CC BY
33
УДК 629.7.036.3:534.83
Г. И. Сокол, У. Н. Тучина
СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ШУМОВ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ
КАМЕРЫ
Представлены результаты спектрального анализа шумов, возникающих в воздушной среде при работе устройств типа пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, рабо-
тающего на месте.
Введение
Шум оказывает отрицательное физиологическое и раздражающее действие на человека. Поэтому борьба с шумом - это часть важнейшей проблемы: охраны окружающей среды. В настоящее время проводятся многочисленные исследования по определению спектральных составляющих шумов авиационных, автомобильных двигателей. Выясняется механизм возникновения транспортных шумов и исследуется влияние характеристик двигателей на величину звукового давления. В наиболее развитых странах мира, таких как СССР, США, Франция созданы методики расчета шума самолетов и разработаны методы его снижения [1, 2]. Источниками шума турбореактивных двигателей являются вентилятор, компрессор, турбина, реактивная струя [3]. У турбовентиляторных двигателей с умеренной степенью двухконтурности основным источником шума считается компрессор низкого давления (вентилятор). Расчетные формулы для определения гармонических составляющих шума, генерируемого лопатками рабочего колеса компресора и его направляющего аппарата, приведены в [1, 3]. Шум реактивной струи исследован в [4]. Реактивная струя шумит в результате смешения ее с окружающим воздухом. Модели шумо-образования струй различного типа (сверхзвуковых или дозвуковых) подробно рассмотрены в [2, 4]. Отмечено, что на расстоянии, большем 20 диаметров сопла, реактивная струя почти не шумит.
Важным объектом исследования является волновой процесс внутри камеры сгорания двигателей или шум горения. Результаты экспериментальных и теоретических исследований довольно широко представлены в [5-8]. Изучение шума ПуВРД является актуальным вследствие применения двигателя в различных областях народного хозяйства: в качестве двигателей на телеуправляемых самолетах [1], для приведения в движение лопастей винтов геликоптеров, для резки арктических льдов, как составная часть воздушно-реактивного двигателя. В [9, 10] представлены данные измерений тяги ПуВРД. Рассмотрены особенности различных конструктивных
© Г. И. Сокол, У Н. Тучина, 2008
схем пульсирующих двигателей. Разработаны устройства, обеспечивающие впрыск, смешение и горение компонентов в камере. Предложены глушители размеры которых определены на основе эмпирических зависимостей. Применение ПуВРД в указанных областях неразрывно связано с защитой окружающей среды от их шумового воздействия.
Целью настоящей работы является составление методики исследований и анализа спектрального состава шума в звуковом поле пульсирующей камеры и внутри камеры сгорания. Следует определиться с энергетическим вкладом отдельных гармоник в общем спектре шума и определить процентный вклад низкочастотных гармоник как наиболее энергонесущих и вредно влияющих на людей.
1 Постановка задачи
ПуВРД воздействует на среду циклически следующими потоками газов или струй из сгоревших компонентов топлива. Источником располагаемой энергии ПУРВД является химическое превращение компонентов топлива в продукты сгорания. В процессе работы ПуВРД вызывает периодические возмущения среды на срезе сопел двигателя, которые распространяются в области атмосферы, ранее волнами не затронутые. Частотная характеристика звукового поля обусловлена частотой следования отдельных потоков газа в секунду, а значит, частотой пульсации давления в камере сгорания двигателя.
2 Экспериментальная установка и проведение измерений
В условиях лаборатории ПНИЛ САКУ Днепропетровского национального университета были проведены исследования шумов пульсирующей камеры, или ПуВРД, работающего на месте [11].
Разработана методика спектрального анализа шумов, заключающаяся в том, что сначала путем измерений получают вид функции периодически изменяющегося избыточного давления, а затем, используя разложение Фурье, рассчитывают спектральные составляющие.
Принцип работы пульсирующей камеры следующий. Воздух под давлением из баллона 1 проходит по трубопроводу 4 через газовый редуктор и
входит в карбюратор, где смешивается с бензином (из бака 3). Затем топливная смесь подается в камеру сгорания 2 и периодически поджигается свечей 6, продукты сгорания устремляются в сопловую крышку 7. Внутрикамерное давление контролируется манометром 5. Критическое сечение сопел крышки выбрано таким образом, чтобы обеспечить сверхзвуковой режим истечения. В результате работы камеры совершается периодическое воздействие ударными из продуктов сгорания на окружающую среду. Описанное явление повторяется с заданной частотой, в результате чего устройство генерирует возмущения в окружающей среде, повторяющиеся с той же частотой. Принципиальная схема устройства и схема установок микрофона 8 показана на рис. 1. Данные с микрофона 8 фиксировались и анализировались шумомером типа 2203 фирмы «Брюль и Къер».
В ходе исследования осуществлялась запись величин низкочастотных пульсаций давления внутри камеры на ленту осциллографа датчиком 6. Микрофон 8 устанавливался на расстояниях 1.5; 3; 5; 10; 15 мет-
ров от среза сопла пульсирующей камеры. Уровень звукового давления фиксировался также шумоме-ром 9 с точностью ±1 дБ.
3 Методика анализа шумов внутрикамерно-го импульсного процесса
Изменение давления в камере сгорания по времени можно описать следующей периодической импульсной функцией
рк () =
| Рк (г) для 0 < г < т \Рн для т < г <Т ,
(1)
где Рн - давление в камере сгорания до начала процесса горения; р'к (г) - функция давления газов в
камере сгорания, описывающая повышение давления вследствие сгорания топливной смеси и падение его вследствие истечения газов из камеры сгорания в окружающую среду; т - время, в течение которого давление в камере сгорания изменяется по
функции рк (г); Т - период процесса.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки и расстановки измерительной аппаратуры
Рис. 2. Вид пульсаций давления внутри камеры сгорания
Величина давления в камере сгорания при пульсациях и частота появления пульсаций измерены и записаны на осциллограмме при экспериментальных исследованиях (см. рис. 2).
Амплитуды, частоты и фазы гармонических составляющих спектра шума были определены по записи периодической функции импульсов звукового давления путем использования стандартной программы для разложения в ряд Фурье периодических функций и представлены на рис. 3.
Видно, что спектр функции давления повторяет ее вид. Наиболее энергонесущие спектральные составляющие относятся к низкочастотной части спектра.
188М1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008
- 129 -
Р
[Па]
ю я
8
1 б
5 4 3 2 I
0
Рис. 3. Спектр пульсаций давления внутри камеры сгорания
4 Методика анализа шумов периодического процесса в воздушной среде
Выражение для функции избыточного давления в зависимости от времени при воздействии на окружающую воздушную среду периодически истекающих струй из продуктов сгорания имеет вид [11]
/ (() =
АРшб (/) при 1Т < г < 1Т+—
п
— ( ) , (2)
0 при —+—<г<(( + 1)Т п
где Т - период следования отдельных струй; I = 1, 2, 3......; п - частота повторения процесса воздействия.
Записана осциллограмма изменения избыточного давления в воздушной среде (см. рис. 4).
Получено разложение периодической функции (2) в ряд Фурье и определены ее гармонические составляющие [11]. На рисунке 5 представлен спектр шума в воздушной среде.
5 Обсуждение результатов
Анализ спектра, представленного на рис. 5, показал, что 70 % энергии спектра сосредоточено в его низкочастотной части.
Выводы
Разработана методика спектрального анализа шумов, заключающаяся в том, что сначала путем измерений получают вид функции периодически меняющегося избыточного давления, а затем, используя разложение Фурье, рассчитывают спектральные составляющие. Представлены результаты разложения Фурье для функций, описывающих
Рис. 4. Вид функции звукового давления в зависимости от времени в атмосфере при действии на среду струями из продуктов
сгорания ПуВРД
Рис. 5. Спектр функции звукового давления в атмосфере при действии на среду струями из продуктов сгорания ПуВРД
пульсирующее давление внутри камеры и избыточное давление в воздушной среде. Анализ спектров показал, что при воздействии на воздушную среду периодически следующими струями из продуктов сгорания ПуВРД с частотой пульсаций давления в камере сгорания 1,5 Гц наиболее энергонесущими гармониками спектра являются низкочастотные составляющие. Причем 70 % из них составляют гармоники низкочастотного диапазона.
Перечень ссылок
1. Справочник по технической акустике / Под ред. М. Хекла и Х.А. Мюллера. - Л.: Судостроение, 1980. - 372 с.
2. Аэроакустика. - М.: Наука, 1980. - 144 с.
3. Воздушно-реактивные двигатели / Под ред. Д-ра техн. наук Шляхтенко С.М. - М.: Машиностроение, 1975. - 568 с.
4. Лебедев И.Г., Теленин Г.Ф. Частотные характеристики сверхзвуковых струй. - М.: МГУ, 1978. - 118 с.
5. Нестационарное распространение пламени. - М.: Мир, 1968. - 437 с.
6.
7.
Северянин В.С. Об определении амплитуд переменного давления газа в устройствах пульсирующего горения. - Изв. вузов: Энергетика. - 1978. - № 5. - С. 130-132.
эмолетов с
^активны м и
гателям и / f
r-O krog G unter. U ber die Vorgange i ohren m it pulsierenden Verbrennung r., Berlin, V. D .1 Z . - 1976. - N 47 R.(6).
Ю . Н ., П олев А . С ., Тарасов А . И . Резул
|рую щ их д е
> а к т и чес
lew e g e n
I frasch allq u ellen - M es
ingen an D us
еакти вн ого
i и гателя .
Поступила в редакцию 28.02.2008
Представлено результати спектрального анализу шумгв, що виникають у повгтряному просторi, коли працюють пристро'1 типу пульсуючого повтряно-реактивного двигуна, який працюе на Mi^i.
Results of the spectral analysis of the noise that are generated by devices such as immovable air reactive engine are present.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008
- 131 -
