Аэрогидродинамические шумы

Аэрогидродинамические шумы обусловлены нестационарными процес-сами в газовых и жидких средах. По природе образования они делятся на не-сколько видов.

Вихревой шум – возникает в результате вихреобразования у твердых гра-ниц потока – обусловлен турбулентностью в пограничном слое у стенок кана-

ла (рис.2.8) и срывом вихрей при обтекании тел (рис.2.9). За обтекаемым телом образуется вихревой след. Интенсивность вихреобразования зависит от обте-каемости тела и угла α (угол атаки) составленного направлением потока и хор-дой профиля тела (см. рис.2.9).

Рис. 2.8. Вихреобразование в пограничном слое у стенок канала.

Рис.2.9.Схема возникновения вихреобразования при обтекании потоком твердого тела.

Интенсивность вихревого шума зависит от формы размеров тела, от ско-рости набегающего потока u. Он имеет сплошной спектр, располагающийся в широкой области звуковых частот. Частота вихревого шума определяется час-тотой срыва вихрей с поверхности обтекаемого тела и может быть найдена из выражения

u
f = Sh D sinα	,	(2.10)

где Sh = f D/u – число Струхаля;

D – геометрический параметр тела, имеющего профиль с хордой b и мак-симальной толщиной δ (D = bsinα + δcosα);

α – угол атаки (рис.2.9)

Число Струхаля определяется экспериментально для тел различной формы и может быть найдено по числу Рейнольдса (Re = uD/ν) из соотношения

Sh=0,195(1 – 20,1 / Re)

(2.11)

Для обтекаемых пластин и цилиндров Sh = 0,18 – 0,20.

Если на частоте определенной по (2.10) длина волны намного больше раз-меров тела (λ>>D), то акустическая мощность шума пропорциональна шестой степени скорости

W ~	ρ	(C		Sh)2 u6	D2	(2.12)
c3	x

здесь С_х – аэродинамический коэффициент лобового сопротивления, учиты-вающий геометрическую форму обтекаемого тела.

Вихревой шум имеет выраженную дипольную характеристику направ-ленности в виде восьмерки (см. п.1.2.2). На расстоянии r от источника интен-сивность вихревого шума определится по формуле

I = 0,24 W cos2θ / r2,

(2.13)

где θ – угол наблюдения, отсчитываемый от перпендикуляра к направлению потока.

Приведенные выше формулы можно использовать и для характеристики шума срыва пограничного слоя вблизи стенок труб и каналов. Вихревой шум, возникающий в каналах, может передаваться по рабочему телу, как в атмосфе-ру, так и на стенки механизма, которые в этом случае порождают звуковые вибрации других частей механизма и воздушный шум. Если частота срыва вихрей совпадает с частотой собственных колебаний обтекаемого тела, могут возникнуть интенсивные резонансные вибрации тела.

Источниками вихревого шума являются воздуходувные машины, насосы, воздуховоды, трубопроводы.

Шум вращения – образуется в машинах с вращающимися рабочими коле-сами (насосы, вентиляторы, пропеллеры, турбины). Лопасти колеса поперемен-но рассекают рабочую среду, вызывая чередующиеся разряжения и сгущения потока. Частота этого шума пропорциональна частоте вращения рабочего коле-са и количеству лопастей z

f = nz / 60,

(2.14)

здесь n – количество оборотов колеса в минуту.

Распространение шума вращения в пространстве неравномерно. Вдоль оси вращения колеса шум почти отсутствует, а максимум наблюдается в на-правлении составляющим с направлением потока угол 65 – 75^о.

Шум неоднородности потока возникает при взаимодействии неоднород-ного потока с твердыми телами (рабочим колесом вентилятора или насоса, про-пеллера). Он имеет силовое происхождение и носит дипольный характер. При обтекании лопаток турбулентным потоком на них возникают дополнительные силы реакции, вызванные различием значений скорости набегающего потока по всей плоскости колеса. Эти силы и вызывают шум. Частота обусловленного не-однородностью потока шума также определяется количеством лопаток и чис-лом оборотов колеса или пропеллера, т.е. по формуле (2.14).

Сиренный или объемный – шум, возникающий при периодическом вы-пуске газа в атмосферу – (сирена, ротационная воздуходувка, винтовые насосы и компрессоры, пневматические двигатели, шум выпуска и впуска ДВС). Аку-стическая мощность зависит не только от числа оборотов n, но и от размера выпускного отверстия d

W ~ n4 d2

(2.15)

Этот тип шума носит монопольный характер и имеет выраженные дис-кретные составляющие, частота которых

f = nzmi / 60,

(2.16)

где z – число отверстий, m – количество выхлопов, i – номер гармоники.

Для одноцилиндрового двухтактного ДВС m = 1; для четырехтактного m = 2.

Шум отрывных течений – обусловлен пульсациями границ вихревых зон,образующихся при обтекании препятствий, в том числе и в местных сопротив-лениях каналов (рис.2.10).

а – резкое расширение (диффузор); б – разветвление (тройник); в – поворот (колено); г- препятствие на стенке канала

Рис. 2.10. Вихреобразование в пограничном слое у стенок канала.

Шум отрывных течений является широкополосным, как и вихревой шум. Его спектр и интенсивность зависят от скорости потока, вида местного сопро-тивления, размеров канала и препятствий.

Шум струи – возникает при перемешивании потоков, имеющих различ-ные скорости (струйные течения, выбросы сжатого воздуха), имеет квадру-польный характер. При истечении газового потока вследствие разности стати-ческого давления на срезе сопла и в окружающей среде возникают вихри (рис.2.11), срыв которых приводит к пульсациям давления, а следовательно к звуку. Стекая по потоку, вихри сливаются и укрупняются. По мере удаления от

среза сопла структура струи меняется – зона смешения с окружающей средой расширяется, и скорость потока постепенно уменьшается.

Рис. 2.11. Схема вихреобразования на срезе сопла

Акустическая мощность струи существенно зависит от режима истечения

– дозвуковое или сверхзвуковое. Для характеристики режима используют один из аэродинамических параметров подобия – число Маха, которое определяется отношением скорости потока и к местной скорости звука с, т.е. М = и_с/ с. Для дозвуковых течений (М < 1)

ρ ² _u⁶ _D²

W = k( M ) , (2.17)

ρc²

где k(M) – коэффициент Лайтхилла, зависящий от М; ρ_с – плотность струи;

D – диаметр сопла;

ρ – плотность окружающей среды.

При М < 0,3 коэффициент k(M) = const и принимается равным k_о≈ 10^-5. С увеличением скорости, при М > 0,5, k растет пропорционально квадрату М и формула (2.17) принимает вид

W = k		ρ 2 u8	D2	(2.18)
	c c
о	ρc

В диапазоне 0,5 < M < 1,5 коэффициент Лайтхилла k_о=3^.10^-5 – 1,5^.10^-4. Меньшее значение соответствует холодным струям, верхнее – горячим струям реактивных двигателей.

Основная акустическая мощность излучается в начальном участке (рис.2.11), где при срыве вихрей и происходит генерация звука. На эту область приходится 65% общей звуковой мощности струи.

Спектр излучаемого струей шума зависит от расстояния вдоль струи. Вы-сокочастотные составляющие создаются первичными вихрями в начальном участке, а низкочастотные – крупными вихрями в зоне смешения струи. На Рис.2.12 приведен безразмерный третьоктавный спектр звуковой мощности струи в зависимости от числа Струхаля Sh = f D/u_c.

Рис.2.12. Безразмерный третьоктавный спектр звуковой мощности струи

Характеристика направленности шума создаваемого струей подобен на-правленности излучения поперечного квадруполя (см. п.1.2.2), в виде сложив-шихся крыльев бабочки. Максимальное излучение для высоких частот наблю-дается под углом 90^о от оси струи и 20^о – для низких частот.

Шум сверхзвуковых течений, обусловленный скачками уплотнен ий, взаимодействующих с твердыми поверхностями или с атмосферным воздухом (шум самолета при переходе через звуковой барьер, шум распылителей, топоч-ных форсунок и т.п.).

Шумы при автоколебаниях упругих конструкций (хлопанье недостаточножестких стенок воздуховодов, "пение" гребных винтов, автоколебания в водо-разборных кранах и запорной арматуре при плохой конструкции или износе уплотняющих прокладок)

Шумы при неустойчивых течениях (поверхности раздела между подвиж-ным и неподвижным воздухом вблизи резонаторов; свисток, тонкая струя, на-бегающая на клин и др.) Возникают при обдуве полых тел, течениях газа по ка-налам, имеющим углубления, при движении автомобиля с открытыми окнами (инфразвук)

Кавитационный шум

Источником интенсивного шума является кавитация жидкости, возни-кающая на поверхности лопастей при высоких окружных скоростях и недоста-точном давлении на всасывании. Как правило, кавитационный шум появляется уже в ранней стадии кавитации. Даже малый очаг кавитации, практически не ухудшающий рабочих характеристик насоса, достаточен для того, чтобы вы-звать интенсивный шум.

Кавитационный шум возникает из-за потери жидкости прочности на раз-рыв при уменьшении в ней давления ниже определенного предела и возникно-вения в результате этого полостей (каверн) и пузырьков, заполненных парами жидкости и растворенными в ней газами, при захлопывании которых возникает звуковой импульс

Рис.2.10. Схема появления кавитации на лопасти рабочего колеса насоса. 1 – лопасть насоса; 2 – эпюра распределения разрежения по контуру лопасти; 3

– зона кавитации.

Кавитация возникает в тех точках потока, где вследствие разрежения происходит разрыв сплошности жидкости. В образовавшуюся каверну диффун-дирует растворенный в воде воздух, а при весьма больших разрежениях — во-дяной пар. В момент последующего захлопывания парового или газового пу-зырька (вследствие конденсации пара или растворения газа) частицы воды уст-ремляются к его центру в связи с чем давление резко повышается. Возникает звуковой импульс. имеющий ряд составляющих различной частоты, распола-гающихся преимущественно в области средних и высоких звуковых частот. Ввиду обилия высокочастотных составляющих кавитационный шум оказывает очень сильное воздействие на органы слуха.

Аналогичные явления имеют место в трубопроводах, где при отрывном обтекании колен и клапанов также образуются очаги кавитации.