Оптимизация параметров звукопоглощающей облицовки эжекторного глушителя шума струи

_______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том XIX 1988

№ 3

УДК 534.85.629

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩЕЙ ОБЛИЦОВКИ ЭЖЕКТОРНОГО ГЛУШИТЕЛЯ ШУМА СТРУИ

О. В. Лебедева, 3. Н. Науменко

На примере простейшего эжекторного глушителя описывается метод выбора оптимальных параметров звукопоглощающей облицовки и проведена оценка максимально возможной при этом величины снижения шума.

Для снижения шума струй на выхлопе испытательных'боксов, газотурбинных установок, авиационных двигателей широкое распространение получили эжекторные глушители, облицованные изнутри звукопоглощающим материалом. Достоинство таких глушителей состоит в достаточно высокой акустической эффективности при минимальных входном сопротивлении и габаритах. Механизм снижения шума выхлопной струи газов в эжекторном глушителе состоит в снижении ее скорости на выхлопе за счет подмешивания атмосферного воздуха и звукопоглощающих свойств облицовки.

Если вопросы влияния геометрических параметров эжекторного глушителя, а также режима истечения исходной струи на его акустическую эффективность достаточно [1] изучены, то вопрос выбора звукопоглощающей облицовки, обеспечивающей наибольшее возможное снижение шума в эжекторном глушителе, изучен мало. Известен способ выбора звукопоглощающей облицовки, в котором частота ее настройки принимается равной частоте максимума шума, излучаемого струей в дальнем звуковом поле. Однако этот способ справедлив в очень ограниченном числе случаев при использовании эжекторных глушителей достаточной протяженности — не менее десяти калибров, — и не всегда является эффективным, поскольку выбранная частота настройки облицовки может не совпадать с частотой максимума шума, распространяющегося в канале эжекторного глушителя.

Цель настоящей работы состояла в оценке возможности применения метода оптимизации звукопоглощающей облицовки, разработанного для каналов с потоком, для эжекторного глушителя, а также в оценке максимально возможной при этом величины снижения шума струи. Исследования по применению метода оптимизации [2] проводились на круглой струе с эжекторным глушителем, расположенным на срезе сопла, диаметр на входе которого и длина составляли 2йс и соответственно, где йс — диаметр сопла исходной струи (рис. 1).

Исследования проводились в заглушенной камере. Акустические испытания проводились со струей диаметром 100 мм и эжекторном глушителе с диаметром на входе, равным 200 мм. Внутренняя поверхность эжекторного глушителя выполнена из звукопоглощающего материала. В процессе эксперимента толщина поглощающего слоя могла меняться до 150 мм. Измерения уровней и спектров звуковых давлений в треть-октавных полосах частот проводились в дальнем звуковом поле (^?«=40 с1с) и в точке внутренней поверхности эжекторного глушителя, расположенной на расстоянии 170 мм от входа. Звуковое давление измерялось с помощью конденсаторного микрофона и фиксировалось с помощью магнитного регистратора с последующей расшифровкой. Акустические измерения проводились при скорости истечения исходной струи, равной 272 м/с (яс = 1,6) и 312 м/с (яс = 1,9), где яс —-перепад давления на срезе сопла.

Рис. 1. Схема и основные размеры эжекторного глушителя шума

Аэродинамические испытания проводились на струе диаметром 50 мм и необли-цованном эжекторном глушителе с диаметром на входе, равным 100 мм. Профили скорости внутри и вне эжекторного глушителя измерялись с помощью комплекта тер-моанемометрической аппаратуры. Датчики термоанемометра были снабжены специальными ограничителями, предохранявшими нить от касания стенок эжекторного глушителя. Профили скорости измерялись при скорости истечения исходной струи, равной 140 м/с (яс = 1,13).

Известно, что когда речь идет о рациональном выборе звукопоглощающей облицовки в канале с потоком, необходимо знать условия, в которых она работает. Под этим подразумевается частота, на которой требуется обеспечить наибольшее снижение шума; скорость потока, в котором распространяются звуковые волны; уровень звукового давления на поверхности поглощающей конструкции, а также структура' звукового поля. При известных параметрах аэроакустического поля в канале можно определить величину оптимального импеданса стенок канала, при котором обеспечивается наибольшее снижение шума, а по импедансу выбрать геометрические размеры звукопоглощающей конструкции. Проанализируем условия, которые имеют место в эжекторном глушителе.

Определим частоту настройки звукопоглощающей облицовки эжекторного глушителя. Для этого оценим долю звуковой энергии, возбуждаемой круглой струей в канале эжекторного глушителя, на которую может оказать влияние поглощающая облицовка его внутренней поверхности. Поскольку шум участка струи может быть рассчитан, если известно поле средних скоростей [3], определим экспериментально поле средних скоростей в исследуемом эжекторном глушителе. Результаты измерений приведены на рис. 2. Из полученных материалов следует, что эжектирующий и эжекти-руемый воздух входят в эжекторный глушитель в виде двух раздельных потоков. При этом скорость спутного потока вблизи стенок составляет 0,15—0,2 от скорости истечения исходной струи. За эжекторным глушителем развивается течение, в котором в сечении на выходе из него сохраняется ядро постоянных скоростей исходной струи, а далее вниз по потоку оно размывается. Поле скоростей вне эжекторного глушителя подчиняется универсальному закону, справедливому для свободных струй.

На рис. 3 представлены экспериментальные профили скорости внутри эжекторного глушителя и за ним.

При определении шума струи внутри эжекторного глушителя полагаем, что он идентичен шуму исходной свободной струи на начальном ее участке длиной Зйс, т. е. пренебрегаем влиянием спутного потока. Расчет показывает, что источники шума внутри эжекторного глушителя излучают шум в широком диапазоне частот, когда число Струхаля (8Ь=/й/м, где и — частота, с1 — диаметр, « — скорость истечения струи) меняется в пределах от 0,3 до 10,0 (рис. 4). Однако этот шум в дальнем звуковом поле маскируется шумом, создаваемым потоком за эжекторным глушителем. Шум потока за эжекторным глушителем можно рассчитать, введя, согласно методу, разработанному в [4], так называемую «эквивалентную» струю, имеющую участок, совпадающий с течением за эжекторным глушителем. Параметры «эквивалентной» струи определялись по импульсу, который рассчитывался по экспериментально полученному профилю скорости за эжекторным глушителем. В данном случае получено, что диаметр

Рис. 2. Профили средних скоростей («с = 140 м/с) в системе «круглое сопло — эжекторный глушитель шума»

Рис. 3. Схема струи, истекающей из круглого сопла с эжекторным глушителем шума, и свободной эквивалентной струи, истекающей из круглого

сопла:

^экв = 1,33йс, Ис = иэкв, йзж = 2 6?с, /эж “

£,ДБ

-10

-20

-30

-40

Струя с неойицеВанным

эжектором ^ Исходная кр струя'

-ХиС1~3 Хз»1

і І і___________________________________________________________________________________________________________і і I__________________________________________________________________________________________________________1 '

0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0

Рис. 4. Типовой спектр шума струи, истекающей из круглого сопла и сопла с эжекторным глушителем шума

«эквивалентной» струи равен йэкв=1,33 йс, а начальная скорость истечения «эквивалентной» и исходной струй совпадают. Сравнение поля скоростей за эжекторным глушителем с полем скоростей «эквивалентной» струи показывает, что оно практически с ним совпадает на участке лгЭкв>3,3. Вследствие этого полагаем, что шум, создаваемый потоком за эжекторным глушителем, идентичен шуму, создаваемому участком «эквивалентной» струи протяженностью *>3,3 4кв. Расчет показывает, что источники за эжекторным глушителем излучают шум в широком диапазоне частот, когда число Струхаля меняется в пределах 0,02—1,0.

Из сравнения спектров шума, приведенных на рис. 4, следует, что они имеют общий диапазон чисел Струхаля 0,3—0,75, определяющий в дальнем звуковом поле зону, где шум внутренних источников эжекторного глушителя маскируется шумом внешних источников. При выборе частоты настройки звукопоглощающей облицовки эжекторного глушителя маскирующий диапазон частот следует исключить из рассмотрения. Кроме того, следует исключить из рассмотрения спектры шума источников, расположенных в последнем калибре потока внутри эжекторного глушителя, по-скйльку они определяют зону прямого излучения в дальнем звуковом поле и воздействовать на них звукопоглощающей облицовкой бесполезно.

Таким образом, учитывая выдвинутые ограничения, при выборе звукопоглощающей облицовки целесообразно ограничиться шумом, излучаемым первыми двумя калибрами потока внутри эжекторного глушителя и принять его частоту максимума шума за частоту настройки облицовки. В рассматриваемом случае частота настройки облицовки может выбираться из условия БЬ= 1,5. С учетом режимов истечения струи это означает, что облицовка в эжекторном глушителе должна обеспечить высокое поглощение в диапазоне частот 2000—8000 Гц, а частота ее настройки должна составлять 4000 Гц. Следует отметить, что выбранная частота настройки звукопоглощающей облицовки для исследуемого эжекторного глушителя существенно выше рекомендуемой в работе [1].

Уровни звуковых давлений на поверхности звукопоглощающей конструкции в выбранном диапазоне частот определялись с учетом экспериментальных измерений и составляли 130—140 дБ. Скорость кольцевого потока, в котором распространяются звуковые волны, возбуждаемые аэродинамическими источниками внутри эжекторного глушителя, в рассматриваемом случае принята равной скорости эжектируемого потока.

Учитывая процесс шумообразования струи и течение в эжекторном глушителе, последний можно рассматривать, как кольцевой канал конечной длины, в котором звуковое поле, создаваемое системой источников, расположенный внутри глушителя, распространяется в виде волноводных мод в движущемся потоке. Действительно, звуковое поле в струе в основном определяется источниками максимальной интенсивности, расположенными на цилиндрической поверхности, радиус которой равен радиусу исходной струи. Несмотря на то, что эти источники движутся в канале с некоторой конвективной скоростью, в каждый момент времени в фиксированной точке потока всегда существует источник с характерной для него интенсивностью и частотой максимума. Вследствие этого систему струйных источников в эжекторном глушителе можно рассматривать как систему неподвижных источников звука, рассредоточенных в канале, к которому применим метод оптимизации звукопоглощающей облицовки [2].

При этом можно полагать, что наличие эжектируемого потока малой скорости практически не искажает фронта звуковой волны. Поскольку особенность звукового поля в струе такова, что интенсивность излучения на фиксированной частоте не зависит от азимута, можно полагать, что в эжекторном глушителе возбуждаются только моды с нулевым угловым номером. При применении метода оптимизации затухания к эжекторному глушителю как к кольцевому каналу заданной геометрии с известными параметрами аэроакустического поля радиальный номер моды выбирался из условия, что расчетная частота близка к критической, как это принято для каналов с потоком. Расчет показал, что оптимальный импеданс стенок эжекторного глушителя, при котором должно обеспечиваться наибольшее снижение шума в заданной области частот /<2000 Гц, равен волновому сопротивлению воздуха. Следует отметить, что полученный результат хорошо согласуется с известным широко используемым в стационарных глушителях аэродинамических установок правилом, когда сопротивление облицовки выбирают равным волновому сопротивлению среды, в которой распространяются звуковые волны.

Выполнена экспериментальная проверка правильности выбранного оптимального сопротивления стенок эжекторного глушителя. В качестве поглотителя в настоящих экспериментальных исследованиях использовалось базальтовое волокно — один из лучших поглотителей, применяемых в практике борьбы с шумом промышленных установок. Выбор конструкции с заданным входным сопротивлением производился по известным волновым параметрам волокна. Как показали расчет и экспериментальные измерения на интерферометре, заданному значению импеданса в исследуемой области частот и режимов лучше всего соответствует слой базальтового волокна толщиной

Рис. 5. Спектры уровня звукового давления под углом 30° к оси струи на расстоянии 4 м от выхлопного сечения эжекторного глушителя шума, облицованного изнутри слоем базальтовой ваты толщиной:

•••—10 мм;-------20 мм;---------150 мм;

диаметр круглой струи — 100 мм; --------жесткие

стенки

10 мм. В процессе эксперимента толщина слоя базальтового волокна на стенках эжекторного глушителя менялась и составляла 10, 20 и 150 мм. Длина поглощающего участка в облицованном эжекторном глушителе составляла 2,5 калибра.

Из результатов испытаний облицованного эжекторного глушителя (рис. 5) видно, что наибольшее снижение шума в точке под углом 30° к оси струи обеспечивает облицовка, наиболее близкая к оптимальной. В среднем величина дополнительного снижения шума струи за счет оптимизации облицовки составляет 5—8 дБ. При этом выигрыш в затухании за счет оптимизации звукопоглощающей облицовки в рассматриваемом эжекторном глушителе составляет 2—3 дБ в широком диапазоне исследуемых частот. Аналогичный результат был получен в научно-исследовательском центре им. Льюиса фирмой Дженерал Электрик при исследовании облицовочных эжекторных глушителей шума [5].

ЛИТЕРАТУРА

1. Му нин А. Г., Власов Е. В., Н а у м е н к о 3. Н. Исследование глушителей шума газовых струй. — Труды ЦАГИ, 1968, вып. 1092.

2. М у н и н А. Г., Кузнецов В. М., Леонтьев Е. А. Аэродинамические источники шума. — М.: Машиностроение, 1981.

3. М у н и н А. Г., Науменко 3. Н. Исследование акустических характеристик участков дозвуковой струи. — Ученые записки ЦАГИ, 1970, т. 1, № 5.

4. Науменко 3. Н. Снижение шума струй сетчатыми экранами.— Труды ЦАГИ, 1970, вып. 1207.

5. Новое в зарубежном авиадвигателестроении. — 1982, ЦИАМ,

№ 12.

Рукопись поступила 28/Х1 1986 г.