Ближнє акустичне поле імпульсної струменя.

к.т.н. Третьяков Д.В.

Поширеним джерелом промислового шуму є струменя газу, що закінчується з високою швидкістю з різних агрегатів. Вивченню акустичного поля струменя газу присвячено значну кількість досліджень, в більшості яких приймається допущення про стаціонарному характер закінчення. Однак у багатьох промислових і транспортних установках джерелом промислового шуму є струменя газу з яскраво вираженим імпульсним характером закінчення. У цьому випадку, у порівнянні з 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 закінчення, де поле струменя не може бути змодельоване полем точкових джерел звуку.

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

Дослідження акустичного поля імпульсної струменя проводилося за допомогою датчиків тиску і оптичними методами. Датчики тиску мали п'єзокерамічних 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 проходить промені лазера і зйомка голографічного інтерференційної картини. Розрив смуг на інтерференційної картині свідчить про стрибкоподібному зміну параметрів середовища, тобто про наявність ударної хвилі.

Перед головним 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 імпульсної 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, обумовлює 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 головній частині формується струменя аеродинамічного опору навколишнього простору. На рис. 2 наведена малюнок досліджуваного процесу в проходить промені лазера.

Рис. 1

Рис. 2

У системі відліку, пов'язаної з головною частиною імпульсної струменя, газ затопленого простору буде набігати на ударну хвилю зі швидкістю рівною швидкості головної частини імпульсної струменя. Критична точка переходу ударної хвилі в акустичну буде відповідати точки, 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 визначено з рішення рівняння, що є умова рівності швидкості звуку нормальної складової швидкості набігаючого потоку:

де, і -- відповідно, показник адіабати, газова стала та температура газу затопленого простору. Кут в наведеному вище рівнянні виражається в радіанах. Вираз, 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 при менших перетині інтерференційної смугою фронту обурення відбувається її розрив, що свідчить про стрибкоподібному зміну параметрів середовища. З плином часу надзвукова головна частина імпульсної струменя віддаляється від вихідного зрізу сопла ударної труби і фронт обурення в 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 інтерферограмм, 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 точці з полярним радіусом 12,5 та 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, - початкове тиск у невозмущенной середовищі.

Рис. 4

Для обох залежностей за початок відліку прийнято момент приходу обурення від головного частини імпульсної струменя у розглянуту крапку. Наявність декількох максимумів в 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, що прямують до безпосередній близькості за фронтом основної ударної хвилі. Фронти цих хвиль можна чітко спостерігати в проходить промені лазера рис. 2 (смуги впоперек відрізка А-А)

Рис. 5

Найбільше надлишковий 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 наведені експериментальні залежності найбільшого відносного надмірного тиску від полярного кута для точок на полярних радіусах 12,5, 18,75, і 25. Перегини 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 розрядження, наступного 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 що розглядаються 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 переносимої ударною хвилею. При інтегрування по поверхні акустичної та ударної хвилі щільність потоку енергії розраховувалася за показаннями датчиків тиску.

Перший максимум в спектрі сигналу датчика тиску припадає на діапазон частот (2,38 - 2,89). При цьому з збільшенням полярного кута установки датчика з 30 | до 150 | середнє в групі дослідів значення частоти, на яку припадає 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 розміром можна порівняти 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 головний частиною надзвуковий імпульсної струменя аеродинамічного опору. Звук генеруватиметься 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 і інтерференційні картини можна зробити висновок, що величина надлишкового тиску в звукових хвилях, генеруються безпосередньо газом струменя, пренебрежимо мала в порівнянні з надлишковим тиском, що виникає при проходженні ударної та акустичної хвиль від подолання аеродинамічного опору головною частиною.

Рис. 6

За результатами проведеної роботи можуть бути зроблені наступні висновки:

Промисловий шум від течі в навколишній простір надзвуковий імпульсної струменя визначається подоланням її головною частиною аеродинамічного опору. русі головної частини струменя ударна хвиля на деякій полярному вугіллі вироджується в акустичну.

Більша 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 захисту від промислового шуму, викликаного закінченням з різних агрегатів імпульсних струменів в навколишній простір.

Список літератури

Гвоздева 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 що 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.