5.4. Методи і засоби зниження авіаційного шуму

Зниження шуму літальних апаратів – частина важливої проблеми захисту навко­лишнього середовища. Шум, що створюється літаками, справляє шкідливий фізіоло­гічний вплив на населення, яке проживає поблизу аеродромів, на персонал, який об­слуговує авіаційну техніку, на пасажирів, які перебувають на борту.

За своєю природою звук – це коливальний процес у пружному середовищі, що характеризується певною частотою (або довжиною хвилі), тобто певним тоном.

Зви­чайно, звуки навколо нас створюються різними джерелами, мають різні частоту і амплітуду коливань. Для аналізу звукових збуджень будуються акустичні спектри (залежності амплітуди від частоти). Якщо спектр звукового впливу є практично без­перервний, тобто містить коливання практично всіх частот усередині певного діапа­зону, то така його дія сприймається як шум. Часто шумом називається будь-який звук, що подразливо впливає на слухові органи та психіку людини. Отже, шумо­вий вплив треба контролювати й обмежувати. Для цього введено низку фізичних величин, що нормують рівень шуму.

Основні поняття і визначення

Джерело звуку характеризується акустичною потужністю W, під якою слід розу­міти кількість звукової енергії, що випромінюється джерелом за одиницю часу в нав­колишнє середовище. Акустична потужність джерела звуку вимірюється у ватах (Вт). [10]

Інтенсивність (сила) звуку J – це енергія, що переноситься за 1 с звуковою хвилею через елемент поверхні площею 1 м², розташованої перпендикулярно до напряму руху звукової хвилі.

У разі поширення звукових хвиль виникає надмірний, відносно атмосферного тиск, який називається звуковим тиском Р_зв. Інтенсивність (сила) звуку визначається по наступному співвідношенню:

де р_н та а_н – густина незбуреного потоку та швидкість поширення зву­кових збурень у ньому відповідно.

Одиницею сили звуку є ват на квадратний метр (Вт/м²).

Вухо людини здатне сприймати багаторазову зміну сили звуку від найнижчого значення (порогу чутності) до найвищого, що спричиняє появу больових відчуттів. Силу звуку оцінюють її рівнем:

що еквівалентно

де індексом «0» позначено величини, які від­повідають порогу чутності:

Одиницею рівня сили звуку є бел. На практиці частіше використовується одиниця у 10 разів менша – децибел (дБ). Тоді вище наведені співвідношення можна подати у наступному вигляді:

Людина нормально сприймає звуки, рі­вень яких лежить у межах 0...140 дБ.

Однак при оцінюванні впливу звукових сигналів і шумів важливе значення має їх частота f, що вимірюється у герцах (Гц). Частоти, які сприймаються вухом, лежать у діапазоні від 20…20000 Гц. Найбільш неприємним для людини є шум у діапазоні частот 3000…5000 Гц.

Звуки, що мають однакові рівні, але різні частоти, по-різному сприймаються лю­диною. Для зіставляння подразливого впливу звукових хвиль різних рівнів і частот введенорівень шуму PNL (абревіатура від «perceived noise level» - сприймаємий рівень шуму), що вимірюється у PNдБ.

Для прикладу, на рис. 5.1 показано криву, що відображає сприйняття людиною звуків різних частоти та рівня, як рівношумних, по відношенню з рівнем шуму PNL = 100 PNдБ.

На рис. 5.2 відображено рівні шумів, створюваних літальним апаратом та іншими об’єктами, з використанням шкали PNдБ. Важливе значення має також тривалість дії шуму, для врахування якої введено ефективний рівень шуму EPNL (абревіатура від «effective perceive noise level»), що

вимірюється в EPNдБ.

Значення PNL та EPNL визначаються за допомогою залежностей, які враховують реакцію людини на шум різного частотного складу. Обидва параметри вико­ристовуються під час сертифікації авіаційних силових установок і ЛА.

Допустимий рівень шуму літальних апаратів

Шум, що створюється літальним апаратом, відрізняється від шуму власне силової установки, незважаючи на те, що вона є його основним джерелом. Рівень шуму зале­жить від компонування двигунів на літальному апараті, їхньої кількості, режимів польоту та інших факторів. [10]

Враховуючи шкідливий вплив шуму на навколишнє середовище, його рівень кон­тролюється. У багатьох промислово розвинених країнах світу існують стандарти, що визначають допустимий рівень шуму, який створюється літальними апаратами різних типів. Міжнародна організація цивільної авіації (ІСАО) на підставі накопиченого досвіду впровадила міжнародний стандарт, згідно з яким на льотному полі виби­рають три позиції (рис. 5.3), в яких вимірюється рівень шуму літального апарата: позиція №1 – при розбізі на відстані 450 м від осі злітно-посадкової смуги; позиція №2 – при наборі висоти 500 м на відстані 6500 м від початку розбігу; позиція №3 – при зниженні на відстані 2000 м до початку ЗПС.

Допустимий рівень шуму зале­жить від злітної маси літального апа­рата, кількості двигунів, траєкто­рії польоту. На рис. 5.4 показа­но допустимі значення EPNL у трьох зазначених вище контроль­них позиціях, для літальних апа­ратів, обладнаних різною кількіс­тю двигунів. Максимальне значен­ня EPNL не перевищує 108 EPNдБ. Стандарти ІСАО враховують, що дво- та трьохдвигунові літаки ма­ють більшу тягоозброєність, ніж чотирьохдвигунові, та можуть наби­рати висоту за стрімкішою траєк­торією. Отже, допустимий рівень шуму для цих літаків у позиції №2 зани­жений.Шум визначається під час випробування лише одного літака, а результати виміру поширюються на усі аналоги того са­мого типу, що мають незмінні злітно-посадкові характеристики, злітну масу і тип двигунів. Результати вимірювань мають бути приведені до стандартних умов щодо тем­ператури, тиску і вологості навколишнього середовища, а також швидкості вітру. У табл. 5.3 наведено значення рівнів шуму літа­ків у позиціях №1, 2, 3, що були визначені під час їх сертифікації.

Отже, усі створювані та раніше розроблені літальні апарати цивільної авіації, виробництво яких триває, мають відповідати стандартам ІСАО. Обмеження та зни­ження шуму літаків, що експлуатуються і не задовольняють вимоги чинних стандар­тів, є важливою проблемою, а її розв’язання може бути успішним лише за умови впровадження комплексу заходів, основними з яких є конструктивні вирішення, спрямовані на послаблення джерел шуму.

Джерела шуму ГТД

В авіаційних двигунах основними джерелами шуму є реактивний струмінь, ком­пресор, турбіна, а також вентилятор у ТРДД та гвинт у ТГД (ТГВД).

На рис. 5.5, за дани­ми фірми «Роллс-Ройс», порівнюються складові загального рівня шуму одно- і дво­контурного ТРД з великим ступенем двохконтурності. В одноконтурному ТРД най­вищий рівень шуму створює реактивний струмінь 4, а на режимах пониженої тяги – турбіна 3. У двоконтурному ТРД з невеликими значеннями ступеня двохконтурності (m ≤ 2) основним джерелом шуму є вентилятори 1 і 2, а рівень шуму, що створюється реактивним струменем, набагато нижчий. У разі зростання ступеня двохконтурності загальний рівень шуму зменшується, оскільки знижується швидкість витікання газів із реактивного сопла.

Застосування спеціальних підходів при проектуванні вентиляторів таких двигу­нів дає змогу знизити їхній шумовий вплив. [10]

Зниження рівня шуму ГТД

Проблема зниження рівня шуму літальних апаратів з повітряно-реактивними дви­гунами може розглядатися тільки як комплексна проблема, складовими якої є: ство­рення нових малошумних двигунів; удосконалення машин, що експлуатуються; раціо­нальне компонування літального апарата; оптимізація режимів його польоту та ін.. [10]

Конструктивні заходи, які застосовуються під час проектування і модифікації авіа­ційних силових установок, мають спрямовуватися на зниження рівня шуму, що гене­рується елементами проточної частини двигуна.

Різноманітність існуючих підходів, відсутність за­гальних рекомендацій, суперечливий характер експе­риментальних даних свідчать про складність проблеми. Деякі з можливих шляхів її вирішення наведені нижче.

До заходів щодо зниження рівня шуму струме­нів відноситься встановлення на двигун приладів, які дають змогу інтенсифі­кувати процес змішування. До них належать розсікачі та турбулізатори потоку, розташовані всередині сопла і на його зрізі. З метою змен­шення шуму в певних напрямах використовують асиметричні сопла та сопла з екра­нами. Застосування шумопоглинальних сопел різної конструкції дає змогу знизити рі­вень шуму, що створюється струменем. Практично шумоглушники такого типу є без­посереднім продовженням реактивної насадки і можуть мати гофровану поверхню з центральним тілом та без нього, багатотрубчасту, пелюсткову, або інші структури. Кількість гофрів і труб може варіюватися у широкому діапазоні.

Звичайно, застосування шумоглушників збільшує гідравлічний опір сопла (змен­шується коефіцієнт швидкості φ), що призводить до зниження питомої тяги двигуна та зростання питомої витрати палива. Тому перед конструктором постає складне завдання – розроблення шумопоглинального пристрою, який значно зменшував би акустичну потужність струменя при невеликому збільшенні гідравлічного опору. В добре відпрацьованих шумопоглинальних пристроях зменшення потужності шуму завдяки зміні форми сопла може становити 7…10 дБ на кожні 1…2 % зниження ефективної тяги двигуна.

Для зниження рівня шуму реактивних струменів у ТРД доцільно використовува­ти сопла з геометрією, що змінюється під час польоту. В конструкції таких сопел є регульовані елементи (пелюстки, розсікачі, лопатки, стрижні), що вводяться в потік на режимах зльоту та посадки і прибираються під час польоту на крейсерському режи­мі. Такі шумопоглинальні системи можуть мати досить високу акустичну ефективність (зниження рівня шуму на зльоті на 5…7 PNдБ) при втраті тяги на маршовій ділянці приблизно 0,5%. Слід зазначити, що застосування шумопоглинальних пристроїв змен­шує шум, створюваний не тільки реактивним струменем, а й іншими джерелами, що містяться всередині двигуна.

Щоб послабити шум вентилятора ТРДД, передбачаються подовжені канали на виході із зовнішнього контуру, використовувати які доцільно при зниженні літаль­ного апарата перед посадкою.

Подовження каналів застосовується разом з їх обли­цюванням звукопоглинальними матеріалами. Облицювання виконується у вигляді панелей (рис. 5.6), в яких пористий шар 4 (див. рис. 5.6, б), що прилягає до пото­ку, з’єднується з великою кількістю сотових структур 3, обмежених твердою стінкою 2. Саме у цих структурах розсіюється акустична енергія звукових хвиль 1.

Існують звукопоглиначі, що застосовуються для послаблення дискретних тонів, або широкосмугово­го шуму. При їх конструюванні враховується співвідношення висоти каналу та дов­жини звукової хвилі. Недоліком такого досить простого способу шумопоглинання, що не потребує зміни конструкції двигуна, є

можливість руйнування звукопоглинача в процесі експлуатації.

З метою зниження рівня шуму, що створюється лопатевими апаратами вентиля­тора, застосовуються спеціальні заходи. На відміну від двоконтурних авіаційних двигунів 60-х років, вентилятори яких мали кілька ступенів, оснащених вхідним направляючим апаратом (ВНА), малі осьові зазори між вінцями, короткий канал зовнішнього контуру, компресор внутрішнього контуру, а також звукопоглинальне покриття, сучасні двигуни мають одноступеневий вентилятор без ВНА з оптимально віддалени­ми від нього вздовж осі соплового апарату (СА) зовнішнього та НА внутрішнього контурів, збільшені за­зори між лопатевими апаратами, збільшену довжину каналу зовнішнього контуру, а також звукопоглинальне покриття. Ретельно підбираються співвідношення кіль­кості лопатей, що обертаються, та нерухомих лопатей.

Застосування СА з кількістю лопатей, що більш ніж удвічі перевищує кількість лопатей робочого колеса (РК), що дає змогу досягти ефекту відсікання шуму взаємодії ротора і статора.

Правильний вибір співвідношення кількості лопатей може привести до зниження рівня акустичної потужності на 5…7 дБ. Певного зниження шуму можна також досягти і при встановленні нахилених лопатей. Навіть невелике зменшення колової швидкості кінців лопатей може дати істотне зниження шуму. Так, перехід від колової швидкості 400 м/с до 375 м/с знижує рівень акустичної потужності приблизно на 10 дБ. Просторове профілювання лопатей вентилятора дає змогу оптимізувати кути натікання потоку.

Прагнення до збільшення потужності вентиляторів і подальшого підвищення сту­пеня двохконтурності сприяло появі ТГВД різних типів.

Порівняно з традиційним гвинтом турбогвинтового двигуна, гвинтовентилятор має більшу кількість лопатей, менший діаметр і вищу частоту обертання. Шаблепо­дібна (зігнута назад) у кінці форма лопаті створює такий самий ефект, що й стріловидна форма крила надзвукового літака. Вона дає змогу знизити нор­мальну (відносно вхідної кромки) складову відносної швидкості потоку. Це сприяє зменшенню рівня максимальних швидкостей на профілі, даючи змогу або уникнути появи ударних хвиль, або знизити їхню інтенсивність, а значить, зменшити рівень шуму, що генерується. Збільшення кількості лопатей гвинтовентилятора (порівняно з повіт­ряним гвинтом) знижує навантаження на одну лопать і підвищує частоту тонів. На­слідком цього є швидше згасання звукових коливань в атмосфері. Акустична взає­модія вінців, які обертаються у протилежних напрямах, при оптимально вибраних осьових зазорах між роторами приводить до зниження рівня шуму, що поширюється від вентилятора за рухом потоку та проти нього.

Шум, який створюється літальним апаратом і контролюється відповідно до стан­дартів ІСАО, може значно відрізнятися від шуму, що створюється власне силовою установкою.

Раціональне компонування двигуна на літальному апараті може знизити шум, який генерується. Таке компонування передбачає використання позитивних ефектів екра­нування прямого акустичного випромінювання або корисної інтерференції. Напри­клад, встановлення двигуна під крилом або на фюзеляжі (за крилом і вище від нього) зменшує шум компресора, особливо на посадковому режимі. Аналогічний ефект зниження шуму досягається на трьохдвигунових літаках при встановленні середнього дви­гуна у хвостовій частині фюзеляжу, коли вхідний пристрій має S–подібну форму. У разі компактного розташування двигунів зменшується шум, що поширюється у площині їх компонування.

Характеристики випромінювання та поширення шуму можуть бути істотно

зни­жені застосуванням асиметричних вхідних і вихідних пристроїв. Оскільки до землі доходять лише звукові хвилі, які випромінюються під час польоту в нижню півсферу, для зниження рівня шуму використовують будь-які засоби, що відбивають більшу частину звукової енергії вгору та вбік. Такими засобами є сопла не круглого перері­зу, повітрозабірники з висувними елементами та поворотними сегментами, вихідні пристрої з неконцентричним розташуванням сопел, тощо. [10]