Ренат Утикеев

Анализ акустических полей

А. В. Кочергин, докт. техн. наук профессор, член-корр. Петровской академии наук, начальник кафедры КФ ВАУ

Е. В. Белов, канд. техн. наук доцент КФ ВАУ

А. Л. Сивков, ст. препод. КЭИ

В последнее время резко возрос интерес к использованию легких вертолетов в народном хозяйстве. Более экономичные по сравнению с вертолетами среднего класса, они с успехом используются при перевозке грузов и пассажиров, выполнении патрульных, санитарных и спасательных работ. В связи с этим фирмами- производителями разрабатываются планы производства новых машин этого класса и модернизации уже находящихся в эксплуатации.

Большую часть имеющегося парка легких вертолетов составляют Ми-2, принадлежащие некогда Министерству обороны. Их переоборудование в гражданских целях, потенциальная возможность размещения на борту пассажиров сопряжены с необходимостью соблюдения жестких санитарных норм допустимого воздействия шума на человека в замкнутом пространстве кабины вертолета. В связи с этим представляют определенный интерес работы Научно-исследовательской акустической лаборатории (НИАЛ) им. А.С. Фигурова при Казанском филиале военно-артиллерийского университета, одним из направлений исследований которой является экспериментальное определение акустических полей средних и легких вертолетов, а также разработка мероприятий по снижению шума.

Сотрудники НИАЛ при содействии казанских вертолетостроителей и Казанского авиапредприятия провели серию наземных и летных акустических испытаний, в ходе которых были определены интегральные уровни звукового давления и амплитудные спектры, генерируемые основными источниками шума вертолетов в различных точках звукового поля. Богатейший экспериментальный материал, накопленный в ходе исследований, позволяет оценить характер акустических полей легких и средних вертолетов и определить вклад каждого источника шума винтокрылой машины в формирование суммарного звукового поля в различных его точках как внутри пассажирской кабины, так и вблизи вертолета.

Особого внимания, на наш взгляд, заслуживают исследования акустических полей легких вертолетов, анализ которых на примере Ми-2 представляется читателям.

Амплитудные спектры шума в кабине Ми-2 в диапазоне частот от 0 до 2500 Гц показаны на рис. 1, 2, 3. Было установлено, что акустическое поле легкого вертолета в диапазоне частот 0-100 Гц (см. рис. 1) определяется шумом, создаваемым лопастями несущего винта (НВ), и шумом струи выходящих газов двигателей силовой установки. При этом значения амплитуд уровня звукового давления на частотах 50-100 Гц соответствуют шуму струи выходящих газов двигателей. Частота аэродинамического шума лопастей НВ зависит от скорости вращения винта. Максимальная амплитуда шума находится в инфразвуковом диапазоне, принадлежит первой гармонике и на рис. 1 соответствует пику на частоте около 12 Гц.

В области частот до 500 Гц (см. рис. 2) характер акустического поля в кабине вертолета определяется, в основном, шумом струи выходящих газов двигателей, имеющим максимальные значения уровней звукового давления на частотах до 350 Гц. Внутренний механический шум двигателей, возникающий при вращении рабочих колес ротора и турбины компрессора, а также шум, генерируемый свободной турбиной, зависит от количества лопаток каждой ступени и находится в области спектра более 350 Гц. Источником внутреннего шума являются также камеры сгорания. Внутренние источники шума экранированы навесными агрегатами, капотами и обшивкой планера вертолета, поэтому не оказывают существенного влияния на формирование ближнего акустического поля.

В области амплитудного спектра до 2500 Гц (см. рис. 3) характер акустического поля в кабине вертолета формируется механическим шумом, создаваемым главным редуктором, с максимальным значением амплитуды на частоте около 2300 Гц. Частоты дискретных составляющих механического шума главного редуктора соответствуют частоте соприкосновения зубьев шестерен редуктора. Для вертолета Ми-2 (см. табл.1) уровень звукового давления в октавной полосе со среднегеометрической частотой 2000 Гц на 34 дБ превышает допустимые значения. В результате проведенных исследований было определено, что в кабинах легких вертолетов значения уровней звукового давления механического шума главного редуктора превышают аналогичные показатели в кабинах средних вертолетов и достигают 110 дБ, а влияние шума редуктора на формирование акустического поля в кабине вертолета расширено.

Рис. 1. Спектр шума в кабине легкого вертолета в диапазоне частот до 100 Гц

Рис. 2. Спектр шума в кабине легкого вертолета в диапазоне частот до 500 Гц

Рис. 3. Спектр шума в кабине легкого вертолета в диапазоне частот до 2500 Гц

Рис. 4. Превышение уровней звукового давления в кабинах экипажа и пассажирских кабинах легких и средних вертолетов относительно допустимого уровня по ГОСТ 12.1.003-83

На рис. 4 показаны соотношения уровней звукового давления на рабочих местах членов экипажа и пассажирских местах в кабинах средних и легких вертолетов. Учитывая степень влияния основных источников шума на формирование звукового поля в кабине вертолета, можно отметить, что уровни звукового давления на рабочих местах членов экипажа легких и средних вертолетов зависят от компоновки двигателей силовой установки и наличия перегородок между экипажем и пассажирами. Перегородки, отделяющие кабину экипажа средних вертолетов от пассажирского салона, значительно снижают влияние основных источников шума на членов экипажа. На легких же вертолетах экипаж и пассажиры находятся в объединенной кабине, и если двигатели силовой установки вертолета расположены в средней части фюзеляжа, то уровни звукового давления на пассажиров и экипаж мало отличаются друг от друга.

Наличие объединенной кабины на легких вертолетах приводит к тому, что даже на рабочих местах членов экипажа, находящихся в 2 метрах от места расположения главного редуктора, уровни звукового давления достигают 108 дБ, что значительно превышает (см. табл. 1) допустимые значения. Продолжительное влияние такого шума на здоровье и работоспособность экипажа и, как следствие, на безопасность полетов — это тема отдельного исследования, не затрагиваемого в нашей статье. Применение же на вертолете обратной компоновки силовой установки, при которой двигатели расположены позади главного редуктора, существенно снижает интенсивность звукового поля на рабочих местах членов экипажа относительно интенсивности звукового поля на пассажирских местах.

Анализ акустических характеристик в кабине Ми-2 показал, что во всех контрольных точках замкнутого объема кабины уровни звукового давления (см. табл. 1), измеренные по шкале А шумомера, не соответствуют требованиям ГОСТ 12.1.003-83.

Из табл. 1 хорошо видно, что в области частот с границами от 22,4 до 45 Гц (первая октава со среднегеометрической частотой 31,5 Гц) шум, создаваемый лопастями НВ, всего на 3 дБ превышает санитарно-допустимые нормы, в то время как шум, источником которого является струя выходящих газов двигателей (в октавах со среднегеометрическими частотами 125, 250 и 500 Гц), превышает санитарные нормы на 22–26 дБ. Особенно высоки уровни звукового давления в октавах с границами частот в диапазонах от 90 до 355 Гц и от 1400 до 2800 Гц. В этой области акустическое поле формируется шумом, источниками которого являются струя выходящих газов двигателей и главный редуктор. И лишь в октаве со среднегеометрической частотой 8000 Гц уровни звукового давления соответствуют норме.