СПОСОБ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РЕЖЕКЦИИ В ЗАДАННОМ НАПРАВЛЕНИИ ШУМА ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВИНТА Российский патент 2004 года по МПК G10K11/16 B63H1/18 

Изобретение относится к области физической и технической акустики, а более конкретно к направленным источникам звука.

В технической акустике во многих случаях возникает задача управлять характеристикой направленности излучателя звука таким образом, чтобы в некотором выбранном направлении не было излучения звука. Представляется необходимым решить такую задачу и для звука, создаваемого вращающимся винтом, в частности, для вентиляторных установок.

В основном способы формирования нуля в характеристике направленности в заданном направлении известны для режима приема и излучения. Все эти способы основаны на определенном воздействии на отдельные элементы приемных и излучающих устройств. Однако они не пригодны для управления характеристикой направленности вращающегося винта, т.к. непосредственное воздействие на элементы винта невозможно.

Известен способ формирования так называемой "разностной" характеристики направленности (А.М. Тюрин. А.П. Сташкевич, Э.С. Таранов, Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1966. - 186). Этот способ содержит разделение гидроакустической антенны на две равные части и вычитание сигналов между этими "половинками" антенны. При этом образуется нуль в характеристике направленности.

Этот способ - аналог не пригоден для создания нуля в звуке, создаваемом винтом. Кроме того, нуль в разностной характеристике направленности образуется только в одном направлении, перпендикулярном апертуре гидроакустической антенны.

Известен способ "Создание нуля в диаграмме направленности для ослабления нежелательных мешающих сигналов" (патент США №4214244). Этот способ-аналог содержит прием сигналов антенной решеткой и формирование амплитудно-фазового распределения в принятых сигналах перед их суммированием для пространственной режекции в выбранном направлении.

Этот способ-аналог не пригоден для создания нуля в шуме гребного винта.

Известен способ, реализованный в "Системе формирования диаграммы направленности антенной решетки с нулевым коэффициентом усиления в заданном направлении" (патент США №3503069). Этот способ-аналог содержит прием сигналов антенной решеткой, усиление сигналов с каждого приемника, формирование амплитудно-фазового распределения до суммирования для образования нуля в заданном направлении.

Недостатком способ-аналога является невозможность с его помощью формировать в шуме винта нули в заданном направлении.

Известен способ, реализованный в "Устройстве для формирования нуля в области боковых лепестков зеркальной антенны" (патент ФРГ №203183). Способ заключается в перемещении приемника в фокальной плоскости антенны и вычитании сигнала с другого неподвижного приемника.

Недостатком последнего способа является невозможность этим путем формировать нуль в характеристике шума гребного винта.

Задачей предлагаемого способа является выполнение операций, позволяющих формировать нуль в характеристике направленности шума гребного винта в заданном направлении.

Предлагаемый способ создания нуля в шуме вращающегося винта в заданном направлении ϕ₀ содержит выбор силы тяги винта Р_в, числа оборотов n₀ винта в секунду и крутящего момента М_кр,о согласно соотношению

где С₀ - скорость звука в среде, в которой вращается винт,

R_э - эквивалентный радиус винта, примерно равный 0,7 R,

где R - радиус винта,

z - число лопастей винта.

В водной среде способ содержит для формирования нуля в заданном направлении ϕ₀ выбор подводимой к винту полной мощности T₀ и выбор числа оборотов винта n₀ в секунду согласно соотношению

где η - коэффициент полезного действия гребного винта.

Из этой формулы видно, что требуется выбрать скорость движения судна согласно , поскольку скорость движения судна пропорциональна кубу числа оборотов винта.

Техническим результатом предложенного способа является обеспечение возможности деформации характеристики направленности шума вращающегося винта таким образом, что в требуемом направлении будет осуществлена пространственная режекция шума вращающегося винта.

Для обоснования причинно-следственных связей между существенными признаками и требуемым результатом приведем необходимые доказательства.

Как показано в книге В.М. Бомова, Д.Д. Плахова, В.Е. Яковлева. "Акустические шумы и помехи на судах". - Л.: Судостроение, 1984. -с,48, шум вращения возникает из-за статической и динамической неуравновешенности гребного винта в воде и из-за влияния неоднородностей потока воды в пределах диска гребного винта. Участки винта по-разному обтекаются водой при движении судна и каждая лопасть периодически за время одного оборота винта оказывается в области с повышенной и пониженной скоростями движения воды относительно судна. Эти причины приводят к тому, что в спектре шума гребного винта отчетливо выделяются частоты m гармоник, которые пропорциональны произведению числа лопастей z на угловую частоту вращения n - числа оборота в секунду

Согласно работе Л.Я. Губина "О звуковом поле вращающегося винта" - ЖТФ, т.6. вып.2-3, 1942, звуковое давление, создаваемое вращающимся винтом, имеет вид

где обозначены:

Р_в - сила тяги гребного винта,

С₀ - скорость звука в водной среде,

r - расстояние между центром вращения винта и наблюдателем,

ϕ - угол между осью вращения винта и направлением на

наблюдателя,

М_кр - крутящий момент,

 _Imz - функция Бесселя первого рода.

Очевидно, что в направлении ϕ_о акустическое давление равно нулю, Р_m(ϕ_o)=0, причем для всех гармоник, если

Тогда, последнее выражение для n_о; P_b,о; М_кр,о можно переписать в виде, подставляя значение P_b,о из выражения (3):

Для основных первых гармоник m, которые превалируют в шуме вращающегося винта

Поэтому можно использовать разложение функции Бесселя в ряд

и ограничиться первым членом разложения

Тогда выражение (4) можно записать в виде

Если нормировать к значению , то

Тогда характеристику направленности винтового шума при выбранных P_b,о; n₀; М_кр,о для пространственной режекции шума в направлении ϕ_o, можно записать в виде

Видно, что характеристика направленности деформируется таким образом, что при ϕ_о имеется нулевое значение для всех гармоник m, B(ϕ,ϕ_o)=0, т.е. осуществляется пространственная режекция шума в направлении ϕ_о.

Таким образом, достигается требуемый результат. Частный признак для гребного винта в водной среде может быть обоснован следующим образом. Зависимость силы тяги Р_В от подводимой к винту мощности Т определяется соотношением [Л.Я. Губин. О звуковом поле вращающегося винта, - ЖТФ, т.6, вып.2-3, 1942]

где ρ - плотность морской среды.

Крутящий момент мотора

где угловая скорость вращения мотора

Подставляя (II), (12), (13) и значения скорости звука и плотности воды в формулу (3), найдем

Таким образом, и для частного признака причинно-следственные связи с требуемым результатом обоснованы.

Кроме шума вращения винта имеется так называемый объемный шум, но он много меньше шума вращения и им пренебрегают.

Сущность изобретения поясняется примерами на фиг 1-4.

На фиг.1 приведена характеристика направленности шумоизлучения гребного винта для первой моды (m=1) при формировании нуля в направлении ϕ_о=85°.

На фиг.2 приведена характеристика направленности шумоизлучения гребного винта для третьей моды (m=3) при формировании нуля в направлении ϕ_o=85°.

На фиг.3 приведена характеристика направленности шумоизлучения гребного винта для второй моды (m=2) при формировании нуля в направлении ϕ_о=40°.

На фиг А приведена характеристика направленности шумоизлучения гребного винта для четвертой моды (m=4) при формировании нуля в направлении ϕ_о=45°.

Из приведенных примеров видно, что пространственная режекция шума гребного винта осуществляется для всех мод, но при этом характеристики направленности мод деформируются по-разному.

Реализация способа достигается за счет подбора подводимой мощности и числа оборотов гребного винта согласно предлагаемому способу. В конечном счете это приводит к изменению скорости движения судна.

Таким образом, предлагаемый способ технически реализуем.

Изобретение относится к области физической и технической акустики, а более конкретно к направленным источникам звука. Задачей изобретения является создание нуля в заданном направлении в характеристике направленности шума вращающегося винта. Предложен способ пространственной режекции в заданном направлении шума вращающегося винта, в котором для создания нуля в характеристике направленности шума вращающегося винта в направлении ϕ_о создают силу тяги винта Р_в.о, число оборотов винта n_o в секунду и крутящий момент М_кр.о согласно указанному в формуле соотношению. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ пространственной режекции в заданном направлении шума вращающегося винта, отличающийся тем, что для создания нуля в характеристике направленности шума вращающегося винта в направлении ϕ_о создают силу тяги винта Р_в,о, число оборотов винта n_o в секунду и крутящий момент М_кр.о согласно соотношению

где С_о - скорость звука в среде, в которой вращается винт;

R_э - эквивалентный радиус винта, примерно равный 0,7R, где R - радиус винта;

Z - число лопастей винта.

где η- кпд гребного винта.