акустика авиационная

Взаимосвязь параметров самолёта и его шума при взлёте.

аку́стика авиацио́нная (от греч. akustikós — слуховой) — раздел науки, посвящённый изучению возникновения, распространения и воздействия шума, возникающего при эксплуатации летательного аппарата, и находящийся на стыке аэродинамики, акустики и динамики упругих конструкций. А. а. подразделяется на аэроакустику и структурную акустику летательного аппарата. Аэроакустика изучает проблемы аэродинамической генерации звука, акустики движущейся среды, взаимодействия звука с потоком и методы снижения акустических шумов аэродинамического происхождения; структурная акустика изучает распространение звука по конструкциям летательного аппарата, излучение звука этими конструкциями, процессы формирования звуковых полей в замкнутых объёмах (салонах, кабинах, приборных отсеках летательного аппарата) и методы ослабления их интенсивности.

Выделение А. а. в самостоятельный раздел науки произошло в 60-х гг. XX в. в связи с необходимостью решения задач по снижению шума летательного аппарата до уровней, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность людей, а также работоспособность систем и оборудования и выносливость конструкции аппарата. Потребность в увеличении грузоподъёмности летательных аппаратов и скорости их полёта привела к увеличению тяги силовых установок, в результате чего резко возросла звуковая мощность, создаваемая аппаратами. Увеличение интенсивности эксплуатации самолётов гражданской авиации (увеличение числа взлётов и посадок в аэропортах) привело к тому, что в зонах размещения аэропортов жители оказались под неблагоприятным воздействием высоких уровней шума. Шум в салонах и кабинах летательных аппаратов создаёт значительные неудобства для пассажиров самолётов и вертолётов, вызывая их утомляемость, снижает работоспособность экипажей. Борьба с шумом в авиации стала частью общей программы борьбы человечества за чистоту окружающей среды. Интенсивные акустические нагрузки на летательный аппарат являются причиной повреждений элементов их конструкции и выхода из строя оборудования. Поэтому акустические характеристики в ряде случаев определяют параметры и схему летательного аппарата, параметры и тип его силовой установки.

Решение задач А. а. осуществляется путём комплексного выполнения ряда мероприятий с учётом технических возможностей и экономических затрат. Основное внимание уделяется снижению шума в источнике, выбору рациональной с точки зрения акустики компоновки аппарата, применению методов снижения шума по пути его распространения. На рисунке в качестве примера показана взаимосвязь между летно-техническими характеристиками самолёта с заданными дальностью и полезной нагрузкой и шумом, создаваемым самолётом на местности (уровни шумов приведены в единицах EPN дБ — субъективная оценка авиационного шума на местности). Большую роль в снижении шума в районе аэропортов играет рациональная организация воздушного движения, выбор мало шумных траекторий взлёта и посадки летательных аппаратов.

Основными шума источниками летательного аппарата являются аэрогазодинамические потоки в силовой установке (см. Шум двигателя), воздушный поток, обтекающий аппарат, и газовые потоки бортовых систем оборудования. Т. о., аэроакустика в основном имеет дело со звуком, создаваемым аэродинамическими силами и возмущениями, которые возникают в самом потоке. Поскольку образование аэродинамического шума является следствием перехода энергии от вихревых возмущений к акустическим колебаниям, то успешное решение задач аэроакустики во многом связано с достижениями аэродинамики нестационарных течений, и в особенности турбулентных потоков.

Впервые теоретические вопросы генерации звука при движении потоков жидкости были рассмотрены в классической работе Дж. У. Рэлея «Теория звука» (1877). Практическое применение аэроакустика получила позднее, после выхода работ учёных: Л. Я. Гутина о шуме вращения винта (1936), Е. Я. Юдина о вихревом шуме стержней (1944), Д. И. Блохинцева по акустике движущейся среды (1946) и М. Д. Лайтхилла о шуме турбулентных струй (1952—54). В дальнейшем появилось много работ, развивающих идеи этих учёных, которые позволили значительно продвинуть знания в области аэроакустики.

Уравнение Блохинцева, которое описывает распространение звука в неоднородном стационарном потоке, явилось отправным пунктом при рассмотрении генерации звука потоком. В 1975 английским учёным М. Хоу был получен неоднородный аналог этого уравнения, в котором правая часть указывает, что генератором звука в потоке служат вихри и неоднородности энтропии. Обобщённое уравнение Блохинцева (иногда его называют уравнением Блохинцева—Хоу) позволяет с общих позиций подойти к решению задач аэроакустики, учесть не только источники и распространение звука в движущейся среде, но и взаимодействие звука с неоднородным потоком, что совсем не учитывалось в предшествовавших теориях. Из этого уравнения при малых Маха числах как частный случай получаются известные уравнения теории Лайтхилла для шума турбулентного потока.

Структурная акустика в основном изучает звук, генерируемый колеблющимися конструкциями летательного аппарата, силовой установкой, турбулентным пограничным слоем, образующимся на поверхности аппарата в полёте, и бортовыми системами. Силовая установка вызывает колебания конструкции либо непосредственно звуковыми волнами, распространяющимися через окружающую среду, либо упругими волнами, обусловленными механическими колебаниями самой установки и распространяющимися по конструкции. Колебания конструкции, находящейся под действием турбулентного пограничного слоя, обусловлены пульсациями давления, возникающими на поверхности аппарата. Агрегаты систем и оборудования также вызывают вибрации элементов конструкции летательного аппарата и непосредственно сами создают шум.

Многообразие источников авиационного шума и путей передачи его в летательный аппарат вызвало интенсивное развитие исследований распространения звуковых волн в слоистых диссипативных средах и упругих волн в конструкциях, излучения звука конструкциями и акустических полей в кабинах и отсеках аппарата. Первые исследования представляют собой развитие традиционных тематических направлений классической акустики, а последние два сформировались в структурной акустике летательного аппарата. Теоретические исследования по этим направлениям базируются на анализе известных уравнений динамики упругих систем (пластин, оболочек, стержней и др.) и волнового уравнения для сред с различными параметрами. Для большого числа задач структурной акустики при известных параметрах конструкции и материалов может быть составлена замкнутая система уравнений, описывающих распространение волн и излучение звука. Точное решение этих задач можно получить только для идеальных ситуаций, поэтому в структурной акустике летательного аппарата существенную роль играют эксперимент и упрощенные теоретические подходы, при которых рассматриваются идеализированные модели упругих систем, что позволяет выявить основные закономерности в распространении упругих волн, колебаниях и акустическом излучении элементов конструкции.

Хотя решение ряда основных задач А. а. еще далеко от завершения, но в инженерной практике уже получены обнадёживающие результаты, позволившие создать методы расчёта характеристик основных источников шума летательного аппарата, разработать мероприятия по снижению шума методом активного воздействия на процесс шумообразования и применением пассивных способов снижения уже образовавшегося шума, т. е. использованием звукопоглощающих материалов, вибропоглощающих покрытий (см. также Звукоизоляция салонов, Шумоглушитель силовой установки). Это позволяет создавать летательные аппараты с акустическими характеристиками, удовлетворяющими требованиям норм шума летательного аппарата. Нормы ограничивают допустимый шум, создаваемый самолётами и вертолётами на местности, и шум в салонах и кабинах летательного аппарата. Шум на местности регламентируется международными стандартами Международной организации гражданской авиации, поэтому на международных авиалиниях предпочтение отдают тем самолётам, которые имеют сертификат по шуму. Т. о., выполнение норм по шуму пассажирскими самолётами и вертолётами является необходимым условием их успешной эксплуатации.

Опытное КБ и научно-исследовательский институт отечественной промышленности и гражданской авиации проводят работу по снижению шума летательного аппарата. В результате были значительно снижены уровни шума самолётов на местности и все выпускаемые пассажирские самолёты удовлетворяют международным нормам по шуму и имеют сертификат по шуму. Уровни шума в кабине отечественных пассажирских самолётов также значительно снижены, и все выпускаемые самолёты удовлетворяют отечественному стандарту по шуму в салоне.

Литература:
Квитка В. Е., Мельников Б. Н., Токарев В. И., Нормирование и снижение шума самолётов и вертолётов, Киев, 1980;
Мунин А. Г., Кузнецов В. М., Леонтьев Е. А., Аэродинамические источники шума, М., 1981;
Международные стандарты и рекомендуемая практика. Охрана окружающей среды. Приложение 16, т. 1, Авиационный шум, ИКАО, Монреаль, Канада, 1981;
Авиационная акустика, под ред. А. Г. Мунина, ч. 1—2, М., 1986.

А. Г. Мунин.