Еще с конца XX века шумовое загрязнение остается актуальной проблемой человечества. Один из его источников — авиационный шум. При длительном воздействии он вызывает проблемы с органами слуха, повышение артериального давления, раздражительность и усталость. Существенному воздействию вблизи аэропортов подвергается около 3% населения России. Для ограничения шума авиационного двигателя применяют шумоглушащие сопла. Ученые Пермского Политеха выяснили, какая конструкция заглушает максимальное количество шума на низких (до 500 Гц) и высоких (от 1 000 Гц) частотах.
Исследование опубликовано в журнале «Russian Aeronautics», т. 67, № 2, 2024. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-72-00063).
На огромной скорости реактивная струя авиадвигателя турбулизирует воздух, из-за чего возникает вредный шум. Он также может образовываться в результате взаимодействия с окружающей средой или препятствиями в виде частей самолета.
В современном авиастроении ограничение вредного звука достигается за счет увеличения диаметра двигателя — так уменьшается скорость выхлопа и, как следствие, его шум.
Авиадвигатель устанавливается на самолет двумя способами. Чаще всего — под крылом самолета. В этом случае из-за увеличения его диаметра уменьшается расстояние между двигателем и крылом самолета, а это усиливает низкочастотный звук. Другой способ установки — над крылом. Тогда оно блокирует двигатель и уменьшает шум его реактивной струи. Однако, если расположить двигатель слишком близко, увеличится шум взаимодействия воздушной струи и крыла самолета.
Поэтому в авиастроении используют специальные устройства — шумоглушащие сопла. Это каналы конусообразной или цилиндрической формы, которые отвечают за ускорение и направление потоков газов, выходящих из двигателя. К распространенным видам относят шевронное сопло с треугольными зубцами на краях. Оно уменьшает низкочастотный шум, но вместе с тем увеличивает высокочастотный. Другой вид — гофрированное, которое имеет рифление в виде лепестков. При их небольшом количестве (5-6 шт) эффект от гофрированного сопла будет таким же, как от шевронного: уменьшение вредного звука на низких частотах и увеличение на высоких.
Ученые Пермского Политеха провели эксперименты, которые показывают, что как с высокими, так и с низкими частотами шума лучше справляется гофрированное сопло с увеличенным количеством лепестков.
— Мы рассматривали конические, шевронные и гофрированные сопла одинаковых размеров с 12-ю шевронами-лепестками. Эксперименты проводились в камере со специальной установкой, в которой можно исследовать шум от однопроводной струи со скоростью потока до 0,65 М. Сопла изготавливали с помощью 3D-принтера. Поток для них создавался двумя последовательно соединенными вентиляторами мощностью 45 кВт, а шесть микрофонов измеряли исходящий шум, — комментирует Олег Кустов, ведущий научный сотрудник лаборатории механизмов генерации шума и модального анализа Центра акустических исследований ПНИПУ, кандидат технических наук.
— Как показали эксперименты, шевронное сопло снижает низкочастотный шум в области максимума спектра излучения на величину около 2 дБ, но на частотах выше 6 000 Гц наблюдался паразитный высокочастотный шум — до 1,3 дБ на частоте 12 000 Гц. В то же время гофрированное сопло с 12-ю лепестками уменьшало шум до 2,5 дБ во всем исследованном диапазоне частот, — рассказывает Игорь Храмцов, доцент кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Добавление близко расположенной пластины, которая имитирует крыло самолета, показало аналогичные результаты. По сравнению с коническим соплом, шевронное увеличивало низкочастотный шум, а гофрированное, напротив, снижало. Политехники отмечают, что практическое использование такого сопла для реальных авиадвигателей возможно в случае, если шум струи доминирует над другими источниками шума самолета в сертификационных точках. Тем не менее, требуется комплексная всесторонняя проверка акустических и аэродинамических характеристик для каждой конкретной компоновки.
Исследование ученых Пермского Политеха помогает усовершенствовать конструкцию авиадвигателей для улучшения акустических характеристик самолетов и снижения негативного влияния авиационного шума на здоровье человека. Внедрение новых конструктивных решений в проектирование сопел повысит качество жизни людей, которые проживают вблизи аэропортов.
