CC BY
136
РАДИОФИЗИКА
УДК 534.6 (075.8)
К АНАЛИЗУ ВОЗДУШНО-АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ КАТЕРА НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ
© 2009 г. Ю.М. Заславский 1, В.Ю. Заславский 2
1 Институт прикладной физики РАН, г. Н. Новгород 2 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
Поступсла к редакцсю 10.12.2008
Представлены результаты измерения уровня и спектральной обработки экспериментально зарегистрированного воздушно-акустического шума, порождаемого движущимся по реке катером на воздушной подушке. Исследование характеристик воздушно-акустического шума направлено на определение доминирующего механизма генерации звука, для чего проводится обсуждение особенностей его спектра и сделана попытка их физической интерпретации. Полученные данные также рассматриваются с точки зрения возможности использования судна как источника звука в атмосферных акустических экспериментах.
Ключекые слока: звук вращения воздушного винта, уровень шума, спектр шума.
Все более активное изучение физических механизмов генерации акустического шума при движении современных транспортных средств обусловлено как общефизическим интересом к проблеме излучения звуковых волн в атмосферу, так и повышенным интересом к проблеме экологической направленности - снижения шума и вибрации на транспорте. С особенной остротой эта проблема встает для скоростного транспорта, к которому принадлежит, например, катер на воздушной подушке «Хивус-10», используемый как речное такси на волжской переправе в г. Нижнем Новгороде (см. рис. 1). Предметом настоящей работы является анализ интенсивного звука в атмосфере, создаваемого при движении по акватории реки судна на воздушной подушке, в связи с чем представляет интерес рассмотреть результаты экспериментальной регистрации его внешнего воздушноакустического поля. Интенсивный воздушный шум этого судна раздражает слух, и это - негативная сторона явления. С другой стороны, как будет видно из представленных данных, определенные особенности акустического поля такого источника позволяют найти ему применение в системе регулярного мониторинга атмосферы, например путем уточнения метеоданных о силе и направлении ветра. Использование указанного источника в этих целях требует
тщательного исследования характеристик создаваемого им поля. В этой связи выполненный анализ шума касается исследований интегрального уровня и спектрального состава на дистанциях, где их характерные особенности проявляются наиболее отчетливо.
Отметим, что для сообщения катеру поступательной скорости вдоль водной поверхности в его кормовой части установлен маршевый движитель - воздушный пропеллер, вращающийся в вертикальной плоскости, а для поддержания режима «скольжения» над водной поверхностью создается воздушная подушка, для чего используются два двенадцатилопастных осевых нагнетательных вентилятора, обеспечивающих мощный воздушный поток под его днище. В качестве силовой установки на катере используется автомобильный двигатель ЗМЗ-409. Через карданный вал вращение передается на нагнетательные вентиляторы, а через трансмиссию с понижающим передаточным числом К « 3.3 - на ось пропеллера. Если шум нагнетательных вентиляторов частично гасится в замкнутом пространстве между днищем, водной поверхностью и юбкой, выпущенной по периметру корпуса катера, то звук вращения маршевого винта ничем не экранируется, как и в случае винтовых самолетов. Шум двигателя в значительной степени поглощается в силовом отсеке
б
Рис. 1. Общий вид катера «Хивус-10» на воздушной подушке: а - съемка при движении по воде, б - съемка на береговой стоянке (снимки с рекламного сайта фирмы «Аэроход»)
а
катера. Поэтому основным источником внешнего акустического поля судна на воздушной подушке является его маршевый движитель - воздушный пропеллер. Маршевый движитель -шестилопастный пропеллер с размахом лопастей ~ 1.5 м, окруженный коротким кольцевым направляющим экраном, установлен в кормовой части непосредственно перед путевыми рулями симметрично относительно оси судна (см. рис.1). Частота оборотов вала пропеллера при смене эксплуатационных режимов может меняться в широких пределах 600-1400 об. мин.
Сигнал, соответствующий внешнему акустическому полю катера на воздушной подушке, зарегистрирован на ноутбук с подключенным к нему микрофоном, которые установлены на верхней палубе базового судна, идущего в том же направлении, что и катер, но с незначительной по сравнению с ним скоростью. Рас-
стояние между трассами судна и обгоняющего катера, идущего параллельным курсом, на траверсе составляет 50-70 м. Полное время регистрации сигнала лежит в пределах ~ 40 с. Частота дискретизации при записи сигнала ~ 41 кГц, полоса регистрации 20 Гц.. .20 кГ ц. На рис. 2а дается осциллограмма сигнала, соответствующего акустическому шуму, зарегистрированному при проходе катера мимо базового судна, на рис. 2б - шумовая дорожка, соответствующая акустическому фону на палубе базового судна при отсутствии обгоняющего катера (условный режим «тишины»), при этом имеют место негромкие речевые комментарии, порождающие кратковременные броски в шумовой дорожке. Акустический фон, очевидно, обусловлен как шумами ветровой природы, так и вибрацией корпуса базового судна, распространяющейся от силового агрегата и других узлов по его кон-
струкциям и переизлучаемой в воздух. Уровень акустического фона, измеренный шумомером (В & К°Туре 2230), заключен в интервале врікше = 55.5-57 дБ. Видно, что дисперсия сигнала при наличии рядом идущего катера и в его отсутствие отличается примерно в 3-4 раза, т. е. на 9.5-12 дБ. На рис. 3 представлен спектр тонального сигнала акустической калибровки -f = 440 Гц, £сацЬг = 80.3 дБ, создаваемой контрольным источником-калибратором звука и регистрируемой с помощью микрофона на ноутбук. В процессе калибровки в канале регистрации поддерживается усиление, равное его значению в режиме записи сигнала. Амплитуда единственной компоненты, присутствующей в спектре сигнала калибровки, при измерении в относительных единицах, составляет A ~ 9-10 отн. ед.
Время, отн. ед.
б
Рис. 2. Осциллограмма акустического шума: а - при проходе катера на воздушной подушке мимо базового судна, б - акустический фон на палубе базового судна
При обработке сигнала вся реализация разбита на три участка примерно равной длительности. Они соответствуют трем взаимным положениям базового судна и катера: 1 - на дистанциях 150-200 м при приближении к базовому судну, 2 - для траверсного участка (суда по-
равнялись) с минимальным расстоянием между судами 50-100 м, 3 - для конечного участка с дистанциями 150-200 м при удалении катера от судна. Самым высоким по интегральному уровню является шум, зарегистрированный на траверсном участке, где его значение по линейной шкале шумомера достигает Lmax = 67.5 дБ. Аналогичные измерения, выполненные на начальном и конечном участках, где удаления от катера порядка 150-200 м, показывают, что интегральный уровень достигает Lstaгt = 61 дБ и Lfmish = 65.5 дБ, соответственно. По виду осциллограммы также нетрудно сделать вывод, что на начальном участке уровень сигнала, а следовательно, и уровень акустического шума, ниже уровня шума на среднем и заключительном участках. На начальном участке догоняющий катер обращен носовой частью к микрофону, а в последнем случае микрофон принимает шум с направления на корму уходящего катера.
Спектральный Фурье-анализ сигнала выполнен в частотной полосе - 20 Гц...2 кГц. Поскольку уровни и спектральный состав акустического шума необходимо сопоставлять не только с калибровкой, но и с акустическим фоном, на рис. 4 представлен амплитудный спектр акустического фона, зарегистрированного в так называемом вышеупомянутом режиме тишины, осциллограмма которого дана на рис. 2б.
Для демонстрации эволюции спектральных компонент внешнего акустического поля по уровню и по их положению на оси частот в течение всего времени регистрации (40 с) построен его текущий спектр со «скользящим» окном, представленный в виде тоновой картины на рис. 5 а и в виде картины трехмерного рельефа на рис. 5б. В первом случае степень потемнения соответствует интенсивности спектра, во втором - по горизонтальной оси, идущей вправо, откладывается текущее время (^ с), по оси, идущей влево, - значения частоты (/, Гц), информация об амплитуде дается на вертикальной оси. Здесь амплитудные значения несут не столько количественную, сколько качественную информацию, поскольку в дальнейшем такие соотношения представлены на спектральных «разрезах». Скользящее окно при Фурье-анализе состоит из 2048 точек реализации, число окон - 512 (перекрытие окон составляет 4 точки), полный массив включает ~ 106 точек, соответствующих полной длительности реализации т ~ 40 с. Достигаемое разрешение в спектре по частоте - 0.08 Гц. Участок траверса соответствует интервалу ~ 13 с.26 с текущего времени. Из представленной картины нетрудно видеть значительные изменения амплитуды ос-
х 10“
ч
и
К
н
о
с^'
ч
к
ч
к
5!
<
400 800 1200 1600
Частота, Г ц
2000
Рис. 3. Спектр сигнала акустической калибровки - частота f = 440 Гц, амплитуда А ~ 9-10 отн. ед., Lcalibr = = 80.3 дБ
ч
и
к
н
о
с^'
ч
к
ч
к
5!
<
1200
800
400
800 1200 Частота, Г ц
2000
Рис. 4. Амплитудный спектр акустического фона
новных дискретных спектральных гармоник, что обусловлено сильной изрезанностью диаграммы направленности их излучения, которая проявляется при прохождении катера мимо базового судна. Тем не менее местоположение дискрет на оси частот при смене направления на источник в течение десятков секунд сохраняется или изменяется мало. В силу указанной особенности в условиях проведенного эксперимента съем азимутально-угловой характеристики направленности на дискретных компонентах акустического излучения оказался затруднительным. Об анализе частотных вариаций этих компонент ниже будет сказано подробнее.
Для количественной оценки амплитуды спектральных компонент, соответствующих трем ра-
нее указанным участкам, построены разрезы спектра во временном окне ~ 13 с, совпадающем с аналогичным значением, используемым при вычислении спектра сигнала-калибровки, что необходимо для корректного измерения спектральных амплитуд информативного сигнала. Результаты спектральной обработки указанного сигнала, зарегистрированного на каждом из обозначенных участков, представлены на рис. 6а, б, в амплитудными спектрами в линейном масштабе. Характер спектра линейчатый, в нем насчитывается до десятка и более гармоник частотного ряда с основной лопастной частотой ~ 114-117 Гц. Пересчет с использованием вышеуказанного числа редукции К к частоте оборотов вала дает примерное значение
2000
1500
Я
1000
500
11
0 10 20 30 40
г----------г----------1-----------,----------(--------------------------------т-----------т----------т
■I---------------------------------------------------1---------------------------------------------------1-------------------------- , і , , , і І , , і І , , і І , , і---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1-------------------------------------------------+■
t, сек
а
вальной частоты ~ 19 Гц, что укладывается в интервал наиболее типичных при эксплуатации значений частоты вращения вала маршевого пропеллера катера, когда двигатель ЗМЗ-409 развивает мощность, близкую к максимальной.
В спектре шума присутствует также распределенная составляющая, которая дает определенный вклад в интегральный уровень внешнего акустического поля катера, наиболее заметный на дистанциях, не превышающих нескольких сотен метров до источника (траверсный участок), и проявляющийся в средней части картины текущего спектра (рис. 5). Известно, что источником шума, имеющим распределенную спектральную компоненту, является срыв вихрей с лопастей пропеллера и нагнетательных вентиляторов. Шум с аналогичным спектральным составом генерируется механизмами сило-
вой установки, а также порождается турбулентным истечением воздуха из-под корпуса, где поддерживается избыточное давление воздушной подушки. Сравнение спектра шума катера (на траверсе) со спектром фона, регистрируемого в режиме тишины (рис. 4), показывает, что спектральная амплитуда распределенной компоненты информативного сигнала возрастает по сравнению с фоном примерно на 3-5 дБ в полосе частот 20 Гц. ..2 кГц. Несмотря на то, что средний уровень распределенной составляющей спектра ниже уровня наиболее интенсивных лопастных гармоник примерно на 10-15 дБ, ее вклад в интегральный уровень внешнего поля иногда сравним, а на ближних дистанциях даже несколько превышает уровень, создаваемый дискретами.
Сравнение спектров на всех трех рисунках показывает, что на разных участках регистрации
ч
я
ч
с
4000
3000 -
2000
1000
6000
4000
< 2000
400 800 1200 1600
Частота, Гц
2000
400 800 1200 1600
Частота, Гц
2000
я
ц
я
8
4500
3000
1500
400
800
1200 1600 Частота, Гц
2000
Рис. 6. Амплитудный спектр воздушно-акустического шума катера на воздушной подушке в линейном масштабе: а - начальный участок, б - траверс, в - конечный участок
б
а
в
имеет место смена соотношения уровней дискрет, но наиболее интенсивными остаются 2-я, 3-я и 4-я гармоники указанного ряда, а на последнем участке возрастает амплитуда 6-й и 8-й. Суммируя «по энергии» дискретные и распределенную спектральные компоненты, присутствующие в спектрах и представленные в относительных единицах на рис. 6а, б, в, можно получить примерно те же значения интегрального уровня шума, максимальные уровни которых были измерены шумо-мером на всех трех участках регистрации. При этом достаточно выполнить пересчет от уровня звука калибровки, фиксируемого шумомером в логарифмическом масштабе (дБ), и установить его соответствие амплитуде дискретной спектральной компоненты, представленной на рис. 3 в относительных единицах линейной амплитудной шкалы (/ = 440 Гц, А ~ 9-104 отн. ед.). В спектре на рис. 6а (начальный участок регистрации акустического поля катера) имеет место спад уровня дискретных компонент с ростом номера гармоники, близкий к результатам, полученным в классических исследованиях звука вращения винта в свободном пространстве [1, 2]. В них было показано, что спектр излучаемого звука характеризуется спадом уровня составляющих его лопастных гармоник примерно на 3 дБ с увеличением их но-
мера. Такая закономерность не сохраняется в отношении компонент спектра на двух последних участках движения катера, что обусловлено явлениями, вызванными экранировкой шума источника конструкциями корпуса, и интерференцией со звуковым полем, отраженным водной поверхностью. Из результатов обработки эксперимента также следует, что дискретные компоненты спектра воздушно-акустического шума имеют малую ширину частотной полосы. По оценкам, ширина полосы указанных дискретных компонент (по уровню 0.7 пикового значения) имеет порядок
Ь/а1Г « 0.3 - 0.5 Гц. Это позволяет обнаружить частотные сдвиги этих компонент в отличие от спектров гидроакустических сигналов речных и морских винтовых судов, которые в своем составе также имеют дискретные компоненты, но с заметно большей шириной «линии» щУгуйго к з - 5 Гц. Малость ширины линии линейчатых спектров дает возможность установить, что средние значения частотного интервала между дискретами, соответствующими регистрации сигнала на начальном и конечном участках (рис. 6а, рис. 6в), имеют неодинаковую величину. Эта особенность является следствием эффекта Доплера в первую очередь за счет движения источника
звука. На начальном участке fbade = 117 Гц, а на заключительном аналогичное значение составляет fblade = 112.5 Гц. Известно, что доплеровский сдвиг частоты Af связан с частотой колебаний в источнике f и с относительной скоростью движения v в системе источник - приемник зависимостью Af = f (v/c), где с = 340 м/с - скорость звука в воздухе [3]. Если принять, что
КГ I rStart Г finish I //-)
Af = Vblade - Jblade )/2 , то его величина составляет Af = 2.25 Гц, откуда с учетом значения
средней частОты1 f=(/^Ьше + Лы^/2 =114.75 Гц
(отождествляемой с частотой колебаний в источнике) нетрудно получить оценку скорости движения катера относительно базового судна v = c(¥lf )= 6.7м/с или 24 км/час, которая соответствует упомянутой относительной скорости в реальных экспериментальных условиях. Определение величины частотного смещения спектральных линий упрощается при переходе к рассмотрению гармоник высоких номеров, например к 12-й гармонике, которая еще заметно превышает уровень распределенной компоненты спектра воздушного шума, соответствующего как начальному (рис. 6а), так и конечному (рис. 6в) участкам. В случае приближения источника к приемнику значение частоты этой гармоники спектра составляет 1400 Гц, а при удалении - 1350 Гц, при этом элементарный пересчет к первой лопастной гармонике подтверждает правильность выполненной оценки величины частотного смещения.
Интересно отметить качественное сходство представленного выше линейчатого спектра внешнего акустического шумового поля катера на воздушной подушке со спектральным составом шума речных судов, на которых устанавливаются дизельные двигатели, а также шумов обычных двигателей внутреннего сгорания [4, 5].
Таким образом, проведенные измерения убедительно показывают, что маршевый пропеллер является основным источником интенсивного внешнего воздушно-акустического поля катера на воздушной подушке. Из изложенных выше экспериментальных данных, в частности, следует, что для внешнего акустического поля этого судна характерны особенности, свойственные воздушно-винтовым транспорт-
ным средствам. Это полигармонический, стабильный во времени спектральный состав (неизменность частоты дискретных спектральных компонент сохраняется в течение нескольких десятков секунд, следствием чего является их малая ширина линии). В условиях спокойной погоды звук пропеллера может быть уверенно зарегистрирован на территориях с удалением от источника порядка 1-2 км, а за счет оптимальной фильтрации и выделения дискрет и на больших удалениях, при этом влияние метеоусловий на дальность регистрации требует дальнейших специальных исследований. Все перечисленное свидетельствует о возможности его применения (в попутном режиме движения катера) в службе метеорологического прогноза и при атмосферных мониторинговых исследованиях в акватории рек. Вместе с тем необходимо обратить внимание на достаточно высокий интегральный уровень внешнего акустического шума ~ 80-85 дБ, измеренный на борту катера вне пассажирской кабины, хотя уровень шума внутри нее не превышает нормативного порога. Можно предположить, что воздушно-акустический шум, значительно превышающий по уровню нормативный порог, будет сопровождать движение экранопланов, снабженных более мощными авиационными двигателями и винтовыми движителями, скользящими над поверхностью водоемов, как и суда на воздушной подушке. Но здесь мы сталкиваемся с уже известной, хотя и все более актуальной проблемой понижения шумности на скоростном наземном и авиационном транспорте, вблизи аэропортов и т. д., обсуждение которой выходит за рамки настоящей работы.
Список литературы
1. Авиационная акустика / Под ред. А.Г. Му-нина и В.Е. Квитки. М.: Машиностроение, 1973. 340 с.
2. Гутин Л.Я. О «звуке вращения» воздушного винта // ЖТФ. 1942. Т. 12. Вып. 2-3.
3. Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды. М.: Наука, 1981. 208 с.
4. Заславский Ю.М., Заславский В.Ю. Сейсмические колебания берегового грунта, создаваемые моторной лодкой // Ежегодник РАО «Акустика неоднородных сред». Сборник трудов школы-семинара под руководством проф. С.А. Рыбака. Троицк: Изд-во «Тровант», 2008. Вып. 9. С. 115-126.
5. Юдин Е.Я. Борьба с шумом. М.: Стройиздат, 1964. 650 с.
ON THE ANALYSIS OF HOVERCRAFT AIR-ACOUSTIC FIELD
Yu.M. Zaslavsky, V.Yu. Zaslavsky
The results have been presented of noise level measurements and spectral analysis of experimentally recorded air-acoustic field produced by a hovercraft moving along the river. The study of air-acoustic noise characteristics is intended to identify the dominant sound generation mechanism. For this purpose, a discussion of some peculiarities of noise spectrum has been presented together with an attempt of their physical interpretation. The experimental data are also considered from the point of view of using the hovercraft as a sound source in atmospheric acoustic experiments.
Keywords: sound of air propeller rotation, noise level, noise spectrum.
