Виброакустический анализ
	Оценка уровня акустического комфорта внутри головного обтекателя ракеты
	Пооктавный расчёт уровня акустического давления внутри обтекателя ракеты выполняется для правильного выбора способов шумоизоляции и шумоподавления, которые совместно с его силовой конструкцией должны обеспечить выполнение всех требований, ограничивающих нагружение спутника акустическими нагрузками. Оценка уровня акустического давления состоит из трёх этапов: 1. Получение акустической нагрузки на внешнюю поверхность обтекателя, создаваемую работой маршевых двигателей или пульсацией давления в турбулентном приграничном слое после срыва воздушного потока; 2. Вычисление акустического давления внутри обтекателя; 3. Вычисление акустического давления на поверхности полезной нагрузки при наличии дополнительной звукоизоляции, например, прикреплённой внутри APS (Аcoustic Protection System). Решение первой задачи в этой статье не рассматривается, считается, что нагрузка на поверхности обтекателя известна.
	1. Параметры внешнего акустического нагружения
	На рис. 2 представлены максимальные уровни акустического давления по октавным диапазонам частот на наружной поверхности головного обтекателя при старте и начале полёта ракеты и ограничения по уровню акустического давления внутри, на возможной поверхности полезной нагрузки.
Задача состоит в проверке новой конструкции обтекателя на соответствие требованиям по ‘акустическому комфорту’ внутри него, т.е. в проверке на соответствие т.н. ‘Acoustic noise spectrum’ и выдаче рекомендаций по дополнительной звукоизоляции, если это будет необходимо. В статье будут рассмотрены только первые 10 секунд полета, и поэтому момент прохождения ракетой максимального скоростного напора, который может вызвать пульсацию давления в турбулентном приграничном слое на поверхности обтекателя, кривая 1 не описывает. 1.1 Немного теории Звуковое (акустическое) давление – это вызванное звуковой волной отклонение местного (локального) давления от окружающего атмосферного или среднего внутри помещения. Применительно к ракете, система обеспечения температурного режима (ВСОТР) до момента старта поддерживает постоянную температуру, влажность и давление внутри обтекателя. Это позволяет принять в качестве средних некоторые показатели свойств воздуха, в частности – давление в течении первых 10…15 секунд полета. При старте внешняя акустическая нагрузка от работы маршевых двигателей вызовет упругие деформации (колебания) поверхности обтекателя. Если деформация будет направлена внутрь обтекателя, то реакцией воздуха, находящегося в непосредственной близости от стенки, станет его локальное сжатие. Плотность и давление возрастут, и, чтобы сгладить получившийся градиент, сжатый воздух начнёт расширяться внутрь, в направлении приложенного деформацией импульса. Молекулы воздуха, находящиеся дальше от поверхности, начнут смещаться внутрь и станут совершать колебательные движения. В направлении приложенного возмущения за счёт сил инерции, а в строго противоположном направлении за счёт упругих свойств воздуха. Сформированная у стенки локальная область повышенного давления начнёт двигаться (распространяться) с постоянной скоростью внутри обтекателя, создав продольную акустическую волну* (см. рис. 3). Движение этой волны (точнее колебания молекул воздуха относительно точки равновесия) заставит давление воздуха внутри пульсировать, изменяясь относительно среднего (см. рис. 3).
Амплитуда (максимальное отклонение от среднего) каждой акустической волны редко превышает 10Па, но таких волн много. Они взаимодействуют, усиливаясь и многократно отражаясь, формируют внутри обтекателя сложное поле переменного акустического давления (шум), уровень которого на поверхности полезной нагрузки регламентируется. Чтобы убедиться в соответствии требуемым ограничениям, необходимо найти среднеквадратичное отклонение акустического давления и сравнить его с предельно допустимым значением.
1.2 Пересчёт SPL в PSD
Акустическая нагрузка на внешнюю поверхность обтекателя задана в виде SPL (Sound Pressure Level) – среднеквадратичного отклонения уровня акустического давления, приведённого к Po (минимальному уровню акустического давления, воспринимаемому человеческим ухом и равному 2е-5Па). Диаграмма SPL (кривая 1 на рис. 2) – это упрощение и замена реального нагружения конструкции на нагружение идеализированным случайным процессом, т.н. ‘диффузным акустическим полем’. С его помощью можно описать не все режимы акустического нагружения обтекателя, а только связанные с действием реактивной струи двигателя в момент старта и начале полета. Но обычно это наиболее значимый из расчётных случаев. Термин ‘Diffuse Acoustic Field’, как правило, применяют к большим замкнутым помещениям в которых звуковое поле характеризуется равномерным распределением уровня звука и уровня звукового давления по всему объёму, а также равновероятностью направлений прихода звуковых волн в любую его точку. Обтекатель считается размещённым внутри такого помещения, и, чтобы смоделировать его нагружение математически, делаются следующие допущения: 1. Звуковая волна любой длины может прийти в любую точку на поверхности обтекателя с любого направления. 2. Вероятность возникновения звукового давления, заданного диаграммой SPL, одинакова для всех точек на внешней поверхности. 3. Звуковое давление всегда действует по нормали к поверхности обтекателя. Волновой характер такого нагружения задаётся за счёт моделирования концентрического изменения давления относительно нормали к точке, в которой значение SPL максимально – сложно, но аналогия простая – круги на поверхности воды от брошенного камня. Такая идеализация нагружения внешней поверхности способствует формированию в замкнутом объёме обтекателя акустического поля, сформированного звуковыми волнами, пришедшими с разных направлений, и затем многократно отразившихся от внутренней поверхности обтекателя и поверхности полезной нагрузки, т.е. также – ‘диффузного акустического поля’. В итоге, один случайный процесс (нагружение конструкции внешним давлением) будет связан с другим случайным процессом (изменение внутреннего давления), а связывают их два волновых уравнения и один из законов термодинамики (pV^k = const.). Решение задачи в такой постановке становится возможным с использованием программного комплекса MSC. Nastran. Первое, что требуется сделать, это пересчитать для каждой октавы уровень акустического давления SPL (см. рис. 2) в спектральную плотность мощности по формуле (3). 1.3 Алгоритм решения задачи При воздействии внешнего акустического давления на обтекатель откликом будет деформация его поверхности, а реакцией замкнутого внутри воздуха – изменение давления. Нагружение конструкции внешним давлением, которое описано функцией спектральной плотности мощности (см. рис. 4) – это нагружение стационарным случайным процессом, у которого среднеквадратичное значение давления, спектральная плотность и функция распределения вероятностей постоянны в пределах одной октавы. Отклик конструкции на такое нагружение вычисляется при помощи трёх, выполняемых последовательно анализов: модального, частотного и случайного (Modal Analysis, Frequency Response, Random Analysis), а особенности расчёта будут связаны с построением конечно-элементной модели и приложением акустической нагрузки. Алгоритм решения состоит из пяти этапов, каждый из которых будет описан далее: 1. Внешняя поверхность обтекателя делиться на небольшие, примерно одинаковые по площади участки, называемые ‘патчами’ (patches). К каждому участку по-отдельности прикладывается внешнее равномерное единичное давление (unit pressure), и создаётся отдельный случай нагружения. Количество случаев нагружения будет равно количеству ‘патчей’. 2. Проводится модальный анализ конструкции. При наличии ограничений связанных с наличием достаточных вычислительных мощностей, в каждом октавном диапазоне проводится редуцирование вычисленных собственных частот. 3. Выполняется частотный анализ для получения передаточных функций в интересующих точках конечно-элементной модели. 4. Основываясь на функции спектральной плотности мощности и уравнении корреляции, вычисляются функции взаимной корреляции между ‘патчами’ (cross-correlation functions). 5. Выполняется ‘Random Analysis’, и для выбранных узлов извлекаются полученные результаты (ускорения, перемещения, …). Описанный выше алгоритм в виде блок-схемы представлен ниже на рис. 5.
<< Назад На главную Скачать статью (1.6Mb)