Ближнє акустичне поле імпульсної струменя

к.т.н. Третьяков Д.В.

Поширеним джерелом промислового шуму є струменя газу, закінчуються з високою швидкістю з різних агрегатів. Вивченню акустичного поля струменя газу присвячено значну кількість досліджень, у більшості яких приймається допущення про стаціонарне характері закінчення. Однак у багатьох промислових і транспортних установках джерелом промислового шуму є струменя газу з яскраво вираженим імпульсним характером закінчення. У цьому разі, в порівнянні зі стаціонарним режимом закінчення струменя, якісно змінюється процес формування та еволюції акустичного поля. У цій статті наведені результати експериментальних досліджень процесу формування акустичного поля надзвуковий імпульсної струменя газу поблизу її джерела витікання, де поле струменя не може бути змодельоване полем точкових джерел звуку.

Як джерело імпульсного струменя у цій роботі використовувалася електророзрядний ударна труба з соплом на торці. У електророзрядний камері ударної труби проводився розряд конденсаторної батареї і відбувалося швидке нагрівання газу. Внаслідок великого градієнта тиску між електророзрядний камерою і іншою частиною труби формувалася ударна хвиля. Коли її фронт падав на сопло в торці ударної труби, починалося імпульсне витікання газу в навколишній простір. При цьому в сопло проходила ударна хвиля / 1 /, яка рухалася перед контактним розривом у соплу / 2 / і виходила в навколишній простір.

Дослідження акустичного поля імпульсної струменя проводилося за допомогою датчиків тиску і оптичними методами. Датчики тиску мали пьезокерамический чутливий елемент. Для кожної точки простору проводилися 10-15 дослідів з виміром параметрів акустичного поля датчиками тиску.

Для візуалізації процесів формування та еволюції акустичного поля проводилася зйомка процесу в прохідному промені лазера і зйомка голографічного інтерференційної картини. Розрив смуг на інтерференційної картини свідчить про стрибкоподібному зміні параметрів середовища, тобто про наявність ударної хвилі.

Перед головною частиною імпульсної струменя, що минає в затоплене простір (рис.1), утворюється ударна хвиля / 3 /. На деякій відстані від осі струменя ударна хвиля вироджується в акустичну. Якщо припустити, що відсутні хімічні реакції всередині імпульсного струменя і між газом імпульсної струменя і газом навколишнього простору, то для практичних цілей достатньо враховувати надлишковий тиск, що виникає тільки при проходженні зазначених ударної і акустичної хвиль. Процесами ж, що зумовлюють виникнення акустичних збурень, властивих стаціонарного режиму закінчення, в цьому випадку можна знехтувати. Специфічною особливістю ближнього акустичного поля імпульсної струменя газу можна вважати те, що його з великою точністю, можна вважати утвореним при подоланні головної частини формується струменя аеродинамічного опору навколишнього простору. На рис. 2 наведена фотографія досліджуваного процесу в прохідному промені лазера.

Рис. 1

Рис. 2

У системі відліку, пов'язаної з головною частиною імпульсної струменя, газ затопленого простору набігатиме на ударну хвилю зі швидкістю рівною швидкості головної частини імпульсного струменя. Критична точка переходу ударної хвилі в акустичну буде відповідати точці, в якій нормальна складова швидкості набігаючого потоку до фронту хвилі виявиться рівною швидкості звуку. У більшості практичних випадків акустичне поле імпульсної струменя газу поблизу її джерела має осьову симетрію. При цьому для опису процесу доцільно ввести полярну систему координат, (рис. 1). Полярна вісь збігається з віссю симетрії струменя і спрямована в бік її руху, а за полюс прийнята точка перетину осі з площиною вихідного зрізу сопла. Тоді критичне значення полярного кута, що є функцією поточного часу може бути визначена з рішення рівняння, що представляє собою умова рівності швидкості звуку нормальної складової швидкості набігаючого потоку:

де, і - відповідно, показник адіабати, газова постійна і температура газу затопленого простору. Кут в наведеному вище рівнянні виражається в радіанах. Вираз , Що визначає форму фронту обурення, викликаного в навколишньому просторі головною частиною імпульсної струменя, може бути отримано расчетноvтеоретіческімі методами або емпірично. Зокрема, форма фронту обурення може бути визначена оптичними методами.

Рис. 3

Поблизу критичної точки на фронті обурення, визначеної з умови рівності швидкості звуку нормальної складової, відбувається якісна зміна спостерігається інтерференційної картини. Для значень полярного кута, що перевищують, при перетині інтерференційної смугою фронту обурення відбувається її викривлення (рис. 3). Для полярних кутів менших при перетині інтерференційної смугою фронту обурення відбувається її розрив, що свідчить про стрибкоподібному зміні параметрів середовища. З плином часу надзвукова головна частина імпульсної струменя віддаляється від вихідного зрізу сопла ударної труби і фронт обурення у навколишньому середовищі витягується уздовж струменя. При цьому критичне значення полярного кута, певне з умови рівності швидкості звуку нормальної складової, зменшується, що добре узгоджується з результатами обробки інтерферограм, отриманих для різних стадій процесу.

При аналізі досліджуваного процесу за характерний геометричний розмір був прийнятий діаметр критичного перерізу сопла ударної труби. За характерний час v час проходження звуком відстані при нормальних умовах.

Сигнали з датчиків тиску, встановлених на малих і великих полярних кутах є характерними, відповідно, для ударної та акустичної хвиль. На рис. 4 наведено вигляд типової залежності відносного надлишкового тиску від часу в точці з полярним радіусом 12,5 і полярним кутом 30 | (крива 1) і в точці з тим же полярним радіусом, але з полярним кутом 120 | (крива 2). Під відносним надлишковим тиском розуміється величина:, де v зміна тиску при акустичному або ударному обуренні, - початковий тиск в невозмущенной середовищі.

Рис. 4

Для обох залежностей за початок відліку прийнято момент приходу обурення від головної частини імпульсного струменя у розглянуту точку. Наявність декількох максимумів у фазі стиснення на кривій 1 не є випадковим, а має стабільну повторюваність у всіх дослідах з установкою датчика в цій точці. Існування цих максимумів пояснюється присутністю додаткових хвиль стиснення, наступних в безпосередній близькості за фронтом основний ударної хвилі. Фронти цих хвиль можна чітко спостерігати в прохідному промені лазера рис. 2 (смуги впоперек відрізка А-А)

Рис. 5

Найбільший надмірний тиск у фазі стиснення при полярних кутах менших критичного значення незначно зменшується при збільшенні кута, а при перевищенні критичного значення його спад стає більш різким. На рис 5 наведено експериментальні залежності найбільшого відносного надлишкового тиску від полярного кута для точок на полярних радіусів 12,5, 18,75, і 25. Перегин кривих знаходиться в інтервалі полярних кутів 60 - 75 |, що не суперечить умові рівності швидкості звуку і швидкості нормальної складової набігаючого потоку. Найменше значення надлишкового тиску в фазі розрядки, наступної за фазою стиснення, монотонно збільшується зі збільшенням полярного кута (рис. 5). Перегинів на цих залежностях не спостерігається.

Як випливає з аналізу результатів експериментів, діаграма спрямованості імпульсної струменя газу, як джерела промислового шуму, істотно відрізняється від кругової. Площа фронту акустичної хвилі, на розглянутих радіусах, приблизно в 1,4 рази більше фронту ударної хвилі. Проте, енергія, що переноситься в навколишній простір акустичної хвилею, приблизно в 6,3 рази менше енергії стерпної ударною хвилею. При інтегруванні по поверхні акустичної та ударної хвилі щільність потоку енергії розраховувалася за показаннями датчиків тиску.

Перший максимум у спектрі сигналу датчика тиску доводиться на діапазон частот (2,38 - 2,89). При цьому зі збільшенням полярного кута установки датчика з 30 | до 150 | середнє у групі дослідів значення частоти, на яку доводиться перший максимум, змінюється з 2,38. до 2,89. На всіх полярних кутах на частотах перевищують (11,90 - 12,75) у спектрі виникає ряд максимумів, значення яких значно нижче першого максимуму. На полярних кутах, близьких до критичного, спостерігається поява максимуму в діапазоні частот від 5,95 до 8,50. Цей максимум за величиною порівняємо з першим максимумом на частотах (2,38 - 2,89). Починаючи з деякого полярного кута максимум на частотах (5,95-8,50) починає перевищувати значення першого максимуму.

У загальному випадку крім обурення в затопленому просторі, пов'язаного з подоланням головною частиною надзвуковий імпульсної струменя аеродинамічного опору. Звук буде генеруватися і безпосередньо струменем газу, як у випадку стаціонарного режиму закінчення струменя. Генерування звуку імпульсної струменем можна візуалізувати при просвічуванні простору поблизу струменя променем лазера (рис.6 v на малюнку відзначені *). Порівнюючи яскравість зображень та інтерференційні картини можна зробити висновок, що величина надлишкового тиску в звукових хвилях, що генеруються безпосередньо газом струменя, пренебрежимо мала в порівнянні з надлишковим тиском, що виникає при проходженні ударної і акустичної хвиль від подолання аеродинамічного опору головною частиною.

Рис. 6

За результатами проведеної роботи можуть бути зроблені наступні висновки:

Промисловий шум від закінчення в навколишній простір надзвуковий імпульсної струменя визначається подоланням її головною частиною аеродинамічного опору.

Виникаюча при русі головної частини струменя ударна хвиля на деякому полярному вугіллі вироджується в акустичну.

Велика частина енергії, що передається від надзвуковий імпульсної струменя газу навколишньому середовищу, переноситься ударною хвилею.

Спектральні характеристики акустичного поля істотно залежать від полярного кута.

Отримані висновки використовувалися при розробці заходів по захисту від промислового шуму, викликаного закінченням з різних агрегатів імпульсних струменів в навколишній простір.

Список літератури

Гвоздьова Л.Г. Формування квазістаціонарних струменя всередині сопла в процесі його ударного запуску. / / Изв. АН СРСР. МЖГ. 1977. | 1. с. 76-82.

Добринін Б.М., Масленніков В.Г., Сахаров В.А. Процес встановлення плоского надзвукового струменевого течії при різних фізичних властивостях минає і затоплює газів. / / ЖТФ .. 1987. т. 57, вип.1. с. 118-124.

Голуб В.В., Шульмейстер А.М. Стартові ударні хвилі і вихрові структури, що виникають при формуванні струменів. / / Изв. АН СРСР. МЖГ. 1988. | 5. с. 146-150.