4.7 Звукопоглощающие конструкции и их применение

Методы воздействия на процесс шумообразования в самом вентиляторе трудно осуществимы и, кроме того, неприменимы к уже существующим двигателям. Более простым способом снижения шума вентилятора является устройство звукопоглощающих систем в воздухозаборнике и выхлопном канале двигателя. Этот способ может быть использован как для вновь проектируемых двигателей, так и при модификации существующих. Теория глушения шума в каналах с импедансными границами изложена в ряде научных работ. Акустический импеданс представляет собой отношение комплексной амплитуды звукового давления р к объемной колебательной скорости V. Под последней понимается произведение усредненной по площади нормальной составляющей колебательной скорости на площадь, для которой определяется акустической импеданс:

Z_a = p/V = exp [i(φ_p–φ_υ)] = R + iY, (19)

где (φ_p–φ_υ) - разность фаз звукового давления и колебательной скорости, R называется активным, а Y - реактивным акустическим сопротивлениями. Параметр R связан с потерями звуковой энергии на трение при распространении звуковых волн в облицовочных каналах, замкнутых помещениях, а Y - с реакцией сил инерции (масс) или сил упругости. В соответствии с этим реактивное сопротивление называется инерционным или упругим. Понятие акустического импеданса важно при рассмотрении процессов распространения и излучения звуковых волн из облицовочных каналов в условиях движущейся среды, при исследовании колебаний пластин и стержней, возбуждаемых акустическим полем, а также при распространении звуковых волн вблизи поглощающей поверхности, например земли.

Однако условия работы глушителей на входе и выходе вентилятора двигателя существенно отличаются от обычных. Наличие высоких уровней звукового давления (до 160 - 170 дБ), высокоскоростной поток (до 200 м·с^-1), косое падение звуковых волн (см. рис.21) влияют на акустические свойства звукопоглощающей облицовки и, следовательно, на затухание. Учесть комплекс этих условий теоретически пока не предоставляется возможным, поэтому задача решается экспериментальным путем. Первый этап работы состоит в выборе звукопоглощающей облицовки, удовлетворяющей одновременно акустическим, аэродинамическим, прочностным требованиям и требованиям окружающей среды, второй - в экспериментальной проверке на опытном двигателе (см. рис. 22).

Акустические требования к облицовке заключаются в обеспечении максимального поглощения звука в диапазоне частот дискретных гармоник шума компрессора (f = 1000 - 7000 Гц). Аэродинамические требования включают обеспечение минимальных искажений потока, вызванных наличием звукопоглощающей облицовки. Прочностные требования связаны с обеспечением максимального срока службы такой конструкции. Так, в канале воздухозаборника на облицовку действует давление от 2·10⁴ до 3·10⁴ Па, которое на максимальных режимах работы двигателя может возрастать до 10⁵ - 2·10⁵ Па. Температура на входе в двигатель изменяется от - 30 до + 50⁰ С. В наружном канале двигателя максимальное давление составляет ~ 10⁵ Па, температура в местах установки звукопоглощающих устройств может изменяться от 150 до 400⁰ С. Кроме того, в воздухозаборнике облицовочная конструкция подвергается воздействию атмосферных осадков, пыли, масел.

Наиболее полно всем требованиям удовлетворяет резонансная облицовка, состоящая из пористого слоя, обращенного к потоку, и воздушного объема между пористым слоем и жесткой стенкой, разделенного сотовым хонейкомбом на отдельные ячейки. Пористая поверхность выполняется в виде листового материала, имеющего однородную пористость вдоль осей всей поверхности и обладающего требуемым сопротивлением продуванию. В частности, этим требованиям удовлетворяет перфорированный лист с прилегающей к нему густой металлической сеткой. Широко используются также фиберметалл, представляющий собой структуру беспорядочно сцепленных металлических волокон. Эта структура спекается и прокатывается. В ряде случаев для создания прочной поверхности фиберметалл прокатывается вместе с редкой сеткой, расположенной с двух сторон. Материалом для создания фиберметалла служат нити из меди, серебра или нержавеющей стали. Диаметр волокна в зависимости от типа металла изменяется от 0,01 до 0,25 мм. Однородность пористой поверхности может быть достигнута также за счет спекания и прокатывания двух и большего числа тонких металлических проволочных экранов.

Сотовое основание выполняется из легких материалов (пластика, пропитанного смолистыми веществами, металла и др.). Ячейки основания могут иметь разнообразную форму многоугольников или форму, образованную двумя синусоидами. Сотовое основание препятствует рециркуляции воздуха через пористую поверхность, возникающей за счет градиентов пристеночного статического давления, и тем самым уменьшает потери давления. Кроме того, основание обеспечивает большую прочность по сравнению с облицовочной конструкцией, имеющей дискретные опорные элементы.

Серийно выпускаются фильтровые металлические сетки саржевого плетения, которые в сочетании с перфорированным листом могут быть использованы в качестве пористого слоя. Параметры некоторых сеток представлены в табл. 9. Две первые сетки имеют высокое акустическое сопротивление R_ак, равное ~ 42 и 33 рэлам соответственно, вследствие чего они обеспечивают даже без перфорированного покрытия широкую резонансную кривую коэффициента звукопоглощения с весьма высоким максимумом. Сетки № 120, 90 из стали, имеющие R_ак10 рэл, обеспечивают сравнительно невысокий коэффициент звукопоглощения (α_max0,6), и их применение без перфорированного покрытия нецелесообразно. Однако сетки № 450 и 685 на практике чаще всего используются также с перфорированным листом, служащим защитой от механических повреждений. Наличие перфорированного листа увеличивает общее сопротивление продуванию поверхности и тем самым изменяет поглощающие свойства облицовки. Так, применение панелей с процентом перфорации = 35 (при диаметре отверстий 3 мм и толщине 1 мм) приводит к увеличению сопротивления продувания для сеток № 120, 450 и 685 до ~ 17, 70 и 85 рэл соответственно. Частота максимума, а также величина рассматриваемых облицовок могут быть рассчитаны заранее. Положение максимума для каждой данной пористой поверхности определяется глубиной воздушного объема. В общем случае частота максимума определяется из равенства нулю реактивной компоненты импеданса Y = (kM_эф – ctg kh) = 0, где h - глубина воздушного объема, k = 2πf/C - волновое число, M_эф - эффективная масса воздуха в отверстиях панели с учетом присоединенной массы, равная M_эф = 1/{l + πd/[4φ()]}, где l - толщина перфорированного листа; d - диаметр отверстий в перфорированной панели; φ() = [1 – 1,47+ 0,47()³]^-1 - функция Фока.

Однако расчет эффективной массы по этой формуле для рассматриваемых облицовок с весьма густыми сетками дал величину параметра М_эф, существенно меньшую при всех , чем величина, полученная на основании экспериментальных исследований. Вероятной причиной такого расхождения является изменение присоединенной массы в отверстиях панели, обусловленное наличием сетки. Учесть это теоретически в настоящее время не представляется возможным, поэтому для расчета частоты максимума облицовок с густыми металлическими сетками можно использовать экспериментально полученную зависимость М_эф от степени перфорации панели в процентах (рис. 23).Для расчета величины коэффициента звукопоглощения кроме мнимой части импеданса Y необходимо знать действительную часть R, т.к. α = 4R/[(R + 1)² + Y²]. Параметр R, как показали исследования импеданса, в области максимума остается постоянным. Величина его для четырех типов сеток в зависимости от процента перфорации, полученная при продувании панелей постоянным потоком со скоростью, не превышающей 20 мм·с^-1, представлена на рис. 24.

Высокие уровни звукового давления, имеющие место в воздухозаборнике и наружном канале двигателя, вызывают изменение действительной части импеданса, которая для тонких пористых поверхностей может характеризоваться акустическим сопротивлением R_ак и, следовательно, ее нетрудно определить, задав такую скорость потока через поверхность, чтобы она совпадала с колебательной скоростью в звуковой волне. Результаты исследования пористых поверхностей, включающих относительно редкую алюминиевую сетку и наиболее густую № 685, для различных значений уровня звукового давления также представлены на рис. 22. Аналогичным образом изменяется R_ак и для других сеток.

Таким образом, получив с помощью интерферометра мнимую часть импеданса и определив сопротивление продуванию при скоростях воздушного потока, соответствующих колебательной скорости в звуковой волне высокой интенсивности, можно определить необходимые облицовки при их работе в самолетной компоновке.

Выбор облицовки с оптимальными звукопоглощающими свойствами является необходимым, но не достаточным условием для обеспечения высокого снижения шума компрессора ТРДД в воздухозаборнике. Дело в том, что шум компрессора характеризуется наличием дискретных составляющих, относящихся к высокочастотной области (f > 1000 Гц), а поперечные размеры воздухозаборника велики и составляют несколько длин волн. Звуковые волны в этом случае распространяются по воздухозаборнику почти без потерь, независимо от акустических характеристик облицовки.

Для уменьшения поперечных размеров в воздухозаборнике могут быть установлены концентрические кольца со звукопоглощающей облицовкой, расположенной с двух сторон, причем на поверхность кока также наносится звукопоглощающая облицовка. Возможны и другие способы уменьшения поперечных размеров, например, с помощью облицованных радиальных перегородок или путем выполнения кока в виде грушевидного тела, препятствующего распространению звука от компрессора по прямому лучу. Длина воздухозаборника в последнем случае для обеспечения равномерного поля скоростей на входе в компрессор должна быть увеличена. Многочисленные исследования по затуханию звуковых волн в облицованных каналах воздухозаборника позволили получить зависимости, которые представлены на рис. 25, 26.

На рис. 27 показана схема размещения акустических облицовок газовоздушного тракта современного ТРДД с большой степенью двухконтурности, где воплощены рассмотренные принципы шумоглушения. Для увеличения возможной площади акустической облицовки и большего снижения шума внутренних источников и реактивных струй применена схема с общим реактивным соплом. Относительная площадь звукопоглощающей облицовки примерно в двенадцать раз превышает площадь канала на входе в двигатель: около 60 % этой облицовки размещено в выходном канале внешнего контура, 26 % - в воздухозаборнике и примерно по 7 % в корпусе вентилятора и в затурбинном устройстве.