Научный совет РАН по акустике

Гидродинамическая акустика вчера, сегодня, завтра

аналитический материал эксперта Совета
кандидата физико-математических наук
Андрея Георгиевича Шустикова

Для прогнозирования развития научно-технической деятельности в сфере высоких акустических технологий и исследований в части гидродинамической акустики необходимо разработать методические принципы систематизации и кодификации накопленных знаний и практического опыта.

Кратко определим область гидродинамической акустики. В потоках жидкостей и газов частицы среды совершают регулярные и нерегулярные (случайные) колебания, которые порождают акустический шум. Если скорости течения среды существенно меньше скорости звука в среде (т.е. числа Маха существенно меньше единицы), то закономерности возникающего акустического шума и в жидкостях, и в газах практически одинаковы. Акустический шум, рожденный в потоках сплошной жидкой или газообразной среды при малых числах Маха, называют гидродинамическим шумом. При некоторых условиях сплошность жидкости может нарушаться с образованием полостей (каверн), наполненных газом. Границы каверн колеблются, вызывая акустический шум, который называют кавитационным шумом. Изучение гидродинамического и кавитационного шума является предметом гидродинамической акустики. Гидродинамические и кавитационные шумы мешают приему полезных акустических сигналов, оказывают динамические нагрузки на различные конструкции и сооружения, вредят здоровью людей, являются существенным фактором, который необходимо учитывать в военном деле.

Гидродинамическая акустика лежит на стыке очень многих разделов как акустики, так и гидроаэродинамики. Перечислим основные из них. Это акустика неоднородных движущихся сред (1-5); дифракция акустических волн (6); акустика твердых сред, пластин и оболочек (6,7); теория акустических антенн (8); теория обработки акустических сигналов (9-12); анализ случайных полей (13,14); законы обтекания различных тел (15); теория турбулентности (16); теория пограничного слоя (17); теория крыла и гребных винтов (15,18); теория гидродинамической неустойчивости (9); проблемы кавитации (20).

Гидродинамическая акустика исследует механизмы зарождения гидродинамических и кавитационных шумов, законы их распространения и взаимодействия с различными конструкциями; изучает особенности приема полезных акустических сигналов в условиях гидродинамического шума, а так же разрабатывает акустические технологии, которые минимизируют вредное воздействие гидродинамических и кавитационных шумов.

Методические принципы систематизации знаний в области гидродинамической акустики естественно формулировать, исходя из механизмов зарождения и особенностей распространения гидродинамических и кавитационных шумов, а так же из логики решения технической задачи приема полезных акустических сигналов на фоне гидродинамических шумов.

2.1. Источники гидродинамического шума и их связь со структурой течений.

Уравнение сплошной среды можно преобразовать таким образом, что слева будет стоять акустическое волновое уравнение, а справа - некоторые члены, ответственные в том числе и за генерацию гидродинамического шума в неоднородной движущейся среде. Решая краевую задачу и используя методы математической физики совместно со статистическим подходом, можно в разных формах представлять источники гидродинамического шума, которые связаны со структурой течения и наличием границ (21-24).

2.2. Пространственно-временной спектр пристеночных пульсаций давления как исходная информация для определения звука, вибраций и псевдозвука.

Методы математической физики совместно со статистическим подходом позволяют выражать решения акустических задач через пространственно-временной спектр пульсаций давления, действующих на обтекаемые границы. Поэтому пространственно-временной спектр пристеночных пульсаций давления можно рассматривать как базовую (исходную) информацию при решении любых научных и прикладных акустических задач, а так же прочностных динамических задач. Более того, информация о пространственно-временном спектре гидродинамического шума имеет большое самостоятельное значение при решении различных аспектов проблемы турбулентности.

2.3. Турбулентные и вихревые шумы, возникающие вокруг хорошо и плохо обтекаемых тел.

Среди гидродинамических шумов различают турбулентные и вихревые шумы. Сплошная среда может плавно обтекать тела, а может отрываться от обтекаемых поверхностей, сворачиваясь в вихри. Картина течения прежде всего зависит от формы обтекаемого тела, а так же от скорости и характера его движения. Если течение плавно обтекает тело, то такие тела называют хорошо обтекаемыми. Если течение отрывается от поверхности тел, то такие тела называют плохо обтекаемыми (25). Плавное обтекание при достаточно больших скоростях течения сопровождается турбулентным шумом. Турбулентный шум на границе турбулентных течений называют пристеночными пульсациями давления (26). Основная энергия пристеночных пульсаций давления сосредоточена в области больших волновых чисел, которую часто называют псевдозвуком. При отрыве течения возникает вихревой шум. Турбулентный шум имеет чрезвычайно широкий пространственно-временной спектр. Интенсивность вихревого шума главным образом сосредоточенна в сравнительно узком частотном диапазоне и часто превышает интенсивность турбулентного шума.

2.4. Шумы гребных винтов, воздушных пропеллеров и вентиляторов.

Вращающиеся лопасти обеспечивают силу тяги для кораблей и летательных аппаратов, а так же вызывают движение сплошной среды в целях вентиляции и теплообмена. При вращении лопастей возникает значительный акустический шум, с которым приходиться бороться (1,2,4,5).

2.5. Управление структурой течений с целью снижения гидродинамического шума.

Результаты исследования динамических связей пульсаций давления с полем скорости внутри турбулентных потоков (21-24) позволяют целенаправленно разрабатывать мероприятия, которые могут привести к снижению гидродинамического шума. Существует много способов влиять на структуру течения (27), а через нее и на характеристики гидродинамического шума (28-32). Целесообразность применения того или иного способа управления зависит от специфики физико-технических условий в конкретной ситуации.

2.6. Кавитационный шум.

Кавитация может сопровождаться интенсивным акустическим шумом и большими динамическими нагрузками на обтекаемые поверхности (5,20,22,).

2.7. Определение поля гидродинамического шума вблизи и вдали от источников шума.

Вдали от источников (дальнее поле) интенсивность и направленность гидродинамического шума зависит от пространственно-временного спектра пристеночных пульсаций давления в области малых волновых чисел. Малыми волновыми числами называют числа, которые по модулю меньше некоторых характерных волновых чисел, соответствующих звуку в окружающей среде на временных частотах f. В пространственно-временном спектре пристеночных пульсаций давления каждому волновому числу (пространственной частоте) к соответствует целый спектр временных частот f. В дальнем поле гидродинамические и кавитационные шумы распространяются по законам бегущих (однородных) звуковых волн, обладающих определенным спектром временных частот f, который зависит от природы доминирующих источников шума (см. пп. 2.3, 2.4, 2.6).

Интенсивность гидродинамического шума вблизи от источников (ближнее поле) зависит от пространственно-временного спектра пристеночных пульсаций давления в области больших волновых чисел, где находится основная энергия турбулентных пульсаций. Большими называют волновые числа, которые больше характерных волновых чисел, определенных выше. В ближнем поле доминируют неоднородные волны. По мере удаления от источника интенсивность отдельных гармоник неоднородных волн спадает по экспоненциальному закону. В результате взаимодействий ближнего поля гидродинамического шума с неоднородными конструкциями часть энергии неоднородных волн может переходить в энергию однородных волн, что увеличивает интенсивность гидродинамического шума вдали от конструкций. Задача взаимодействия ближнего поля гидродинамического шума с неоднородной конструкцией в общем случае является весьма сложной, но и чрезвычайно важной для решения многих прикладных вопросов. Ближнее поле шума обладает очень высокой интенсивностью, оно порождает вибрации конструкций, может разрушать конструкции и, кроме того, создает помехи приему полезных акустических сигналов.

2.8. Прохождение гидродинамического шума через обтекатели. Свойства обтекателей.

Приемные акустические устройства защищают то непосредственного воздействия потока с помощью обтекателей. Шероховатость обтекаемой поверхности (33) и неоднородности конструкции оболочки обтекателя увеличивают гидродинамический шум внутри обтекателя. Грамотно спроектированный обтекатель работает как фильтр пространственных частот, который уменьшает гидродинамический шум внутри обтекателя в области больших волновых чисел.

2.9. Работа акустических антенн в поле гидродинамического шума.

Под обтекателем располагаются приемные акустические антенны, которые для успешного приема полезных акустических сигналов должны дополнительно уменьшать мешающие действие гидродинамического шума путем его дальнейшей пространственной фильтрации.

2.10. Алгоритмы обработки акустических сигналов, принимаемых в условиях гидродинамического шума.

Несмотря на сильную пространственную фильтрацию, осуществляемую как обтекателем, так и антенной в результате традиционной обработке сигналов, гидродинамический шум может повышать уровень помех на выходе антенны и мешать приему полезных акустических сигналов. Поэтому следует разрабатывать новые алгоритмы как первичный, так и вторичной обработки сигналов, чтобы повысить отношение: полезный акустический сигнал / гидродинамическая помеха.

2.11. Оптимизация систем приема акустических сигналов в условиях гидродинамического шума с целью увеличения помехоустойчивости антенн.

Задача увеличения помехоустойчивости антенны в поле гидродинамического шума должна решаться комплексно. Особенности структуры течения, воздействующего на внешнюю оболочку обтекателя; конструкции обтекателя и антенны, обладающие свойствами фильтров пространственных частот; а так же алгоритмы обработки сигналов целесообразно подбирать оптимальным по отношения друг к другу образом, чтобы максимально повысить коэффициент помехоустойчивости антенны.

2.12. Экспериментальные установки, системы датчиков, приборы и другое оборудования для исследования гидродинамических и кавитационных шумов.

Экспериментальные установки для исследования гидродинамических и кавитационных шумов должны соответствовать многим специфическим требованиям. Приведем два из них: во-первых, необходимо иметь возможность одновременно моделировать как акустические, так и гидроаэродинамические явления, во-вторых, уровень собственных шумов установки желательно иметь очень низким (ниже, чем уровень шумов моря при полном штиле). Создание установок и другого оборудования для экспериментов в области гидродинамической акустики представляет собой достаточно сложную научно-техническую задачу.

Предварительный прогноз развития исследований в области гидродинамической акустики сформулируем в форме перечня перспективных направлений исследований, а так же областей применения достижений гидродинамической акустики.

Для дальнейшего совершенствования акустических технологий, которые минимизируют вредное воздействие гидродинамических и кавитационных шумов, необходимо проводить научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по следующим направлениям.

  1. Исследования механизмов образования гидродинамического шума в жидкостях и газах в различных гидроаэродинамических и акустических ситуаций.
  2. Исследование пространственно-временного спектра гидродинамического шума в различных гидроаэродинамических и акустических ситуациях.
  3. Исследование гидроаэродинамического шума обтекаемых крыловых профилей, а так же движительных комплексов с вращающимися лопастями.
  4. Исследование прохождения гидродинамического шума через различные среды и конструкции.
  5. Определение полей гидродинамических и кавитационных шумов вблизи и вдали от источников шума в различных акустических и гидроаэродинамических ситуациях с учетом дифракционных эффектов.
  6. Управление структурой течения с целью снижения гидродинамического шума.
  7. Исследование гидродинамического шума, возникающего при обтекании поверхностей с волосяными покрытиями.
  8. Исследование кавитационного шума и методов его снижения.
  9. Разработка акустических антенн, адаптированных к действию гидродинамического шума.
  10. Разработка алгоритмов обработки акустических сигналов, повышающих отношение: полезный сигнал / гидродинамическая помеха.
  11. Разработка средств защиты приемных акустических устройств от действия гидродинамического шума.
  12. Оптимизация конструкций технических устройств, систем и сооружений, работающих в условии гидродинамического шума.
  13. Создание специальных установок, макетов, систем датчиков, приборов и другого оборудования для исследования гидродинамических и кавитационных шумов.

Работа в рамках сформулированных выше направлений позволит существенно улучшить акустические технологии в следующих областях техники и науки.

  1. Увеличение дальности и эффективности действия гидроакустических средств кораблей.
  2. Увеличение дальности и эффективности действия донных и береговых гидроакустических комплексов.
  3. Снижение шума гребных винтов, воздушных пропеллеров и вентиляторов.
  4. Разработка более эффективных глушителей шума, вызываемого течениями жидкости и газа. Снижение шума в трубопроводах и вентиляционных системах.
  5. Создание нового поколения сейсмических кос для разведки полезных ископаемых в океане.
  6. Разработка средств контроля и безопасности ядерных реакторов и других технологических циклов, использующих течение жидкости и газов.
  7. Разработка новых методов медицинской диагностики болезней кровеносной системы.
  8. Снижение шума в кабине пилотов и в салонах самолетов.
  9. Определение динамических нагрузок на поверхности тел, обтекаемых потокам.
  10. Определение динамических нагрузок со стороны потока на гидросооружения.
  11. Совершенствование оборудования для океанологических исследований акустическими методами.
  12. Решение геофизических задач взаимодействие атмосферы и океана.
  13. Разработка систем раннего автономного предупреждения о морских штормах и атмосферных бурях.

Гидродинамическая акустика является актуальной областью науки, лежащей на стыке акустики и гидроаэродинамики. Достижения в области гидродинамической акустики существенно улучшают акустические технологии, используемые в судостроении, авиации, машиностроении, гидротехнике, медицине, а так же при освоении Мирового океана.

  1. Блохинцев Д. И. Акустика неоднородной движущейся среды. - М: Наука, 1981.
  2. Римский-Корсаков А. В., Баженов Д.В., Баженова Л.А. Физические основы образования звука в воздуходувных машинах. - М: Наука, 1988.
  3. Лямшев Л.Н., Некоторые вопросы рассеяния и излучения звука в движущейся среде. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ-мат. Наук, М., 1964, (АН СССР, Акустический ин-т.)
  4. Голдстейн М.Е., Аэроакустика, - М: Машиностртение, 1981.
  5. Миниович И.Я., Перник А.Л., Петровский В.С., Гидродинамические источники звука. - Л: Судостроение, 1972.
  6. Шендеров Е.Л. Волновые задачи гидроакустики. - Л: Судостроение, 1972.
  7. Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы. - М: Мир, 1972.
  8. Смарышев М.Д. Направленность гидроакустических антенн. - Л: Судостроение, 1973.
  9. Подводная акустика и обработка сигналов. - М: Мир, 1985.
  10. Применение цифровой обработки сигналов. - М: Мир, 1980.
  11. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. т. I, II,III. - М: Советское радио, 1974-1976.
  12. Лямшев Л.М. Фракталы, хаос лучей и вейвлеты в подводной акустике. В сборнике: Физ. акустика, Распространение и дифракция волн т. I, с. 7-9: Труды Х сессии РАО - М., 2000.
  13. Коняев К.В. Спектральный анализ случайных океанологических полей. - Л: Гидрометеоиздат, 1981.
  14. Коняев К.В. Спектральный анализ случайных процессов и полей. - М: Наука, 1973.
  15. Войткунский Я. И., Фадеев Ю.И., Федяевский К.К. Гидромеханика. - Л: Судостроение, 1982.
  16. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика, части 1,2. - М: Наука, 1967.
  17. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М: Наука, 1969.
  18. Русецкий А.А. Гидродинамика винтов регулируемого шага. - Л: Судостроение, 1968.
  19. Гидродинамическая неустойчивость. - М: Мир, 1964.
  20. Перник А.Д. Проблемы кавитации. - Л: Судостроение, 1966.
  21. Шустиков А.Г. К вопросу о динамических связях пульсаций давления с полем скорости внутри турбулентного потока при малых числах Маха. - Акустический ж., 1983, т. 29, вып. 5, 693-699.
  22. Лятхер В.М. Турбулентность в гидросооружениях. - М: Энергия, 1968.
  23. Наугольных К.А., Рыбак С.А. Об излучении звука турбулентным пограничным слоем. - Труды Акустического ин-та, 1971, вып. 16, 129-135.
  24. Данилов С.Д., Миронов М.А. Преобразование поперечных волн в продольные на границе раздела двух сред и проблема генерации звука пристеночной турбулентностью. - Акустический ж.. 1985, 31, вып. 4, 527-528.
  25. Девнин С.И. Аэродинамический расчет плохообтекаемых судовых конструкций. - Л: Судостроение, 1967.
  26. Смольяков А.В., Ткаченко В.М. Измерение турбулентных пульсаций. - Л: Энергия, 1980.
  27. Басин А.М., Короткин А.И., Козлов А.Ф. Управление пограничным слоем судна. - Л: Судостроение, 1968.
  28. Грешилов Е.М., Евтушенко А.В., Лямшев Л.М. О корреляции флуктуаций давления при течении слабых растворов полимеров вдоль шероховатых границ. - Докл. АН СССР,1975, т. 220, № 2, 308-310.
  29. Лямшев Л.М., Салосина С.А., Шустиков А.Г. О пристеночных пульсациях давления в зоне перехода при отсасывании пограничного слоя. - Акустический ж., 1974, т. 20, № 2,325-327.
  30. Лямшев Л.М., Салосина С.А., Шустиков А.Г. О влиянии дискретного отсасывания жидкости на пульсации давления в турбулентном пограничном слое. - Доклады АН СССР,1974, т. 217, № 1, 44-47.
  31. Лямшев Л.М., Челноков Б.И., Шустиков А.Г. Пульсации давления в турбулентном пограничном слое водного потока при вдуве газа. - Акустический ж., 1983, т. 29, № 6, 806-811.
  32. Лямшев Л.М., Челноков Б.И., Шустиков А.Г. Пульсации давления в турбулентном пограничном слое в условиях подачи сплошной среды через проницаемую границу. - Акустический ж., 1983, т 30, № 5, 667-672.
  33. Грешилов Е.М. Влияние распределенной песочной шероховатости на спектр пристеночных пульсаций давления турбулентного потока в трубе - Акустический ж., 1973, т. 18, № 2, 212-218.