Аэроакустика

АЭРОАКУСТИКА (от аэро... и акустика), раздел физики, находящийся на стыке аэродинамики и акустики, в котором изучаются проблемы аэродинамической генерации звука, распространения звука в движущейся среде, взаимодействия звука с нестационарным потоком, а также методы снижения шумов акустического аэродинамического происхождения. Аэроакустика в основном имеет дело со звуком, создаваемым аэродинамическими силами и возмущениями, которые возникают в самом потоке, а не создаются действующими извне силами или колебаниями. Аэроакустика тесно связана с такими направлениями механики сплошных сред, как аэродинамика, гидродинамическая теория устойчивости, вихревая динамика, теория турбулентности.

Впервые теоретические вопросы образования звука при движении потоков жидкости были рассмотрены Дж. У. Рэлеем (1877 год). Однако практическое применение аэроакустика получила после работ российских учёных Л. Я. Гутина о шуме вращения винта (1936 год), Е. Я. Юдина о вихревом шуме стержней (1944 год), Д. И. Блохинцева по акустике движущихся сред (1946 год) и английского учёного М. Дж. Лайтхилла о шуме турбулентных струй (1952-54 годы).

Шумы аэродинамического происхождения можно разделить на два класса: образующиеся при смешивании частиц потока (шум струи и т.п.) и возникающие при обтекании потоком твёрдых тел (шум проводов, винтов, вентиляторов, обтекания планёра, самолёта и т.п.). Основная причина аэродинамической генерации звука - образование вихрей и их ускоренное движение в неоднородном поле течения при обтекании тел, помещённых в поток, а также при истечении газа в покоящуюся или движущуюся среду. Нестационарные составляющие потока в пограничных слоях около обтекаемых тел или в свободных слоях, таких, как зона смешивания струи, приводят к непрерывной генерации вихрей и к увеличению турбулентности потока. Вследствие сжимаемости среды часть энергии потока излучается в виде акустических волн. При образовании аэрошумов важную роль играют и тепловые процессы, протекающие при горении, а также в потоках нагретых газов.

Характеристики шума турбулентных потоков рассчитываются на основе уравнения Блохинцева — Хоу с использованием некоторых упрощений. Так, например, М. Дж. Лайтхилл рассмотрел малые скорости потока, что позволило ему определить мощность звука, излучаемого всей струёй и её отдельными участками, спектр и характеристики направленности шума турбулентной струи. Турбулентная дозвуковая струя создаёт широкополосный, практически сплошной шум. При истечении струи из сопла вблизи него излучается высокочастотный шум, вдали — низкочастотный; максимум излучения звука наблюдается под углом около 30° к оси струи.

В спектре шумов воздушных винтов и других лопаточных машин (вентиляторов, компрессоров, турбин) присутствуют как широкополосный фон, обусловленный обтеканием лопастей потоком, так и гармонические составляющие, частота которых пропорциональна произведению числа лопастей на число оборотов винта. Расчёт этих шумов производится с использованием подхода Гутина, в котором действие лопастей на среду заменяется действием распределённых по лопасти элементарных сил.

Значительное внимание в аэроакустике уделяется вопросам распространения звука в канале с импедансными стенками (смотри Импеданс акустический). Это обусловлено необходимостью создания глушителей шума, обеспечивающих снижение аэрошума по пути его распространения. Подбор импеданса стенок позволяет обеспечить максимальное снижение шума в выбранном диапазоне частот.

Лит.: Lighthill М.J. On sound generated aerodvnamically // Proceedings of Royal Society of London. Ser. А. 1952. Vol. 211. №1107. Р. 564-587. 1954. Vol. 222. № 1148. Р. 1-32; Стретт Дж. Теория звука. 2-е изд. М., 1955. Т. 2; Блохинцев Д. И. Акустика неоднородной движущейся среды. 2-е изд. М., 1981; Мунин А. Г., Кузнецов В. М., Леонтьев Е.А. Аэродинамические источники шума. М., 1981.