Аэроакустика

Считается, что первыми теоретическими работами, описывающими возникновения звуковых колебаний в потоках, были работы Дж. У. Рэлея в 1877 году. В СССР аэроакустика получила развитие в практических применениях, например, в работах Л. Я. Гутина о шуме вращения винта в 1936 году, Евгения Юдина о вихревом шуме стержней в 1944 году и Дмитрия Блохинцева, изучавшего вопросы акустики движущихся сред (1946 г.), развивших теорию Майкла Джеймса Лайтхилла о шумах, производимых турбулентными струями в упругих средах. Положения Лайтхилла были развиты в работах Н. Керла (1955), А. Пауэлла (1960) и Фокса Вильямса и Л. Холла (1970).

Аэроакустика, в отличие от акустики, изучает акустические колебания, возникающие в потоке среды, а также механизмы их возникновения. Другими словами, звучание музыкальных инструментов, голоса, звуки, генерируемые акустическими громкоговорителями — предмет изучения акустики. Аэроакустика изучает, например, возникновение звуковых колебаний в потоках — звуки винтов и пропеллеров^[2], струй, турбулентных потоков, возникающих в результате движения летательных аппаратов, и другие. Один из основоположников аэроакустики, Майкл Джеймс Лайтхилл, для описания подобных явлений ввёл термин «аэродинамический звук» (1952—1954).

Аэроакустику также следует отличать от аэродинамики, изучающей закономерности движения воздушных потоков и их взаимодействия с препятствиями и движущимися телами и являющуюся подразделом газовой динамики, а также от вихревой динамики, теории турбулентности и гидродинамической теории устойчивости.

Аэроакустика изучает распространение звука в средах с малой вязкостью и теплопроводностью при уровнях возмущений среды меньших, чем при возникновении и распространении ударных волн^[3].

В аэроакустике принято разделять два типа звуков (акустических колебаний) — собственно аэродинамические звуки, возникающие в результате смешивания частиц одного потока (шумы струй, истекание газов в среду), и звуки, возникающие в результате обтекания потоком твёрдых тел — винтов, пропеллеров^[4], проводов, летательных аппаратов^[5], вентиляторов, двигателей^[6] и других.

Струйные течения разделяются на дозвуковые и сверхзвуковые, в том числе и истечение струй из сопел, рассматривается ламинарный и турбулентный характер течения струй. Критериями скоростей струй является число Рейнольдса и скорости Маха. Экспериментальные установки для генерации различных видов шумов создаются для сравнения теоретических моделей и экспериментальных данных. На рисунке показана простейшая экспериментальная установка для генерации краевого тона. Она состоит из щели, кромки и клина. Поток, подаваемый слева, проходит сквозь кромку и разделяется клином. Звуковые колебания фиксируются чувствительными широкополосными микрофонами.

Шумы турбулентных потоков аналитически рассчитываются с помощью уравнения Блохинцева — Хоу. С учётом различных упрощений можно получить аналитически спектр звуковых колебаний, генерируемых турбулентными потоками. Обычно это широкополосный шум. В случае истечения из сопла возникают спектральные зоны — вначале возникает зона высокочастотного шума, далее — низкочастотного при максимуме излучения звука, расположенном под углом ${\displaystyle 30^{\circ }}$.

При изучении обтекания твёрдых предметов (винтов, пропеллеров, крыльев и других) спектр акустических шумов содержит широкополосный шум и гармонические колебания, вызванные количеством лопастей и числом оборотов винта (пропеллера). Математический аппарат для анализа таких систем разработан Л. Я. Гутиным.

Трудоёмкость задач аэроакустики легко проследить на историю изучения аэроакустического эффекта Гартмана, на изучение которого ушло более ста лет^[7].

С появлением компьютерной техники и значительных вычислительных возможностей решение задач аэроакустики значительно упростилось^[8].