АВИАЦИО́ННАЯ АКУ́СТИКА

АВИАЦИО́ННАЯ АКУ́СТИКА (от греч. ἀϰουστιϰός – слу­хо­вой), научное направление, посвящённое изучению возникновения, распространения и воздействия шума при эксплуатации летательных аппаратов (ЛА). Большинство задач А. а. связано с вопросами исследования и распространения звуковых волн в газообразных (воздух) и твёрдых (конструкция ЛА) телах. Звук представляет собой колебательное движение среды и, как следствие, периодические изменения скорости, плотности, давления и температуры. А. а. подразделяется на аэроакустику и структурную акустику летательного аппарата. Занимается проблемами аэродинамической генерации звука, акустики движущихся газовых потоков, взаимодействия звука с газовым потоком. Основное внимание в А. а. уделяется изучению механизмов распространения звука по конструкциям ЛА, излучению звука этими конструкциями, формированию звуковых полей в замкнутых объёмах (салонах и кабинах ЛА), а также методам ослабления этих звуковых полей.

Выделение А. а. в самостоятельный раздел науки произошло в 1960-х гг. в связи с необходимостью решения задач по снижению шума ЛА до уровней, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность людей, а также работоспособность систем, оборудования и выносливость конструкции аппарата. В 1971 приняты Международный стандарт по нормированию шума, создаваемого на местности пассажирскими самолётами (Приложение № 16 к Чикагской конвенции о международной гражданской авиации), и отечественный ГОСТ 17228-71. Национальные технические нормы шума воздушных судов, как правило, гармонизированы с международными нормами и существуют в виде отдельных частей к Нормам лётной годности воздушных судов (Авиационных правил). В США – это FAR-36, в Европейском союзе – CS-36. После 1990 в России разработаны и введены в действие Авиационные правила (АП-36), которые устанавливают требования к уровням шума на местности и к методам определения соответствия нормам уровней шума самолётов. Требования по шуму для дозвуковых реактивных самолётов различаются в зависимости от даты принятия заявки на выдачу сертификата лётной годности прототипа и даты выдачи удостоверения о годности к полётам отдельного экземпляра. В соответствии с ГОСТом уровни шума нормируются в трёх контрольных точках. При посадке самолёта точка расположена на расстоянии 2 км от торца взлётно-посадочной полосы; при взлёте – на расстоянии 450 или 650 м от оси взлётно-посадочной полосы; при наборе высоты – под траекторией взлёта на расстоянии 6,5 км от места старта. Уровни шума в контрольных точках определяются при испытании одного самолёта, а результаты испытаний распространяются на все самолёты данного типа, имеющие неизменные взлётно-посадочные характеристики, взлётную массу, тип и количество двигателей. Для оценки раздражающего воздействия авиационного шума применяются критерии: уровни воспринимаемого шума (PNL), в PNдБ; эффективные уровни воспринимаемого шума (ЕPNL) в ЕPNдБ. Они учитывают реакцию человека на шум разного частотного состава, а эффективные уровни воспринимаемого шума – дополнительно и продолжительность воздействия шума. Чаще всего эти критерии применяются при оценке шума в населённых пунктах, расположенных вблизи крупных аэропортов.

Стандартный алгоритм расчёта эффективных уровней воспринимаемого шума ЕPNL (описан в ГОСТе 17229-85) распространяется на дозвуковые реактивные самолёты и устанавливает метод определения уровней шума, создаваемого на местности при взлёте, наборе высоты и снижении на посадку. Методика основана на расчете уровней воспринимаемого шума PNL (t) по результатам измерений спектров шума для каждого полусекундного приращения времени t при полёте самолёта над контрольной точкой с добавлением поправок на тональность, продолжительность воздействия и прочих факторов (приведение к стандартным атмосферным условиям, учёт траекторий данных, вида спектров шума, диаграмм направленности шума и т. д.). Максимально допустимые значения уровней шума устанавливаются разными для дня и ночи и в целом примерно отличаются на 10 дБ (85/75 в ГОСТе, 99/89 – аэропорт им. Дж. Ф. Кеннеди, 97/89 – аэропорт Хитроу). Для новых самолётов требования установила очередная 38-я Ассамблея Международной организации гражданской авиации, состоявшаяся в Монреале 24.9–4.10.2013. Нормы постоянно ужесточаются. 

Потребность в увеличении грузоподъёмности ЛА и скорости их полёта привела к увеличению тяги силовых установок (мощностей авиационных двигателей), в результате чего резко возросли звуковая мощность, создаваемая аппаратами, интенсивность шума, уровень которого существенно превышает предельно допустимые значения. Фактически в области А. а. потребовалось решить триединую задачу, связывающую аэродинамику, прочность и акустику. В зоне обслуживания самолётов был превышен болевой порог 120 дБ, вследствие чего надо было вести работы в специальном снаряжении. 

Увеличение интенсивности эксплуатации самолётов гражданской авиации (увеличение числа взлётов и посадок в аэропортах) привело к тому, что круглосуточно миллионы квадратных километров, в т. ч. и зоны жилой застройки, подвержены шуму от взлёта и посадки самолёта. В зонах размещения аэропортов шум негативно сказывается на здоровье населения, на рыночной стоимости земли, жилья и т. д. Чем ближе аэропорт к центру города, тем больше проблема шума. Например, аэропорты Тегель и Темпельхоф (Берлин) находятся в центре европейского столичного города. В этой ситуации дневной и ночной шум квотируется. Шум в салонах и кабинах ЛА создаёт значительные неудобства для пассажиров самолётов и вертолётов, вызывая их утомляемость, снижает работоспособность экипажей. Борьба с шумом в авиации стала частью общей программы борьбы человечества за чистоту окружающей среды. Интенсивные акустические нагрузки на ЛА (силовое воздействие на конструкцию, проявляющееся как звуковое давление на её поверхность, которое возникает при колебаниях в диапазоне звуковых частот возмущённой воздушной или газовой среды, окружающей ЛА) являются причиной повреждений элементов их конструкции и выхода из строя оборудования. Область пространства, в которой возникают колебания воздушной среды, называется акустическим полем. Физическая природа акустических полей связана с газодинамическими процессами в воздушном потоке: пульсациями скорости и давления на границах реактивной струи двигателя; пульсациями давления в турбулентном пограничном слое; срывом потока и др. его возмущениями. Акустическая нагрузка может характеризоваться как уровнем звука (в Па), так и интенсивностью звука (Вт/м²). На ЛА суммарные уровни звукового давления могут достигать 160–165 дБ при работе двигателей на взлётном режиме, 160–168 дБ при срывах потока и 140–145 дБ в пограничном слое. Поэтому акустические характеристики в ряде случаев определяют параметры и схему ЛА, параметры и тип его силовой установки. В проектировании самолётов, для которых уровень шума превышает допустимые значения, задача отыскания параметров и характеристик облика самолёта решается как обратная задача проектирования. Допустимый шум принимается за единицу исходя из суперпозиции, квотируется по агрегатам и системам, генерирующим авиационный шум; нельзя увеличить шум одного из агрегатов не уменьшив шум другого. Снижение тяговооружённости  силовой установки должно сопровождаться увеличением летучести самолёта (например, повышение аэродинамического качества самолёта, для аэродинамической балансировочной схемы «летающее крыло»). Проведение структурной декомпозиции самолёта по источникам шума условно. Взаимное влияние есть и его надо учитывать.

Впервые теоретические вопросы генерации звука при движении потоков жидкости рассмотрены в работе Дж. У. Рэлея «Теория звука» (т. 1-2,1877–78). Практическое применение аэроакустика получила позднее, после выхода трудов учёных: Л. Я. Гутина о шуме вращения винта (1936), Е. Я. Юдина о вихревом шуме стержней (1944), Д. И. Блохинцева по акустике движущейся среды (1946) и М. Дж. Лайтхилла о шуме турбулентных струй и шума турбулентного пограничного слоя (1952–54). В дальнейшем появилось много работ, развивающих идеи этих учёных, которые позволили значительно продвинуть знания в области аэроакустики. Уравнение Блохинцева, которое описывает распространение звука в неоднородном стационарном потоке, явилось отправным пунктом при рассмотрении генерации звука потоком. В 1975 английским учёным М. Хоу получен неоднородный аналог этого уравнения, в котором правая часть указывает, что генератором звука в потоке служат вихри и неоднородности энтропии. Обобщённое уравнение Блохинцева (иногда его называют уравнением Блохинцева – Хоу) позволяет с общих позиций подойти к решению задач аэроакустики, учесть не только источники и распространение звука в движущейся среде, но и взаимодействие звука с неоднородным потоком, что совсем не учитывалось в предшествовавших теориях. Из этого уравнения при малых Маха числах как частный случай получаются известные уравнения теории Лайтхилла для шума турбулентного потока.

Решение задач А. а. осуществляется путём комплексного выполнения ряда мероприятий с учётом технических возможностей и экономических затрат. Основное внимание уделяется снижению шума в источнике, выбору рациональной с точки зрения акустики компоновки аппарата, применению методов снижения шума по пути его распространения. Основными источниками шума ЛА являются: аэрогазодинамические потоки в силовой установке, воздушный поток, обтекающий аппарат, и газовые потоки бортовых систем оборудования. Снижение интенсивности авиационного шума осуществляется по следующим направлениям: уменьшение параметров шумового фактора в источнике образования технологическими, конструктивными и эксплуатационными способами; снижение интенсивности шумов по пути их распространения средствами звукоизоляции или звукопоглощения; уменьшение вредного воздействия механоакустического фактора на организм за счёт использования индивидуальной (СИЗ) и коллективной (СКЗ) защиты персонала (или изменения его режима труда), а также комплекса медико-организационных мер.

Наиболее мощным источником шума самолётов является газотурбинный двигатель (ГТД), а основными источниками шума современных ГТД являются вентилятор, компрессор, камера сгорания, турбина и реактивная струя. С увеличением размерности самолётов до 500–600 пассажиров (В-747 и А-380) рост омываемой поверхности привёл к критичности по воздействию на местность (св. 110 дБ) на взлётно-посадочных режимах аэродинамического шума от потока воздуха, омывающего несущую систему самолёта (крыло, оперение, фюзеляж). На поверхности самолёта, под турбулентным пограничным слоем, наблюдается случайное по пространству и времени поле интенсивных пульсаций давления звукового диапазона частот. Интенсивность простеночных пульсаций давления в ламинарном пограничном слое почти на два порядка ниже, чем в турбулентном. Пульсации давления в пограничном слое представляют большой интерес в приложении к проблемам акустической усталости конструкций, надёжности аппаратуры и т. д. Особенно это характерно для самолётов, у которых конструкция попадает в поток реактивной струи, например у самолётов вертикального взлёта и посадки (Як-38, Як-141, AV-8B).

Особое место в А. а. занимает проблема звукового удара. Возмущения от самолёта, летящего с трансзвуковой, сверхзвуковой, и особенно с гиперзвуковой, скоростью, меняются скачкообразно и интенсивно и воспринимаются человеком  как взрыв либо каскад взрывов в зависимости от системы скачков (прямых и косых), сформированных на поверхности самолёта. В дальнем поле от самолёта в атмосфере остаются только две ударные волны: головная и хвостовая с линейным профилем падения избыточного давления между ними. Звуковой удар зависит от формы самолёта, режима его полёта, состояния атмосферы, рельефа местности и т. д. Источник шума характеризуется частотным составом различных уровней звукового давления (спектром) и направленностью излучения. На аэродроме к шумам взлёта и посадки, перемещения по рулёжным полосам присоединяются интенсивные шумы при подготовке ЛА к вылету, а также шумы, возникающие на специальных площадках при испытаниях двигателей. Уменьшение интенсивности авиационного шума в источниках его образования технологическими и конструктивными мерами является наиболее эффективным способом борьбы с авиационными шумами. Самый эффективный путь снижения шума – уменьшение размерности воздушного судна, что приводит к уменьшению тяги двигателей и омываемой поверхности в абсолютном значении. К основным мерам, позволяющим создавать малошумные узлы, механизмы и агрегаты, следует отнести изыскание оптимальных конструктивных форм деталей и компоновочной схемы ЛА для их безударного взаимодействия или плавного обтекания газовоздушными потоками. Снижение уровня шума ГТД обеспечивают оптимальным подбором закрутки лопаток, их количества и расстояния между ними. Снизить турбулентность, направление и, соответственно, шум струи ГТД позволяют шевроны волнообразной формы, устанавливаемые на срезе сопла ГТД, а также скошенные воздухозаборники. Самостоятельная область А. а. связана со звукопоглощающими конструкциями (ЗПК). Наиболее перспективным является создание многослойных ЗПК, ячейки которых заполнены мелкопористым материалом, а также адаптивных ЗПК, изменяющих свои свойства (пористость и плотность) в зависимости от параметров звукового поля. Отличительная черта этих материалов – высокая звукопоглощающая способность в очень широком частотном диапазоне. Необходимость снижения эксплуатационных расходов и экологических рисков привела к формированию новых технологических решений, заключающихся во внедрении в конструкцию ЛА вместо вспомогательной силовой установки (один из наиболее интенсивных источников авиационного шума) топливных химических элементов. Существенно снизить шумность ЛА позволяет также использование углепластика и др. композитных материалов в конструкциях крыла и фюзеляжа.

Для снижения уровня авиационного шума при его распространении в воздушной среде применяют звукоизолирующие устройства, полностью отделяющие источник шума от окружающей среды, или звукопоглощающие конструкции, снижающие интенсивность шума по пути его распространения за счёт поглощения звуковой энергии. Для звукоизоляции используются физические пространственные преграды, препятствующие распространению звука (экраны, боксы), а для звукопоглошения – покрытия, наносимые на отражающие поверхности (потолок, стены, пол) помещений для уменьшения отражённой звуковой энергии. В реальных процессах прохождения звука через преграду эти два понятия взаимосвязаны между собой. На практике для поглощения шума наиболее широко применяются волокнисто-пористые материалы. Шумопоглощение такими материалами непосредственно связано с технологией их получения и формируемой при этом структурой (зависит от порядка следования слоев) и возрастает с увеличением толщины, плотности материалов.

Важным направлением борьбы с шумами является применение устройств и сооружений, позволяющих снизить уровень уже имеющегося шума, с тем чтобы на человека действовало меньшее количество звуковой энергии. Указанный способ включает применение отражателей акустической волны, применение звукопоглощающих конструкций внутри кабин и наземных средств управления, звукоизолирование служебных помещений и т. д. Весь этот комплекс мероприятий относится к коллективным средствам защиты. Сюда же можно включить и нормирование допустимых уровней шумов. Нормированием называется обязательное ограничение продолжительности работы людей в условиях шума, превышающего допустимый уровень. Надо учитывать, что на аэродроме можно подвергаться значительному шумовому воздействию даже не находясь непосредственно вблизи источника шума, вследствие попадания в шумовую зону соседних или взлетающих самолётов. Поэтому важной мерой по снижению вредного шумового действия является рассредоточение самолётов. Личному составу следует избегать нахождения в местах повышенной шумности без особой необходимости. Даже непродолжительное пребывание в тишине после шумового воздействия обеспечивает слуховым клеткам необходимый отдых и восстановление их чувствительности. Поэтому весьма важно иметь на аэродроме служебные постройки и помещения для отдыха, снабжённые хорошей звукоизоляцией.

Перспективными направлениями совершенствования средств защиты от авиационного шума являются разработка и внедрение в практику универсального шумозащитного изделия с использованием эффективных шумопоглощающих материалов; применение эффективных средств активного гашения звука в имеющихся пассивных СИЗ и СКЗ с целью повышения эффективности защиты в области низких частот; улучшение эргономических характеристик авиационных гарнитур, шлемофонов, наушников; разработка эффективных эргономически оптимизированных модульных средств коллективной защиты от авиационного шума, дифференцированных исходя из специфики задач, решаемых при обслуживании ЛА различных типов.