Акустический журнал, 2020, T. 66, № 1, стр. 46-57

Описание экспериментальной установки для исследования акустических характеристик вертолетных винтов в акустической камере аэродинамической трубы Т-1К

Исследования шума моделей вертолетных винтов проводились в аэродинамической трубе Т-1К, которая представляет собой аэродинамическую трубу замкнутого типа с открытой рабочей частью (рис. 1). Диаметр сопла Т-1К равен D = 2.25 м, скорость потока – до 50 м/с. Для проведения акустических измерений в рабочей части трубы организовано закрытое помещение типа акустической камеры размером 4360 × 5000 × 4640 мм, стены, пол и потолок которого обладают звукопоглощающими свойствами. При этом стены камеры, расположенные справа и слева по потоку, выполнены в виде створок, поднимаемых с использованием электропривода (рис. 1). Основной рабочей конфигурацией акустической камеры АДТ Т-1К является конфигурация с обеими закрытыми створками.

Рис. 1.

Аэродинамическая труба Т-1К и акустическая камера Т-1К (поднята правая по потоку створка).

Подъемные створки и потолок, формирующие шумопоглощающую камеру в рабочей части АДТТ-1К, имеют комбинированную двухслойную конструкцию. Первый слой состоит из резонаторов Гельмгольца, оптимизированных для глушения шума на частотах порядка 100 Гц (данные частоты выбраны исходя из предварительных экспериментов как пиковые собственного шума АДТ Т-1К). Второй слой состоит из пирамидальных меламиновых панелей, которые оптимизированы для частот от 1 до 4 кГц. Торцевые части акустической камеры Т-1К, примыкающие к диффузору и конфузору аэродинамической трубы, не имеют резонаторов и прикрыты только меламиновыми панелями.

На полу АДТ А-1К имеется два рельса для установки в рабочей части аэродинамических весов или вертолетного прибора. Пол в акустической камере покрыт линолеумом и на время проведения акустических измерений закрывается меламиновыми панелями, устанавливаемыми непосредственно на пол.

Для измерения звукового давления в Т-1К используется система собственной разработки КНИТУ-КАИ на основе микрофонов DBX RTA-M и техники National Instruments [5]. Данная система используется для измерения акустических характеристик моделей несущих винтов вертолетов. Максимальное количество одновременно подключаемых каналов измерений – 64. Система также позволяет проводить первичную обработку сигнала.

Результаты измерений при помощи указанной выше системы будут рассмотрены в третьем разделе данной статьи, а непосредственно параметры компонентов системы представлены в таблице.

Методическое исследование акустической камеры АДТ Т-1К при помощи метода М-последовательностей с целью определения влияния отражений на измеряемые акустические характеристики

В данной работе, основываясь на методе М-последовательностей [6], проводится развитие и обобщение предложенного в [2, 8] метода анализа звукового поля, выполненного для открытого стенда, на случай заглушенной камеры АДТ Т-1К. В основе корреляционного метода М-последовательностей (метода последовательностей максимальной длины или MLS-эксперимента) лежит синтезированный квазишумовой сигнал, автокорреляционная функция которого близка к дельта-функции [2, 6, 7]. Основной целью исследования методом М-последовательности является получение импульсного отклика системы. Для этого используется всенаправленный источник звука, два микрофона для измерения объемной скорости, приемные микрофоны и пост-обработка сигнала. Импульсный отклик позволяет с высокой точностью определить и идентифицировать вклады в измеряемый сигнал от различных рассеивающих и отражающих конструктивных элементов исследуемой системы [2, 6–8].

При проведении работ в акустической камере, сформированной в рабочей части АДТ Т-1К, была исследована область штатного расположения микрофонов. Для этого использовалось шесть преполяризованных 1/4-дюймовых микрофонов с интегрированным предусилителем фирмы “Брюль и Къер” (B&K) типа 4935 (номинальная чувствительность 5 мВ/Па, частотный диапазон 20 Гц–5 кГц), всенаправленный источник Omnisource типа 4295 (B&K) с адаптером для измерения объемной скорости. Четыре микрофона устанавливались на штатных штативах, а два микрофона располагались в адаптере для измерения объемной скорости. Для сбора и регистрации данных использовалась система PULSE (B&K). Калибровка измерительных микрофонов осуществлялась предварительно с помощью фирменного (B&K) акустического калибратора.

Всенаправленный источник Omnisource с адаптером для измерения объемной скорости располагался в центре акустической камеры АДТ Т-1К на штативе на оси потока (рис.2). Учитывая симметрию Т-1К, четыре измерительных микрофона располагались на штативах вдоль левой стенки по направлению потока в плоскости вращения винта на одинаковом расстоянии d друг от друга. Расстояние от плоскости расположения микрофонов L до источника составляло 1.7D, где D – диаметр сопла Т-1К (рис. 2).

Рис. 2.

Схема экспериментальной установки (вид сверху) для проведения эксперимента с помощью метода М-последовательностей в акустической камере АДТ Т-1К (цифрами обозначены номера каналов микрофонов).

Поскольку конструкция акустической камеры Т-1К допускает возможность проведения измерений как с поднятыми, так и с опущенными створками, то для оценки и выделения вклада в общий отклик сигналов, отраженных различными конструктивными элементами акустической камеры АДТ Т-1К целесообразно рассмотреть следующие конфигурации:

1) Левая по потоку створка опущена, правая по потоку створка поднята;

2) Левая по потоку створка поднята, правая по потоку створка опущена;

3) Обе створки опущены.

Далее словосочетание “по потоку” будет опущено, и створки будут именоваться как “левая” и “правая”.

Рассмотрим экспериментально измеренный импульсный отклик для микрофонов, расположенных на штатных местах для измерения шума в АДТ Т-1К при различных положениях створок, причем случай с обеими закрытыми створками соответствует акустически полностью заглушенной рабочей части АДТ Т-1К. На рис. 3 представлен нормированный импульсный отклик для микрофона № 6 для конфигурации № 1. Поскольку микрофон № 6 располагался вблизи торцевой стенки рабочей части и диффузора АДТ Т-1К, то можно ожидать, что именно этот микрофон будет наиболее подвержен влиянию паразитных отражений.

Рис. 3.

Экспериментальный импульсный отклик для конфигурации № 1 (микрофон № 6).

Анализ представленной на рис. 3 зависимости демонстрирует, что импульсный отклик характеризуется наличием нескольких ярко выраженных импульсов, соответствующих отражениям от различных элементов конструкции рабочей части АДТ Т-1К, причем амплитуды отраженных импульсов почти в 10 раз ниже амплитуды импульса прямого сигнала (рис. 3). Анализ геометрии установки, выполненный с помощью непосредственного измерения расстояний, позволяет сделать вывод, что импульсы на расстоянии 4.1–4.4 м соответствуют отражению от напольного меламинового покрытия. Однако для идентификации остальных импульсов, обведенных в круг на рис. 3, необходимо провести сравнение с конфигурацией, при которой правая створка опущена, а левая поднята. Результаты этого эксперимента представлены на рис. 4.

Рис. 4.

Сравнение экспериментальных импульсных откликов для конфигураций № 2 и № 3 (микрофон № 6).

На рис. 4 приведены экспериментально зарегистрированные микрофоном № 4 импульсные отклики для конфигураций № 2 и № 3. Сравнительный анализ показывает, что импульс на расстоянии 2.65 м соответствует импульсу, отраженному от левой створки рабочей части, а импульс на расстоянии 2.3 м соответствует отражениям от диффузора АДТ Т-1К. Как и ранее, амплитуды рассеянных импульсов примерно равны и составляют величину ~10% от амплитуды прямого сигнала. Анализ экспериментально измеренных импульсных откликов для микрофонов № 3–№ 5 продемонстрировал схожее поведение: ярко выраженный импульс от прямого сигнала и импульсы, соответствующие отражениям от створок и пола АДТ Т-1К, причем величина относительной амплитуды отраженных импульсов оставалась на уровне, измеренном микрофоном № 6.

Интересно отметить, что при уменьшении номера микрофона амплитуда импульса, соответствующего отражению от диффузора, уменьшалась, а амплитуда импульса, соответствующая отражению от сопла, увеличивалась (рис. 5). Этот факт объясняется особенностями геометрии акустической камеры АДТ Т-1К.

Рис. 5.

Сравнение экспериментальных импульсных откликов для конфигураций № 2 и № 3 (микрофон № 4).

Таким образом, результаты проведенного методического исследования позволяют сделать вывод, что наибольший паразитный вклад в измеряемый звуковой сигнал вносят отражения от пола, расположенной за микрофонами створки, от диффузора и от сопла. Поэтому, поскольку снизить вклад отражений в измеряемый сигнал от диффузора, сопла и пола представляется проблематичным, то целесообразно рассмотреть экспериментальную конфигурацию, при которой акустические измерения проводятся при открытой створке, расположенной непосредственно за микрофонами.

Экспериментальные исследования шума модели несущего винта вертолета на режиме без потока в ближнем акустическом поле

Экспериментальные исследования шума модели несущего вертолетного винта проводились на режиме работы винта без потока, при частоте вращения n = 950 об./мин. Для измерений использовался вертолетный прибор аэродинамической трубы Т-1К, схема которого представлена на рис. 6.

Рис. 6.

Схема вертолетного прибора АДТ Т-1К.

Вертолетный прибор АДТ Т-1К имеет следующие характеристики: частота вращения вала – до 2500 об./мин; углы установки вала винта ‒20°…20°, углы общего шага –15°…15°. В качестве объекта исследований была выбрана модель четырехлопастного несущего винта диаметром 1640 мм, с параболической законцовкой лопасти (хорда лопасти 67 мм), общий вид которой представлен на рис. 7.

Рис. 7.

Общий вид лопасти.

В соответствии с выводами, полученными при анализе импульсных откликов, для оценки влияния положения створки на измеряемые акустические сигналы были проведены две серии измерений. Для первой серии микрофоны устанавливались с открытой левой створкой акустической камеры (конфигурация 1). Микрофоны располагались на относительных расстояниях r от 1.2 до 1.8 от оси вращения несущего винта с шагом 0.1 (здесь и далее r = r/r₀, r – расстояние до микрофонов, r₀ = 820 мм – радиус модели несущего винта вертолета). Для удобства интерпретации результатов измерений далее все размеры указаны относительно радиуса винта. Для второй серии экспериментов микрофоны располагались симметрично рабочей конфигурации относительно вектора скорости набегающего потока (V_∞ на рис. 6), у правой стенки акустической камеры. Обе створки акустической камеры при второй серии измерений были закрыты (конфигурация № 2). Далее рассматриваемые положения измерительной системы обозначим как “основное” и “симметричное”.

Для исследования использовалась вертикальная линейка из восьми микрофонов, представленная на рис. 6. Также на рис. 6 обозначено направление вращения модели несущего винта ω. В данной статье рассмотрены измерения при нулевой скорости потока и при скорости потока V_∞ = 10 м/с.

Поскольку гармонические составляющие шума винта располагаются в низкочастотной части спектра, то далее будет рассматриваться диапазон частот до 150 Гц. На рис. 9 представлены примеры узкополосных спектров звукового давления модели несущего винта вертолета, измеренные в течение первой (черная кривая) и второй (светлая кривая) серий экспериментов микрофоном в плоскости вращения (нормированная координата $y = 0$ на рис. 8) в полосе частот до 150 Гц (зона работы резонаторов Гельмгольца). На этом рисунке можно выделить следующие пики:

Рис. 8.

Положение микрофонов при измерении шума модельного винта.

Рис. 9.

Спектральные характеристики модели несущего винта вертолета при $y = 0.$

1) пик на частоте 15.8 Гц. Данный пик соответствует частоте вращения модели несущего винта вертолета. Является паразитным и предположительно вызван вибрациями механической части вертолетного прибора;

2) пики на частотах 63.6 и 128.6 Гц. Пик на частоте 63.6 Гц представляет наибольший интерес и соответствует первой гармонике частоты следования лопастей винта, а пик на частоте 128.6 Гц кратен предыдущему пику и соответствует второй гармонике частоты следования лопасти винта.

Сравнение результатов экспериментальных данных для основного и симметричного положений измерительной системы представлены на рис. 10–11. На рис. 10а и 10б представлены выраженные в дБ измеренные зависимости суммарного уровня шума от вертикальной координаты.

Рис. 10.

Сравнение суммарного уровня шума, экспериментально измеренного в штатном и симметричном положениях. (а) – Относительный радиус $r = 1.2,$ (б) – относительный радиус $r = 1.5.$

Рис. 11.

Сравнение уровней звукового давления для (а) первой и (б) второй гармоник шума модельного винта, экспериментально измеренного в штатном и симметричном положениях при $r = 1.2$. (а) – Первая гармоника, (б) вторая гармоника.

На рис. 11 представлены зависимости уровней звукового давления на первой (рис. 11а) и второй гармонике (рис. 11б) шума модельного винта для основного и симметричного положений измерительной системы. Из анализа рис. 10–11 видно, что максимум акустического излучения не совпадает с плоскостью вращения лопасти $y = 0.$ Это объясняется наличием угла конусности в экспериментальной установке. Способ измерить угол конусности на использованной установке в настоящее время отсутствует, хотя и ведутся работы по обеспечению данных измерений.

Из анализа графиков, представленных на рис. 12 и 13, видно, что зависимость уровня шума от вертикальной координаты для основного расположения микрофонов выглядит более гладкой для суммарного уровня шума и первой гармоники. Это связано с тем, что справа по потоку располагается приборный ящик вертолетного стенда. Несмотря на то, что при проведении измерений для симметричного положения он был закрыт меламиновым покрытием, тем не менее, он являлся причиной паразитных отражений, которые вносили свой вклад в измеряемый уровень шума. Тем не менее, в плоскости вращения зависимости практически совпадают. Так как основные экспериментальные результаты лежат в области частот первой гармоники, то экспериментальную конфигурацию с открытой левой створкой следует признать более подходящей для данных экспериментов.

Рис. 12.

Сравнение зависимости суммарного уровня шума от относительного расстояния от оси вращения для микрофона в плоскости вращения винта ($y = 0$ на рис. 8), измеренные в штатном и симметричном положениях.

Рис. 13.

Сравнение экспериментальных данных и результатов численного моделирования звукового давления (микрофон в плоскости вращения винта при $y = 0$, $r = 1.2$).

На рис. 14 представлена зависимость выраженного в дБ суммарного уровня шума от относительного расстояния между расположенным в плоскости вращения микрофоном и осью вращения. Из рис. 14 хорошо видно, что для первой серии экспериментов зависимость суммарного уровня шума от расстояния между микрофоном и осью вращения винта является более гладкой, чем для второй серии экспериментов. Зависимость на рис. 14 показывает, что в акустической камере не выполняется условие свободного звукового поля. Это связано с тем, что в акустической камере имеются два открытых торца (сопло и коллектор аэродинамической трубы), которые не могут быть закрыты звукопоглощающими экранами.

Рис. 14.

Сравнение экспериментальных данных и результатов численного моделирования звукового давления (микрофон в плоскости вращения винта при $y = 0.476$, $r = 1.2$).

Сравнение численных и экспериментальных данных проводилось для временных разверток сигналов, так как численно моделировались пульсации давлений, генерируемые проходящей мимо микрофона лопастью без широкополосной компоненты. На рис. 13–14 представлено сравнение экспериментальных данных и результатов численного моделирования зависимости звукового давления от времени, пунктиром обозначены значения, полученные при помощи CFD-методов, черной кривой – первая серия экспериментов, светлой – вторая серия экспериментов. Представленные на рис. 13–14 данные оптимизированы для сравнения с использованными CFD-методами расчета. Детальное обсуждение этого вопроса, а также описание использованных расчетных методов можно найти в работе [5].

На рис. 15 представлено сравнение изменения давления относительно нулевого уровня для микрофона в плоскости вращения винта при $y = 0,$ $r = 1.2$, причем в качестве нулевого уровня используется уровень атмосферного давления – 110 кПа. Форма сигнала, генерируемого проходящей лопастью, отличается от синусоиды [1, 3, 4]. Следует отметить, что для данного случая (микрофон располагается в плоскости вращения винта) наблюдается наибольшее расхождение между экспериментальными и численными результатами. На рис. 14 для микрофона в плоскости вращения винта при $y = 0.476,$ $r = 1.2$ представлен случай наилучшего совпадения между результатами CFD-расчета и экспериментальными данными.

Рис. 15.

Сравнение экспериментальных данных и результатов численного моделирования звукового давления (микрофон в плоскости вращения винта при $y = 0$, $r = 1.2$, ${{V}_{\infty }} = 10$ м/с).

Причинами несовпадения результатов расчета и экспериментальных данных, представленных на рис. 13–14, могут являться как несовершенство численных расчетов (грубая сетка), так и определенные несовершенства измерительной системы (микрофонам на основе капсюлей wm-61 присущи определенные недостатки, например, низкая чувствительность, высокий уровень шумов на выходе, хотя они и используются для научных проектов с ограниченным бюджетом). Более подробное обсуждение возможных причин расхождения экспериментальных и расчетных данных проведено в [5].

В целом, результаты, представленные рис. 13 и рис. 14, демонстрируют хорошее качественное, а при определенных положениях микрофонов и количественное совпадение экспериментальных и численных результатов определения звукового давления, что позволяет сделать вывод о том, что аэроакустическая установка АДТ Т-1К принципиально пригодна для решения задач валидации численных методов расчета акустических характеристик моделей несущих винтов вертолетов на режиме висения.

На рис. 15 показаны временные развертки сигналов микрофона, расположенного в плоскости вращения винта, рассчитанная численно и измеренная экспериментально. Скорость потока составляла 10 м/с. Как видно из рис. 15, наблюдается некоторое расхождение во временных развертках, при этом экспериментально измеренная развертка имеет несколько более сложную форму. Расхождение между развертками обусловлено комплексом причин, в том числе: вибрациями установки и несовершенством численного моделирования. В целом можно заключить, что аэроакустический измерительный комплекс на основе аэродинамической трубы Т-1К может быть пригоден к измерениям акустических характеристик моделей винтов вертолетов на режиме косого обтекания при условии доработок. Для определения необходимых доработок нужны дальнейшие исследования.