тестового поля. Этот метод предусматривает эксперименты непосредственно на самолете или на представительных элементах его конструкции (например, на отсеках фюзеляжа), возбуждаемых реализуемыми в лабораторных условиях тестовыми звуковыми полями, а также расчетные оценки, учитывающие невоспроизводимые в эксперименте особенности реальных аэроакустических полей возбуждения.

Метод тестового поля позволяет учесть основные особенности поведения конструкции самолета в процессе передачи звуковой энергии от внешних источников и формирования акустических полей внутри самолета на ранних стадиях его создания.

В данной статье изложена суть этого метода, описаны отработанные экспериментальные и расчетные процедуры, реализующие его, и продемонстрирована возможность его практического применения в приложении к самолетам с винтовой силовой установкой.

1. Прогноз шума в отсеке самолета, основанный на применении метода тестового поля, можно схематически представить следующим образом.

Строится расчетная модель упруго-акустической системы.

Из возможных возбуждающих полей, которые можно реализовать в лабораторных условиях, выбирается тестовое поле, характеристики которого наиболее близки к характеристикам реального аэроакустического поля возбуждения.

На исследуемом самолете или на его представительном фюзеляжном отсеке (или на его масштабной модели, изготовленной по той же технологии, что и оригинал) тестовым источником создается возбуждающее поле.

Проводятся измерения характеристик тестового поля на поверхности и звукового поля внутри объекта.

Проводится расчет уровней звукового давления внутри объекта на основе какого-либо аналитического или численного метода, причем характеристики возбуждающего поля берутся из эксперимента. Если не удалось получить удовлетворительного совпадения результатов расчета с экспериментальными данными, модель расчета уточняется данными, полученными в ходе дополнительных экспериментальных работ, в которых уточняются структурные моды, доминирующие акустические моды, коэффициенты диссипации и т. п., до тех пор, пока не будет достигнуто приемлемое совпадение. Если и после всех усовершенствований расчетной модели не удалось достичь удовлетворительного совпадения, необходимо заменить модель расчета и повторить все сначала. В случае получения приемлемого соответствия экспериментальных и расчетных данных уточненную таким образом расчетную модель можно считать адекватной и использовать ее для определения влияния особенностей структуры реального аэроакустического поля возбуждения.

В расчетную модель вместо характеристик тестового поля возбуждения вводятся характеристики реального аэроакустического поля (измеренные или рассчитанные) и определяются ожидаемые уровни внутри самолета. Таким образом, на основе данного метода тестового поля можно получить достоверные оценки шума в самолете для реального поля возбуждения.

2. Отработка экспериментальных и расчетных процедур, реализующих метод тестового поля, и апробация практического его применения проводились на модельном отсеке фюзеляжа самолета, возбуждаемого винтом в кольце. Отсек (рис. 1), изготовленный в масштабе 1 :3 по отношению к размерам натурного отсека и геометрически подобный ему, представляет собой цилиндрическую оболочку из алюминиевого сплава диаметром 0.9 м, протяженностью 3 м и толщиной обшивки 0.6 мм, подкрепленную стрингерами и шпангоутами. Шаг между стрингерами 43 мм, шаг между шпангоутами 130 мм. В отсеке установлены пол и подкрепленная перегородка. Торцы отсека закрываются дюралевыми заглушками толщиной 20 мм. В центре каждой

а) б)

Рис. 1. Вид отсека: а — снаружи; 6 — изнутри

заглушки имеется отверстие для трубы координатного устройства. Координатное устройство состоит из двух частей — внутренней и внешней. Внутренняя часть координатного устройства представляет собой трубу диаметром 60 мм. Труба имеет прорезь, в которой передвигаются две каретки со штангами, на которых закрепляются микрофоны. На каждой штанге расположено по три микрофона. Внешняя часть координатного устройства представляет собой ажурную акустически прозрачную конст-рукцию, по которой передвигаются микрофоны.

Экспериментальные исследования проводились на акустическом стенде ЦАГИ (г. Дубна), который представляет собой комплекс из трех звукомерных камер: одной заглушенной объ-

о а

емом 750 м и двух реверберационных объемом 210 и 220 м (рис. 2). В зависимости от поставленных задач камеры стенда могут функционировать как самостоятельные установки, либо работать в комплексе. У камер отсутствуют структурные связи друг с другом и с конструкцией здания, они имеют раздельные фундаменты и установлены на специальные резиновые амортизаторы. Три камеры последовательно соединены двумя проемами для установки опытных панелей размерами 2.2 х 1.5 или 1.5 х 1.5 м. В случае работы любой звукомерной камеры в самостоятельном режиме граничащие с ней один или два проема закрываются заглушками.

Внутренние поверхности заглушенной камеры облицованы звукопоглощающими клиньями. Камера оборудована акустически прозрачным сетчатым полом. Оборудование и испытываемые конструкции устанавливаются на металлических консолях, жестко закрепленных в бетонном основании пола. Диффузное поле в реверберационных камерах обеспечивается их скошенными стенами и высокой отражательной способностью всех поверхностей.

Оценка акустических характеристик камер показала, что они удовлетворяют требованиям ГОСТ в диапазоне частот 125—8000 Гц. В заглушенной камере на расстояниях, удаленных от клиньев более чем на 1 м, реализуются условия свободного пространства. В реверберационных камерах реализуется классическое диффузное звуковое поле. При этом уровень помех в каждой

из камер не превышает порогового значения /?0 = 2 • 10~5 Па практически во всем звуковом диапазоне частот.

Для регистрации и анализа сигналов использовались многоканальный измерительный тракт с прецизионной аппаратурой и компьютер с системой аналого-цифрового преобразования и анализа данных. С компьютера также осуществлялось управление измерительной аппаратурой и координатными устройствами.

3. Для расчета звукового поля в оболочке, подверженной воздействию неоднородного по пространству аэроакустического поля, могут быть применены различные методы. При этом предпочтение следует отдавать методам, которые позволяют вносить коррективы в расчетные параметры, используя имеющиеся экспериментальные данные. В данной работе использовался модифицированный энергетический метод, удовлетворяющий этому требованию. Соотношения, полученные на основе этого метода для оценки уровней звукового давления в моделирующей отсек фюзеляжа самолета оболочке, возбуждаемой аэроакустическим полем, приведены в работе [1]. Они позволяют определить вклад различных акустических мод в звуковое поле в оболочке с учетом их взаимодействия с модами упругой конструкции. При этом динамические характеристики рассматриваемой упруго-акустической системы (частоты, формы колебаний, коэффициенты диссипации упругих и акустических мод) могут задаваться исходя из более или менее сложных аналитических или численных моделей и уточняться по мере накопления экспериментальных данных.

В настоящей работе формы собственных колебаний, собственные частоты и коэффициенты потерь упругой конструкции были определены экспериментально. Были получены характеристи-

П" , ..............,.."И- 'Д.,. ......

Т {.-----------------------------------------1---------11,0---

Рис. 2. Схема акустического стенда АК-11

f d

h

b

a

важ,

m 11 10 9

1 N

Рис. 3. Расположение точек и сечений, в которых проводилось измерение уровней звукового давления

при возбуждении отсека диффузным полем

ки 11 нижних форм колебаний отсека без перегородки (80—305 Гц) и 15 форм колебаний отсека с перегородкой (60—340 Гц). Все эти данные непосредственно использовались при расчетах.

Формы собственных колебаний акустического объема Ф, г) принимались в мультипликативном виде: ¡¡р (х, Д г) = (ф, (*). При этом формы акустических мод в поперечном

сечении отсека í¡„(ú, г) и соответствующие им собственные частоты рассчитывались методом

конечных элементов для сегмента круга с углом раскрытия 230°. Рассчитанные три низшие собственные частоты имели значения 221, 298, 411 Гц. Формы акустических мод в продольном направлении (х) для отсека без перегородки определялись из условия акустически жестких торцев.

Для проверки правильности расчетной модели были проведены испытания отсека при его акустическом возбуждении диффузным полем. Отсек без перегородки был расположен в ревер-берационной камере. Измерения проводились в третьоктавных полосах частот. Звуковое поле внутри отсека измерялось в 20 поперечных сечениях, в каждом из которых было 27 точек измерения — по 9 на каждом из трех радиусов (рис. 3). Сравнение измеренных и рассчитанных осредненных по пространству уровней звукового давления в отсеке показало, что расчетная модель удовлетворительно описывает поведение конструкции при ее широкополосном возбуждении. В диапазоне частот 200, 250, 315 Гц расхождение между измеренными и рассчитанными уровнями не превысило 0.4 дБ. Таким образом, испытания в диффузном поле показали, что построенная расчетная модель может быть принята за основу при дальнейших расчетах с возможностью ее усовершенствования.

4. Для успешного прогноза шума в салоне самолета необходимо знание пространственно-временной структуры поля пульсаций давления на его поверхности. В данной работе характеристики реального аэроакустического поля на поверхности отсека были получены при его возбуждении вращающимся винтом в кольце.

Эксперимент по определению этих характеристик проведен в заглушенной камере (рис. 4). В отличие от эксперимента в диффузном поле исследования проводились на отсеке с перегородкой. Аэроакустическое поле на поверхности модельного отсека создавалось одиночным двухлопастным винтом толкающего типа в кольце, приводимого в движение четырехтактным авиационным двигателем «Rotax 532». Диаметр винта 1.24 м. Продольное сечение кольца подобно профилю крыла. Минимальный внутренний диаметр составляет 1.24 м; максимальный внешний диаметр 1.46 м; максимальная толщина профиля кольца 120 мм; расстояние от носка профиля кольца до плоскости вращения винта 0.29 м; длина кольца 0.723 м. Мощность, подводимая к винту — 64 л. с. (~47 кВт). Число оборотов винта поддерживалось примерно постоянным таким образом, что основная лопастная частота составляла 80 Гц.

При измерениях использовалось пять внешних микрофонов (М4, М8, М9, MIO, MI 1) и шесть внутренних (MI, М2, М3, М5, Мб, М7). Исходное расположение микрофонов показано на рис. 4. Расстояние от оси отсека до внутренних микрофонов MI, М2, М3 (и до М5, Мб, М7) составляло соответственно 80, 225, 400 мм. Внешние микрофоны были установлены на расстоянии 10 мм от обшивки. Внутренние микрофоны MI, М2, М3 находились в сходственных точках с микрофоном М9,

Рис. 4. Схема расположения отсека и винта в кольце

а микрофоны М5, Мб, М7 — с микрофоном М11. Расстояние между микрофонами М9 и М11 равнялось 1200 мм. Микрофон М4 был закреплен на жесткой штанге и располагался в одной плоскости с микрофоном М9, угловое расстояние между ними составляло 90°. Аналогичным образом были установлены микрофоны М10 и MI 1.

Результаты эксперимента показали, что поле на поверхности отсека от винта в кольце является сильно неоднородным, узкополосным и хорошо коррелированным.

5. Исходя из того, что тестовое поле, моделирующее реальное поле от винта в кольце, также должно быть узкополосным, неоднородным и хорошо коррелированным на поверхности отсека, в качестве тестового источника звука был выбран акустический диполь. При этом было исследовано два варианта возбуждения отсека с перегородкой: свободным акустическим диполем и диполем в кольце. Акустический диполь представлял собой два близко расположенных громкоговорителя. Источником сигнала служил генератор чистого тона. Измерения проводились в основном на частоте возбуждения 240 Гц, что соответствовало третьей гармонике вращения испытываемого винта и основной лопастной частоте вращения винта реального самолета, моделью которого является возбуждаемый отсек. Оба варианта эксперимента с диполем проводились в заглушенной камере.

На рис. 1 ,а показано взаимное расположение отсека и диполя при первом варианте испытаний — со свободным диполем. Расположение сечений, в которых проводились измерения, показаны на рис. 5. Расстояние между сечениями было постоянным и равнялось 78 мм. В окружном направлении звуковое поле измерялось от 60 до 300° с шагом 15°. Микрофон № 1 являлся опорным. Внутренние державки с микрофонами №3—5 и № 6—8 были жестко связаны друг с другом и передвигались одновременно либо в окружном направлении, либо в продольном направлении. Внешняя штанга, на которой располагалась тележка с микрофоном № 2, являлась акустически прозрачной и не вносила помех при определении характеристик внешнего поля. При этом внешний микрофон № 2 также был жестко связан

Рис. 5. Схема расположения отсека и свободного акусти- с внутренними микрофонами № 3 5 (нахо-

ческого диполя дился с ними в сходственных точках). Внут-

< ( < ЭТТТ1Г1 ГП НИИггщ *1 II (1 1 1 1 1 1 1 1 1 J II I 1 ! Ij < °i 1 1 N 11 и 1 1 ¡ i ¡ 1 i 1 í l|< ВТТШТГТГП *11111111» m *111111111111

...... < N í llí 1 1 MÍ i lí f i ílj] ! П i ¡i 1111 i 111

Г 1 i 700— 1.300 ' *

L-¡f А

А-А

МИГ

ренние микрофоны находились на расстояниях 100, 225, 370 мм от оси отсека. Внешний микрофон размещался на расстоянии 10 мм от обшивки.

Во втором варианте эксперимента с диполем использовался тот же кольцевой капот, с которым проводились испытания винта. Акустический диполь подвешивался в кольце таким образом, что его центр находился на расстоянии -0.7 минимального радиуса кольца (рис. 6). Минимальное расстояние между кольцом и отсеком составляло -0.25 м. На поверхности отсека измерения проводились в двух сечениях: в продольном направлении при д = 75° с шагом 80 мм и в окружном направлении при х = 0.85 м с шагом Лд=15°.

В результате экспериментов, проведенных со свободным и закапотированным акустическим диполем, были получены амплитудно-фазовые характеристики пульсаций давления на поверхности отсека и измерены уровни звукового давления внутри него при возбуждении свободным диполем. Достаточно большой объем информации, полученный в ходе экспериментов, позволил судить о достоверности данных как по полю возбуждения, так и по уровням внутри отсека.

На рис. 7 в качестве примера показано распределение уровней звукового давления внутри отсека по его длине при Ф=75°. При этом значении Ф, как и при всех других углах, проявляется эффект существенного уменьшения уровней звукового давления в середине большей части отсека (в окрестности максимума интенсивности возбуждающего поля). Величина измеренного уменьшения уровней варьируется примерно от 10 дБ при Ф=180° до 30 дБ при Ф=285°. Этот эффект наблюдается даже для микрофона, находящегося непосредственно у обшивки отсека (г = 370 мм) в окрестности точки максимума интенсивности возбуждения. Такое распределение

на поверхности

90

80

—г — 100 мм «* .г = 225 мм -т*г= 370 мм

30 • -—*...1...Л...*................1.................1...Л...« I...............« «...|...і...л........л...^....і...»...1...л....

0 0.5 1 1.5 2 2.5 *,М

Рис. 7. Распределение уровней звукового давления по длине отсека на поверхности и внутри него в плоскости, проходящей через точку максимума интенсивности

уровней звукового давления внутри отсека говорит о том, что поле давления в нем определяется не локальным прохождением звука, а связано исключительно с эффектом взаимодействия упругих мод оболочки с акустическими модами данного объема.

6. Полученные результаты позволили выбрать в качестве тестового источника свободный диполь, так как характеристики поля на поверхности отсека при его возбуждении свободным диполем наиболее близки характеристикам аэроакустического поля от винта в кольце.

Расчет звукового поля в отсеке с перегородкой, возбуждаемом свободным акустическим диполем, проводился по модели, ранее оттестированной в диффузном поле на отсеке без перегородки. Разница состояла в частотах и формах колебаний упругой конструкции. Для упрощения расчетной модели было сделано предположение, что формы колебаний двух акустических объемов, находящихся по разные стороны от перегородки, не связаны друг с другом. Другими словами, предполагалось, что перегородка является абсолютно жестким акустическим экраном. Однако расчет, проведенный по этой модели, не дал удовлетворительного совпадения с экспериментальными данными.

Поэтому первоначальная упрощенная модель была усовершенствована с учетом того, что колебания акустической среды в отсеке являются связанными. Для расчета собственных частот акустического объема в отсеке в продольном направлении была использована модель колебаний воздушного столба в одномерном резонаторе с жесткими торцами и инерционной перегородкой. Собственная частота колебаний такой системы определяется из частотного уравнения:

где а — длина резонатора, <1 — расстояние от торца до перегородки, тп — поверхностная масса

имеют значения 94.2, 129, 197, 246 Гц.

Для подтверждения правильности расчета частот отсека с перегородкой был проведен дополнительный эксперимент. Для нескольких точек внутри оболочки были получены спектры тукового давления при изменении частоты возбуждающего оболочку дипольного источника нагрузки. На рис. 8 приведены полученные таким образом спектры для точек с координатами л: = 0.35 и 0.75 м. Исходя из вида полученных спектров, разумно предположить, что первый из максимумов давления обусловлен первым резонансом поперечного сечения 221 Гц. Промежуточный максимум в окрестности частоты 240 Гц, который проявляется в точке х = 0.35 ми ге проявляется при л; = 0.75 м, определяется модой с индексами (1,1), имеющей узел в точке х = 0.75 м. Рассчитанная частота данной моды равняется 240 Гц. Последний максимум на рис. 8 )бусловлен модой с индексами (2,1) с частотой 256 Гц. Отсутствие в спектре резонансного пика : частотой 246 Гц, которая соответствует моде (4,0), можно объяснить слабым возбуждением (анной моды полем диполя. Таким образом, показано, что рассчитанные собственные частоты юлебаний акустической среды в оболочке согласуются с полученными из эксперимента.

И1 ]г

sin (ка) + —— sin (kd) sin (ка - kd) = 0, Po

перегородки. При массе перегородки

рассчитанные низшие собственные частоты

Формы акустических мод в продольном

,ДБ

направлении принимались в виде

лялся из условия

венно следующего из результатов вышеупомянутых экспериментов с дипольным источником звука, в которых проявляется резкий провал уровней звукового давления в точке с коорди-

= cos(£,jc + у,), где kt = 2nfi /Cq ; \|/г = 0 при і = 2,3,4. При / = 1 фазовый сдвиг ^ опреде-

непосредст-

Л...¿.ШІ....1 Г»...І I (|..I, Д.,, 1 .1,

240 Ш J

JUJ г *

/Гц натой * = 0.75 м.

ш ш я»

ис. 8. Изменение уровней звукового давления в фик-ярованных точках внутри отсека в зависимости от частоты внешнего воздействия

После такой доработки расчетной модели час. вновь было проведено сопоставление экспериментальных и расчетных данных. На рис. 9, а

а)

б)

Рис. 9. Сравнение рассчитанных уровней звукового давления в оболочке с измеренными при ее возбуждении

на частоте 240 Гц:

а — акустическим диполем

в качестве примера представлено сравнение рассчитанного и полученного из эксперимента распределения уровней звукового давления в продольном направлении внутри отсека на расстоянии 80 мм от его поверхности в сечении, соответствующем максимальной интенсивности поля возбуждения. Наблюдается хорошее совпадение рассчитанных значений с измеренными.

Использование доработанной расчетной модели позволило сделать последний шаг в предлагаемом методе — рассчитать уровни звукового давления внутри отсека при учете характеристик реального аэроакустического поля возбуждения от винта в кольце. При этом получилось хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных для всех точек, в которых проводились измерения уровней звукового давления, что проиллюстрировано на рис. 9, б.

7. Заключение. Предложен метод прогноза шума в салоне самолета с винтовой силовой установкой, учитывающий особенности поведения реальной конструкции в процессе передачи звуковой энергии и формирования внутреннего акустического поля. В обоснование предложенного метода выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований звукового поля в оболочке, моделирующей отсек фюзеляжа пассажирского самолета, от аэроакустического поля винтовой установки и от различных тестовых звуковых полей.

По сути, показано то, что дорогостоящие и трудоемкие экспериментальные исследования с винтовой силовой установкой можно заменить дешевыми и простыми экспериментальными исследованиями, проводимыми в лабораторных условиях. Существенное преимущество предлагаемого метода состоит в том, что в ходе экспериментальных исследований автоматически учитываются все конструктивные особенности фюзеляжа самолета, что практически нельзя сделать при использовании аналитических или численных методов для оценки шума в салоне самолета с винтовой силовой установкой.

Необходимо отметить, что применение данного метода к реальным самолетам различных классов может иметь свои особенности. Так, фюзеляжи самолетов малой авиации могут испытываться непосредственно в заглушенной камере. Также в заглушенной камере могут проводиться лабораторные исследования отсеков фюзеляжей крупноразмерных летательных аппаратов или их динамически подобных моделей. Испытания магистральных самолетов могут проводиться на открытых площадках. При этом необходимо учитывать фоновый шум и отражение звука, создаваемого тестовым источником, от окружающих поверхностей.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 06-02-16243).

ЛИТЕРАТУРА

1. Дашевский А. Г., Ефимцов Б. М., Зверев А. Я. Влияние структуры неоднородного поля случайных пульсаций давления на создаваемые им уровни звукового давления в оболочке // Акустический журнал. 1988. Т. XXXIV.

2. Ефимцов Б. М., 3верев А. Я., Черных В. В. Акустическое поле в модельном отсеке фюзеляжа самолета, возбуждаемого винтом в кольце. — Сб. «Авиационная акустика» // Труды ЦАГИ. 2001, вып. 2647.

3. Ефимцов Б. М., 3верев А. Я., Черных В. В. Акустическое поле в модельном отсеке фюзеляжа самолета, возбуждаемого свободным диполем и диполем в кольце. — Сб. «Авиационная акустика» // Труды ЦАГИ. 2001, вып. 2647.

4. Efimtsov В. М., BaranovS. N., Zverev A. Ya., Chernyh V. V. Prediction of noise in a shell excited by a ducted propeller. / 9-th International Congress on Sound and Vibration. — Orlando, USA, 2002, N 200.

Рукопись поступила 23/XI2007 г