научная статья по теме ВОЗМОЖНОСТЬ СНИЖЕНИЯ ШУМА В САЛОНЕ САМОЛЕТА ОТ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ ПОДКРЕПЛЯЮЩЕГО НАБОРА ФЮЗЕЛЯЖА ПРИ НЕИЗМЕННОЙ ЕГО МАССЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ВОЗМОЖНОСТЬ СНИЖЕНИЯ ШУМА В САЛОНЕ САМОЛЕТА ОТ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ ПОДКРЕПЛЯЮЩЕГО НАБОРА ФЮЗЕЛЯЖА ПРИ НЕИЗМЕННОЙ ЕГО МАССЕ»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 5, с. 631-635

АКУСТИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ. ШУМЫ И ВИБРАЦИЯ

УДК 534.121

ВОЗМОЖНОСТЬ СНИЖЕНИЯ ШУМА В САЛОНЕ САМОЛЕТА ОТ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ ПОДКРЕПЛЯЮЩЕГО НАБОРА ФЮЗЕЛЯЖА ПРИ НЕИЗМЕННОЙ ЕГО МАССЕ © 2015 г. Б. М. Ефимцов, Л. А. Лазарев

Научно-исследовательский Московский комплекс ЦА1И 107005 Москва, ул. Радио 17 E-mail: leonidl74@mail.ru Поступила в редакцию 12.08.2014 г.

Снижение шума в салоне самолета от турбулентного пограничного слоя актуально в области средних частот. Расчет шума, проведенный на основе аналитической модели, учитывающей дискретность стрингеров и шпангоутов, показал, что на средних частотах возможно снизить уровень шума на величину порядка 4 дБ путем уменьшения расстояния между ребрами при неизменной их суммарной массе.

Ключевые слова: шум в салоне, турбулентный пограничный слой, стрингеры, шпангоуты, ортогонально подкрепленная оболочка.

DOI: 10.7868/S0320791915040048

Шум в салоне пассажирского самолета является важным фактором, определяющим его конкурентную способность. Для пассажирских самолетов с реактивной силовой установкой шум в основном порождается пульсациями давления на поверхности фюзеляжа от турбулентного пограничного слоя. Шум реактивных струй современных двигателей может сравниться с шумом от пограничного слоя только в хвостовой части салона.

Наибольшую проблему шум от турбулентного пограничного слоя создает в области средних частот, т.е. в полосе 200—500 Гц. На этих частотах стрингеры и шпангоуты, подкрепляющие обшивку фюзеляжа, ведут себя как дискретные элементы. С одной стороны, на средних частотах возбуждаются колебания ячеек между ребрами, и в расчетах нельзя "размазывать" параметры ребер, как на низких частотах. С другой стороны, влияние ребер на колебания оболочки велико, и его нельзя не учитывать.

Пульсации давления пограничного слоя хорошо возбуждают коротковолновые резонансные моды обшивки, поскольку поперечный масштаб корреляции составляет 1—10 см. В салон же эффективно могут излучать только длинноволновые моды, у которых длина волны больше звуковой. За счет ребер длинноволновые и коротковолновые моды обшивки являются взаимосвязанными и участвуют в совместных резонансных колебаниях подкрепленной оболочки. Поэтому параметры ребер, рассматриваемых как дискретные

элементы, в значительной степени определяют шум в салоне самолета от пограничного слоя.

Тривиальный подход к снижению шума состоит в использовании максимально возможного количества рыхловолокнистого материала в составе бортовой звукоизолирующей конструкции и в максимальном увеличении поглощающих свойств материалов в салоне. Однако, как показывают расчетные оценки, на этих частотах толщина поглощающего материала незначительно влияет на снижение шума, а эффект от улучшения поглощения в салоне очень ограничен. Заметное снижение шума возможно за счет дополнительной массы панели интерьера или за счет более толстой обшивки фюзеляжа. Но очевидно, что методы, ведущие к существенному утяжелению самолета, не являются приемлемыми. Возможность использования активных шумоподавляющих систем или систем резонаторов здесь не рассматривается. Поэтому для снижения широкополосного шума от пограничного слоя в области средних частот объективно остается только возможность внесения изменений в саму конструкцию подкрепленной оболочки фюзеляжа.

В данной работе анализируется влияние шага установки шпангоутов и стрингеров на шум в салоне от пограничного слоя при неизменной их общей массе и жесткости. В расчетах изменение шага расстановки ребер сопровождается пропорциональным ему изменением толщины их профилей. Значения низших собственных частот и жесткость

Таблица 1. Геометрия оболочки и параметры металла

Геометрия

Металл обшивки и ребер

Радиус, Я, м 2.0 Плотность, р, кг/м3 2750

Толщина обшивки, к, мм 1.5 Модуль Юнга, Е, Н/м2 7.1 х 1010

Длина пролета, йх, м 0.50 Коэффициент Пуассона, ц 0.33

Ширина ячейки, йу, м 0.167 Тангенс потерь, п 0.03

Число ячеек, МхМу 8 х 24

Размеры, ЬхЬу, м 4.0 х 4.0

фюзеляжа в целом при этом остаются практически неизменными, поскольку они определяются "размазанными" массой и жесткостью на изгиб ребер, которые остаются постоянными при таком изменении параметров конструкции. Естественно, в данной работе никак не затрагивается вопрос влияния таких кардинальных изменений в конструкции фюзеляжа на его прочностные характеристики.

Для расчета шума в салоне самолета использовался разработанный авторами аналитический метод расчета случайных колебаний ортогонально и регулярно подкрепленной оболочки с дискретными ребрами жесткости [1—3]. В этом методе фюзеляж представляется как однородная сплошная тонкая регулярно подкрепленная цилиндрическая оболочка. Метод учитывает только прямое прохождение звука через однородные слои звукоизолирующей конструкции. Косвенное прохождение звука через места креплений панелей интерьера не учитывается.

Колебания оболочки описываются матричным линейным оператором в соответствии с теорией Голденвейзера—Новожилова [4]. Ребра описываются как линейные элементы матричными операторами в соответствии с теорией Власова тонкопрофильных ребер [5]. Решение строится на базе метода пространственных гармонических разложений [6].

Колебания оболочки и ребер раскладываются в двойной и одинарный тригонометрические ряды соответственно. При этом учитывается взаимосвязь всех трех компонент смещений оболочки со всеми компонентами смещения и углом поворота ребер.

Случайное поле пульсаций давления от пограничного слоя описывается с помощью мультипликативной корреляционной функции [7]. Слои звукоизолирующей конструкции описываются матрицами перехода размером 2 х 2. Для расчетов здесь берется прямоугольный фрагмент фюзеляжа. Поле внутри салона рассматривается как диффузное. Средний уровень шума определяется исходя из равенства излучаемой и поглощаемой энергий на единице площади фрагмента. Импеданс излучения внутрь салона для каждой синусоидальной формы колебаний панели интерьера считается по интегральной формуле для прямоугольного отверстия в плоском бесконечном экране [8].

Используемый здесь метод оценки шума от пограничного слоя дает близкие к результатам летных экспериментов результаты только в исследуемой здесь области частот 200—500 Гц. На более низких частотах не учитываются особенности реальной конструкции, и предпочтительней использовать для расчета длинную замкнутую оболочку и точное ре-

Таблица 2. Условия полета и звукоизолирующая конструкция

Условие полета Звукоизолирующая конструкция

Высота полета, Н, м 10000 АТМ-1 (р = 20 кг/м3), к, м 0.07

Число Маха, М 0.74 Воздух, к, м 0.03

Расстояние от носа самолета, X, м 30 Панель, т, кг/м2 2.4

Плотность снаружи, р, кг/м3 0.41 Плотность внутри, р, кг/м3 0.9

Скорость звука снаружи, с, м/с 300 Скорость звука внутри, с, м/с 344

Коэффициент поглощения, а 0.2

шение для акустического поля. На более высоких частотах метод дает заниженные уровни шума в салоне, что может быть связано с наличием косвенных путей передачи звука.

Параметры подкрепленной оболочки фюзеляжа большинства пассажирских самолетов расходятся не принципиально. Толщина обшивки составляет обычно 1—2 мм, шаг установки шпангоутов 45— 55 см, шаг установки стрингеров 15—22 см. Поэтому сделанные в работе выводы могут относиться к большому числу самолетов.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

Для расчетов использовался фрагмент типового пассажирского самолета с радиусом кривизны 2 м, размерами 4 х 4 м и параметрами оболочки, ребер и слоев звукоизолирующей конструкции, указанными в табл. 1—3. В расчетах учитывалось примерно 150 х 150 синусоидальных форм колебаний. Их количество несколько менялось в зависимости от числа ребер. Средний коэффициент поглощения в салоне считался постоянным и равным 0.2. Перепад давления не учитывался.

Вначале продемонстрируем важность учета дискретности ребер. На рис. 2а—2в сравниваются картины обобщенных амплитуд колебаний для ортотропной, изотропной (без ребер) моделей и модели с дискретными ребрами на частоте 300 Гц при наличии звукоизолирующей конструкции и реакции сред. Дугой ограничена область индексов, соответствующих хорошо излучающим формам колебаний.

Для ортотропной модели на этой частоте резонансно возбуждаются только длинноволновые моды, хорошо переизлучающие звук в салон, но плохо согласующиеся с полем внешних сил. Для изотропной оболочки хорошо возбуждаются коротковолновые волны. Также присутствуют излучающие длинноволновые моды, высокая собственная частота которых обусловлена цилиндрической жесткостью.

Для модели с дискретными ребрами наблюдается более сложная картина возбуждения. В акустическую область волновых чисел попадают как формы, характерные для ортотропной модели, так и формы с несколько большими значениями окружных индексов N. Именно они определяют шум в салоне на этой частоте.

На рис. 3 показана частотная зависимость снижения уровня шума для ортотропной и изотропной оболочки, оболочки с дискретными ребрами и с ребрами, шаг расстановки которых уменьшен в полтора раза. Под снижением уровня шума понимается разница уровня пульсаций давления на поверхности фюзеляжа и среднего уровня звука в объеме салона.

Для исходной конструкции вблизи частоты 300 Гц наблюдается провал графика. Он объясня-

Таблица 3. Параметры ребер

Стрингер Шпангоут

Площадь, А, м2 7.5 х 10- -5 3.2 х 10- -4

Главный момент, I, м4 7.5 х 10- -9 3.0 х 10- -7

Момент кручения, /, м4 6.1 х 10- 11 2.4 х 10- -10

Боковой момент, 1г, м4 2.6 х 10- -9 2.1 х 10- -8

Сектор, момент, С, м6 3.4 х 10- -16 2.6 х 10- 11

Центр жесткости, г, м 0.8 х 10- -3 5.3 х 10- 2

Центр массы, гт, м 1.0 х 10- -2 5.0 х 10- 2

ется большой плотностью собственных частот хорошо излучающих мод, которая наблюдается при близости собственных частот шпангоутов к собственным частотами оболочки, подкрепленной только стрингерами, для нескольких значений окружных индексов N. Если шаг ребер уменьшить в полтора раза, то согласно этому расчету, до 400 Гц оболочка будет переизлучать звук подобно ортотропной, что снизит уровень шума в салоне на 2—4

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»