6. Отчего так шумно? Механизмы и шум

Каждому ясно, что проблема чрезмерного шума, возникшая в наши дни, вызвана не трубами, в которых ходят поршни, и не пульсирующими баллонами. Не повинны в ней ни блок-флейты, ни скрипки, ни оркестровые тарелки. Однако до сих пор мы говорили только об этих источниках звука. Где же истинные виновники шума? Почему они шумят? И при чем тут блок-флейты, скрипки и тарелки?

Рассмотрим сначала механизмы вообще. Вернемся к музыкальным инструментам и вспомним, что мы разделили их на три группы: издающие звук в результате аэродинамических процессов, при вынужденных механических колебаниях и при ударе или соударении тел. Мы называли и три этапа возникновения звука: первоначальное, или исходное, возмущение, усиление или изменение этого возмущения и излучение звука. Как мы выяснили, без исходного возмущения вообще нельзя создать никакого звука. Для блок-флейты таким возмущением служит образование вихрей вокруг вдуваемой струи воздуха, для скрипки— трение смычка о струны, для тарелок — внезапное изгибание и деформация при соударении. А что происходит с механизмами? Каково исходное возмущение у них?

Возьмем паяльную лампу, простое устройство без подвижных частей, — это пример чисто аэродинамического источника звука. В такой лампе керосин под давлением распыляется и, проходя через узкое отверстие, образует струю легко воспламеняемых паров. Эта струя непрерывно возгорается, и газообразные продукты горения выбрасываются из сопла. При работе паяльной лампы шум возникает по трем причинам. Прежде всего, когда струя паров вырывается из отверстия, образуются такие же вихри, как при выходе воздуха из мундштука блок-флейты. Возникает шипящий звук. Далее, после всасывания воздуха в камеру сгорания через широкие отверстия, расположенные вокруг струи, последняя загорается на небольшом расстоянии от места ее выхода. Смесь горючего и воздуха уже турбулизирована, и поэтому горение — неустановившийся процесс. Давление, создаваемое расширяющимися газообразными продуктами горения, неравномерно и неустойчиво, и это создает шум горения. Если измерить колебания интенсивности света от пламени паяльной лампы и сравнить их с колебаниями давления воздуха, другими словами, со звуком, между ними обнаружится удивительно много общего. Наконец, еще больший шум обусловлен тем, что у конца камеры сгорания быстро движущийся турбулентный поток горячего газа сразу начинает смешиваться с холодным и неподвижным окружающим воздухом: образуются вихри и потоки, вызывающие беспорядочные колебания давления и усиливающие рев горящей лампы.

Мы описали один из видов аэродинамического шума, но, по-видимому, значительно чаще нам приходится сталкиваться просто с шумом взрыва. В этом случае вместо непрерывного регулируемого процесса сгорания горючего происходит внезапное сгорание большого количества легко воспламеняемого вещества, сопровождаемое резким увеличением давления и большой турбулентностью. Будет ли возникающий шум звучать, как гул или резкий удар, зависит от ряда обстоятельств: от скорости возгорания, от того, происходит ли оно в открытом или замкнутом пространстве, например в патроне; в последнем случае при вылете пули образовавшийся в гильзе сжатый газ вырывается наружу внезапно. Внезапное высвобождение сжатого воздуха или газа может происходить не только при взрывах: оно, например, происходит в выпускном окне пневматического перфоратора.

Возможны и другие виды исходного возмущения аэродинамического происхождения. Движется ли воздух мимо неподвижного тела, или тело перемещается в неподвижном воздухе — всегда образуются вихри, даже если тело обладает обтекаемой формой, как, например, крыло самолета. На рис. 22 изображена картина обтекания тела. Возьмем простейший случай движения шара в неподвижном воздухе: резкое падение давления в спутной струе позади тела вызывает турбулентность, а значит, и шум. Чем лучше аэродинамические свойства движущегося тела, тем слабее шум. Но движущееся тело не только создает турбулентность в спутной струе; для того чтобы пройти через воздушную среду, ему приходится расталкивать воздух в стороны. Это вызывает резкое увеличение давления по обе стороны движущегося тела или, при движении самолетного крыла, увеличение давления с одной стороны и уменьшение — с другой. Изменения давления создают звуковую волну, непрерывно убегающую со скоростью звука от движущегося тела. Когда через определенную точку в воздухе с постоянной скоростью проходят в правильной последовательности движущиеся тела, то прохождение тел создает вблизи этой точки последовательные импульсы. Если тела движутся с достаточной скоростью, такая последовательность импульсов создает слышимый звук. Так происходит, например, при вращении пропеллера: при прохождении каждой лопасти через заданную точку воздуху сообщается импульс и следующие друг за другом импульсы распространяются в воздухе в виде звуковых волн. Если четырехлопастный пропеллер вращается со скоростью 1200 об/мин (20 об/с), то его лопасти будут проходить через любую выбранную нами точку 80 раз в секунду, создавая звук с основной частотой 80 Гц.

Рис. 22. Вихреобразование в потоке, обтекающем круговой профиль.

Пульсации давления, вызываемые движущимися лопастями, не являются абсолютно чистыми тонами, то есть синусоидальными волнами. Во второй главе мы уже встречались с теоремой Фурье, которая гласит, что каждый конечный и непрерывный периодический процесс можно разложить в простой ряд синусоидальных волн с соответствующими фазами и амплитудами. Импульсы давления, создаваемые движением лопастей пропеллера, — это конечные, непрерывные и периодические колебания, а следовательно, их можно разложить в ряд Фурье. Проделав это, мы обнаружим, что шум пропеллера действительно состоит из ряда гармоник.

Описанное явление будет выражено еще отчетливее, если в непосредственной близости к вращающимся лопастям находится неподвижное тело (элемент статора). Воздух, закручиваемый лопастями, проходя мимо неподвижного тела, оказывает то же действие, как если бы двигалось само тело. Но дело не только в том: если всунуть палец между лопастями и неподвижным телом, его бы тут же раздавило или оторвало; вот так резко сжимается воздух, заключенный между вращающимися и неподвижными элементами конструкции, и такое сжатие вновь создает звуковую волну. Наконец, наличие в конструкции неподвижных элементов приводит к тому, что вращающаяся лопасть, проходя между ними, встречает воздух, движущийся с разной скоростью: позади элементов статора воздух почти неподвижен, а между ними он движется довольно быстро. Изменение скорости порождает изменение давления, а это уже и есть звук. Частота шума, возникающего при взаимодействии вращающихся и неподвижных элементов конструкции, зависит от числа лопастей и скорости вращения. Все сказанное справедливо не только для воздуха, но и для жидкости, только термин «аэродинамический» придется заменить на «гидродинамический».

Пока мы говорили только об исходном возмущении в источниках звука и не касались ни усиления, ни излучения, однако мы скоро увидим, что в аэродинамическом шуме все эти три явления зачастую образуют один процесс. А что можно сказать о вынужденных механических колебаниях? Здесь дело обстоит совсем иначе. При механических колебаниях процесс излучения звука часто (к счастью!) не эффективен. Самый простой вид исходного возмущения при вынужденных колебаниях создается движением какого-либо тела по неровной поверхности. Движение карандаша по бумаге не произведет много шума, но про движение зубила по точильному колесу этого не скажешь. Нетрудно понять процесс создания шума в этих случаях: поверхность листа бумаги изобилует случайными шероховатостями малых размеров, у точильного колеса эти шероховатости много крупнее. При движении по неровной поверхности карандаш и зубило приходят в колебательное движение вверх и вниз, в результате и возникает шум.

Описанные колебания имеют беспорядочный характер. В отличие от них колебания, обусловленные вращением неуравновешенных элементов какого-либо механизма, регулярны; они вызывают периодическое смещение механизма в целом. Простейший пример — груз, расположенный на конце вращающегося стержня. Центробежная сила действует в направлении стержня; если стержень вращается с постоянной скоростью, а механизм в целом может свободно колебаться только в одном направлении, например вверх-вниз, то под действием центробежной силы он будет смещаться из положения покоя на расстояние, пропорциональное косинусу угла между стержнем и направлением смещения. Поскольку косинус равнозначен синусу, сдвинутому по фазе на 90°, то в этом случае результирующее колебание создает «чистый тон», так как колебания давления при чистом тоне образуют синусоидальную волну. Разумеется, у многих механизмов силы, обусловленные неуравновешенностью, значительно сложнее, чем силы, возникающие при вращении одного ротора. Одна из причин их сложности состоит в том, что реальный механизм никогда не совершает колебаний только вверх-вниз; он обычно колеблется в шести различных направлениях: вверх-вниз, из стороны в сторону, вперед-назад, вращаясь вокруг вертикальной и двух горизонтальных осей (с боку на бок и в продольном направлении). Поэтому результирующие колебания механизмов с большим числом неуравновешенных вращающихся деталей, как правило, чрезвычайно сложны.

Среди сил, способных возбуждать колебания, особую категорию составляют электромагнитные силы. С колебаниями, создаваемыми этими силами, чаще всего приходится встречаться в электромоторах; силы взаимодействия между якорем и электромагнитом, то есть между ротором и статором, вызывают деформации и вибрации частей мотора. Впрочем, обычно основной шум в электродвигателях имеет аэродинамическое происхождение и обусловлен взаимодействием прорезей в роторе и статоре.

В трансформаторах магнитострикция вызывает деформацию сердечника и тем самым колебания с основной частотой, равной частоте переменного тока. При этом обычно возникает и множество гармоник, наиболее выражена из них — вторая. Поэтому при частоте переменного тока 50 Гц шум трансформатора в основном сосредоточен на частоте 100 Гц; следует учитывать также резонанс в корпусе, заполненном маслом, и эффективность излучения звука всем агрегатом в целом.

Теперь поговорим об ударах и соударениях тел. Хотя удары служат весьма эффективными исходными возмущениями, сами по себе они создают не так уж много шума. Если бы оркестровые тарелки изготовляли не из меди, а из пластмассы, то удар палочки по ним звучал бы очень тихо. Удар кулаком по каменной стене почти не производит шума. Если же ударить кулаком по стенке жестяного картотечного шкафа, шум будет гораздо громче, но только благодаря большей эффективности усиления и излучения.

Ударами сопровождается работа многих механизмов. Особенно сильные удары производят прессы, пробойники и штамповочные машины. В пневматических перфораторах конец зубила ударяет по поверхности дорожного покрытия. Зубья и резцы пил, токарных и фрезерных станков с большой скоростью ударяют по обрабатываемому материалу. В сложных механизмах клапанные коромысла стучат о клапаны, зубчатые колеса — одно о другое, звездочки — о звенья цепи и т. д.

Однако многие из этих исходных возмущений сами по себе производили бы лишь самый незначительный шум. Мало проку было бы от нашей блок-флейты, не будь ее корпус резонатором; колебания скрипичной струны были бы еле слышны в отсутствие деки; пластмассовая оркестровая тарелка оказалась бы вообще бесполезной. Почему? Это происходит по двум причинам. Во-первых, исходные возмущения в блок-флейте беспорядочны, а беспорядочный шум по своей природе не слишком эффективен. Возникшие вихри «толкутся» без согласованного взаимодействия, и в результате увеличение давления, созданное одним вихрем, часто нейтрализуется за счет падения давления, вызванного другим. Колеблющаяся струна излучает слабый звук, поскольку, как мы уже видели, окружающий ее воздух не сжимается и не разрежается, а просто обтекает ее. А деформация пластмассовой тарелки, обусловленная ударом, затухает слишком быстро, чтобы вызывать заметный шум.

Усиление и излучение звука — существенные этапы в создании шума. В блок-флейте резонансные явления в корпусе создают обратную связь, которая существенно упорядочивает образование вихрей. Так как вихри образуются в том же темпе, в котором колеблется воздушный столб, они действуют согласованно, увеличивая эффект, а не противодействуют друг другу беспорядочно. Для создания звука резонанс струны не менее важен, чем резонанс воздуха в корпусе блок-флейты. Действительно, если нам, например, вздумается водить смычком по краю стола, резонанса не возникает и получается звук, который вряд ли кому-либо сможет доставить удовольствие. Еще важнее вопрос об эффективности излучения: ведь сама по себе струна почти не излучает звука, ибо воздух ее обтекает. В скрипке, однако, колебания струны действуют с переменными силами на подставку, через которую они передаются на деревянный корпус инструмента. Размеры корпуса настолько велики, что перетекание воздуха вокруг него происходит значительно слабее, чем вокруг струны. Разумеется, перетекание зависит и от частоты; чем больше поверхность, тем ниже частота, которую эта поверхность может эффективно излучать, и тем больше интенсивность излучаемых звуков. Все, кто занимался системами высококачественного воспроизведения звука, знают, что для передачи низкочастотных звуков необходим громкоговоритель больших размеров. Если громкоговоритель заключить в ящик, то перетекание воздуха уменьшается; подобный способ применяется в бас-громкоговорителях.

Поскольку каждую точку колеблющейся поверхности можно рассматривать как самостоятельный источник шума, поверхность двойной площади излучает шум двойной интенсивности, то есть по уровню на 3 дБ выше. Это справедливо при условии, что амплитуды колебания обеих поверхностей в среднем одинаковы. Шум зубила на точильном колесе зависит от эффективности излучения звука как колесом, так и зубилом. Если какое-либо из этих тел способно совершать резонансные колебания значительной амплитуды — а это, безусловно, так, — то исходное возмущение, возникающее в точке касания зубила и колеса, возбудит эти резонансные колебания и звуковая энергия будет излучаться эффективно. К этому добавится также небольшой аэродинамический шум, обусловленный движением воздуха в неровностях поверхности точильного колеса, возмущаемого острием зубила. Чем больше колесо, тем выше интенсивность шума и тем более низкочастотным он окажется. Колесо больших размеров характеризуется не только более низкими резонансными частотами, но и большей способностью к излучению низкочастотных звуков. Напротив, зубило, обладающее малыми размерами, резонирует на высоких частотах и эффективно излучает только высокочастотные звуки.

Хотя резонанс очень эффективно усиливает звук, он не меняет излучающих свойств поверхности. Скрипичный мастер должен так рассчитать корпус скрипки, чтобы его резонансная частота была меньше низшей частоты баска. Поверхности, не имеющие резонансов, — «мертвые» поверхности — посредством исходного возмущения все же можно привести в состояние колебания, и тогда при их большой излучающей поверхности они могут существенно увеличить шум.

При наличии резонансов их значение чрезвычайно зависит от того, насколько вынуждающая частота исходного возмущения близка к резонансной частоте. Если эти частоты совпадают, возможно значительное усиление шума.

Когда исходные возмущения обусловлены силами, возникающими при вращении неуравновешенных частей механизма, очень часто усиление и излучение звука осуществляет настил, на котором установлен механизм. Обычно это большая поверхность, которая может эффективно излучать звук, в частности низкочастотный. Кроме того, механизмы обычно имеют металлический кожух, обладающий, пожалуй, не меньшим числом резонансов, чем оркестровая тарелка, и, хотя резонансные частоты обычно лежат выше основной частоты колебаний механизма и поэтому их вклад в шум на этой частоте невелик, на более высоких частотах шум значительно увеличится.

Как мы уже знаем, в ударных источниках звука главную роль играют механизмы усиления и излучения. Если ударяемый предмет не резонирует, то возникающий шум — это просто результат мгновенного вытеснения воздуха между соударяющимися предметом и колотушкой и еще двух-трех колебаний, которые длятся одну-две миллисекунды. Удар же по резонирующему предмету вызовет его возбуждение, и тогда колебания продлятся по крайней мере секунду или дольше, в зависимости от величины внутреннего трения или затухания, вследствие которых звуковая энергия поглощается.

При работе штамповочного пресса резонирует и металл, из которого сделан пресс, и обрабатываемый металл, а часто еще пол под прессом. Когда работает циркулярная пила, удары между зубьями и обрабатываемым материалом, а также аэродинамический шум, создаваемый взаимодействием ротора и неподвижных элементов, возбуждают вынужденные резонансные колебания в диске пилы, который, вообще говоря, очень похож на оркестровую тарелку. Практически всегда, когда удар вызывает достаточно громкий шум, это значит, что где-то имел место резонанс. Если ударить ладонью по стене, воздушное пространство, остающееся между незначительным углублением ладони и стеной, ведет себя как резонатор Гельмгольца. О таких резонаторах, состоящих в близком родстве с резонирующими трубами, мы расскажем в гл. 8.

Теперь обратимся к некоторым важнейшим источникам шума и рассмотрим подробно, насколько применимы к ним вышеизложенные соображения. Почему шумят двигатели? Почему дизели производят больше, шума, чем бензодвигатели? Почему самолеты визжат, идя на посадку, и ревут при взлете? Что заставляет все эти машины шуметь так сильно?

Один из наиболее распространенных источников шума не только в городах, но и в сельских местностях— двигатель внутреннего сгорания. Генри Форд вряд ли представлял, что его автомобиль станет предтечей одного из главных нарушителей покоя в нынешние времена. Возможно, не будь двигателя внутреннего сгорания, экономика промышленных стран так и оставалась бы в младенческом состоянии, но с быстрым ростом городских автострад и непрерывным увеличением размеров и мощности двигателей шум и выхлопные газы стали одной из серьезнейших причин загрязнения окружающей среды в городах.

Легковые автомобили повинны в этом меньше, чем оснащенный дизельными моторами грузовой транспорт. Когда в последнем десятилетии XIX века Рудольф Дизель разработал «дизельный цикл», он, не подозревая этого, изобрел самый шумный двигатель внутреннего сгорания из всех известных до тех пор. Дизельный двигатель получил такое широкое признание, потому что он преобразует в работу большую долю данного количества тепла, чем любой другой. Несмотря на большую исходную стоимость, дополнительный вес и пониженную мощность при том же рабочем объеме, дизель оказался значительно экономичнее при длительной эксплуатации, чем бензиновые двигатели, и, конечно, он будет широко применяться еще многие годы. День, когда его заменят газовые турбины, электрические машины или ядерные двигатели, настанет очень не скоро. Поэтому ознакомимся подробнее с причинами шума, производимого двигателями внутреннего сгорания вообще и дизелем в частности.

Двигатель внутреннего сгорания можно рассматривать как средство преобразования шума в механическую энергию — это звучит весьма странно, но так оно и есть. А так как машин с к. п. д., равным 100 %, не существует, то не удивительно, что наша шумовая машина выпускает некоторое количество звуковой энергии в окружающее пространство. Вся работа в поршневом двигателе внутреннего сгорания осуществляется в камерах сгорания. Газы, расширяясь, давят на дно поршня, и работа давления через шатуны и коленчатый вал преобразуется в энергию вращения. Если для одного оборота вала измерить зависимость давления в камере сгорания обычного дизельного двигателя от времени и результаты измерений Нанести на график, то получится кривая, изображенная на рис. 23, соответствующая двигателю, работающему с полной нагрузкой и постоянным числом оборотов 2000 об/мин. Важно, что эта кривая давления периодически повторяется; значит, зависимость давления от времени можно разложить в ряд Фурье, то есть на сумму гармоник, подобно тому, как мы разлагали на гармоники звуки музыкальных инструментов (см. гл. 3), но только с более сложными зависимостями между ними. Результат анализа по методу Фурье давления в цилиндре и шума снаружи двигателя показан на рис. 24. Этот рисунок не дает фазовых зависимостей между составляющими, но они нас и не интересуют.

Рис. 23. Осциллограмма давления в цилиндре дизеля (в. м. т. — верхняя мертвая точка).

Теперь уже нетрудно понять, почему дизель — машина не только тепловая, но и шумовая. В камере сгорания генерация шума происходит таким образом, что пульсация давления при посредстве поршня может повернуть коленчатый вал. Как и следует ожидать, уровень звукового давления в камере сгорания огромен, фактически он превышает 220 дБ относительно нулевого уровня 2×10⁻⁵ Н/м2. Если бы все это давление вышло из цилиндра наружу в виде шума, никакой энергии бы не осталось, но, к счастью, большая часть энергии остается внутри двигателя и совершает полезную работу. Колебания давления на наружной поверхности двигателя едва составляют 0,001 % от величины колебаний внутри камеры сгорания, а на расстоянии 1 м от двигателя звуковое давление падает еще на 10 %.

Рис. 24. Узкополосные спектры давления в цилиндре и шума снаружи цилиндра.

Почему не вся энергия высвобождается в виде шума? Почему все же часть ее высвобождается? На оба эти вопроса можно ответить одновременно. Если на время забыть о выхлопных и впускных отверстиях, то видно, что шум не может выйти наружу из камеры сгорания, не войдя предварительно в металл цилиндрового блока и картера, отливаемых обычно из чугуна. Шум не только должен проникнуть в металл, но и выйти оттуда в наружный воздух. В гл. 9 мы увидим, что в акустике, как и во многих других областях физики, одним из важнейших условий эффективного перехода энергии из одной среды в другую является малая разница в сопротивлении этих сред. Акустическое сопротивление (чаще называемое акустическим импедансом) чугуна примерно в 60 000 раз больше, чем для воздуха. Поэтому только незначительное количество звуковой энергии переходит из воздуха в чугун, а затем из него в воздух. Шум преимущественно остается в камере сгорания, а значительная часть звука, все же проникшего в чугун, так и не выходит наружу.

К сожалению, чугунный цилиндровый блок частично «преодолевает» это препятствие. Если цилиндровый блок с картером испытать в лаборатории на вибрацию, обнаружится, что он обладает множеством резонансов на разных частотах. Изгибные волны, возникающие в металле, отражаются от всех участков блока, где его форма и толщина резко изменяются, создавая во всей конструкции стоячие волны различной пространственной формы и различных частот. Разумеется, все эти волны имеют гармоники. Явление же резонанса в конструкции значительно снижает ее акустический импеданс для звука резонансной частоты.

Когда фурье-составляющая шума, производимого в камере сгорания, совпадает с какой-либо из резонансных частот блока цилиндра, наружу вырывается значительно большая доля звуковой энергии. Возвращаясь к рис. 24, видим, что именно это и происходит в описанном двигателе при частотах, соответствующих третьей и седьмой гармоникам. Первая, вторая, четвертая и все остальные гармоники, очевидно, хуже «настроены» на резонансные частоты цилиндрового блока и не так легко проходят сквозь него. Все сказанное справедливо для постоянной скорости вращения в 2000 об/мин; при изменении числа оборотов изменится и вся картина.

Цилиндровый блок и картер отнюдь не единственные излучатели звука в двигателе. Колебания передаются также к корпусу распределителя зажигания и к крышкам клапанов, которые обычно резонируют сильнее, чем чугунные детали. Большие силы передаются также через поршни в коленчатый вал, так что шкив вала, как и маховик, становится излучателем звука, хотя маховик обычно находится внутри картера сцепления.

Теперь мы уже в состоянии понять, почему дизельный двигатель шумит совсем иначе и много громче, чем бензиновый. Прежде всего, когда бензиновый двигатель работает с небольшой нагрузкой или совсем без нее, всасывание задросселировано и рост давления в камере сгорания резко снижается, что значительно уменьшает амплитуду составляющих Фурье. В дизеле же при снижении и полном снятии нагрузки никакого дросселирования не производят, а уменьшают лишь количество горючего, впрыскиваемого в камеру сгорания, так что давление в цилиндре снижается незначительно.

Еще существеннее то обстоятельство, что в бензиновом двигателе распространение пламени от запальной свечи до стенок камеры сгорания происходит сравнительно медленно, в результате чего кривая возрастания давления имеет достаточно плавный ход. Совершенно иначе обстоит дело с дизелем: наружный воздух всасывается в камеру сгорания, сжимается, а затем отмеренная порция горючего впрыскивается в камеру. Температура воздуха поднимается вследствие сжатия намного выше температуры воспламенения жидкого топлива. Практически все топливо вспыхивает одновременно, и в этот момент на кривой давления отмечается внезапный, резкий скачок давления. При разложении кривых роста давления в дизельном и бензиновом двигателях в ряд Фурье обнаруживается, что дизелю свойственны высокие гармоники гораздо большей интенсивности, что и объясняет характерный стук при работе дизеля. Из различия в рядах Фурье следует также, что нарастание шума с увеличением скорости у бензинового двигателя больше, чем у дизеля. Десятикратное увеличение скорости бензинового двигателя дает усиление шума на 50 дБ, тогда как у дизеля — всего лишь на 30 дБ. Если бы удалось достигнуть достаточной скорости вращения у бензинового и аналогичного дизельного двигателя, то при некотором числе оборотов оба двигателя создавали бы один и тот же уровень шума.

Заметим, что десятикратное увеличение объема двигателя увеличивает уровень шума всего на 17 дБ. Отсюда следует, что, применяя тихоходные двигатели, при соответствующем увеличении их объема мы уменьшим шум. Быстроходный небольшой двигатель, по существу, всегда производит больше шума, чем медленно работающий двигатель той же мощности. Если к тому же учесть, что при медленном вращении двигатель создает низкочастотные звуки, относящиеся к той части звукового спектра, к которой наш слух менее чувствителен, то уменьшение шума будет еще существеннее.

В двигателе есть и другие источники шума; одни из них не зависят от сгорания топлива, другие связаны с ним. Каждый раз, когда открывается выхлопной клапан, происходит мгновенное высвобождение и перетекание сжатого газа в газопровод. Пульсации газа в газопроводе в течение каждого оборота двигателя, как и кривую давления в камере сгорания, можно разложить на гармонические составляющие. Трубопровод и выхлопная труба обладают собственными резонансами и гармониками, и, если их частоты совпадают с частотами выхлопа, шум усиливается. К счастью, в большинстве случаев двигатели снабжены достаточно эффективными глушителями выхлопа, устройство которых мы рассмотрим ниже. И если звук выхлопа сравнительно силен, это значит только, что из экономии применен глушитель плохого качества; технически всегда возможно снизить выхлопной шум до уровня, меньшего, чем уровень шума самого двигателя. Борьба же с шумом самого двигателя — наиболее трудная задача.

Следует также считаться и с шумом впуска, который часто ускользает от внимания конструкторов двигателей. Когда впускной клапан открывается, давление в цилиндре еще несколько повышено, и газ устремляется во впускной трубопровод. Почти немедленно происходит обратное движение, и газ всасывается в цилиндр. Часто шум впуска оказывается меньше шума резонансов впускного газопровода, возбуждаемых колебаниями газа во впускном окне.

В бензиновых двигателях, работающих без нагрузки, шумы выхлопа и впуска значительно ослабляются, для дизеля же нагрузка не имеет особого значения. В бензиновом двигателе шум выхлопа усиливается при торможении, например когда автомобиль идет под гору и мотор вращается с прикрытым дросселем. Определенную роль в дизельных и некоторых бензиновых двигателях играют топливные форсунки. Их шум обычно слабее шума двигателя. Цепь к распределительному валику, клапанная передача и коробка передач — все вносит свой вклад в суммарный шум.

В этом «оркестре», спрятанном под капотом автомобиля, есть еще один инструмент, партия которого звучит гораздо громче, чем обычно думают, — это вентилятор системы охлаждения мотора. Шум вообще исконное свойство вентиляторов, и они заслуживают особого места в перечне механизмов, описываемых в этой главе. При некоторых скоростях двигателя легковых автомашин шум вентилятора становится таким же громким, как и шум самого мотора. При десятикратном увеличении числа оборотов мотора шум вентилятора возрастает на 50—60 дБ и становится громче шума мотора; кроме того, вентилятор начинает снижать полезную мощность мотора, вызывая его переохлаждение. Замена обычного вентилятора устройством с термостатической регулировкой и электрическим приводом или электромагнитной муфтой не только снизит шум двигателя, но и сэкономит некоторое количество полезной мощности при высоких оборотах мотора. К сожалению, экономия горючего незначительна по сравнению со стоимостью таких устройств, но все же два-три лишних километра в час или два-три лишних километра на галлон горючего, а также снижение шума должны привлечь внимание к этим устройствам.

Хотя вентиляторы, конечно, не основные виновники шума, следует остановиться на них уже сейчас, ибо, когда мы дойдем до акустического чудовища — реактивного двигателя, выяснится, что между ними есть много общего. К тому же в числе устройств для вентиляции и кондиционирования воздуха это самые шумные механизмы.

Вентилятор — это устройство для перемещения воздуха. Существуют два типа вентиляторов — осевые и центробежные. На рис. 25 показаны типичные представители тех и других. У осевого вентилятора много общего с авиационным пропеллером, и поэтому осевые вентиляторы, работающие при незначительном статическом давлении или практически в его отсутствие (что допускает применение корпуса простейшего типа), обычно называют пропеллерными. Центробежный вентилятор приводит воздух в круговое движение, и центробежная сила создает радиальный поток воздуха, направляемый улиткой в выходную трубу, расположенную под прямым углом к валу вентилятора. Лопасти этих вентиляторов могут быть искривлены вперед, назад или расположены радиально, от чего зависят рабочие характеристики. В вентиляторах любого типа механизмы образования шума одинаковы; создаются шумы двух видов, а именно вихревой шум и шум вращения. Мы уже встречались с ними в начале этой главы.

Рис. 25. Осевой вентилятор (вверху) и центробежный вентилятор (внизу).

Образование вихрей создает широкополосный шум, лишенный дискретных составляющих; он как бы служит «аккомпанементом» другому виду шума вентилятора — шуму вращения. Выберем в воздухе какую-нибудь точку вблизи траектории лопастей; при каждом прохождении лопасти мимо этой точки воздух в ней получит дополнительный толчок, создающий внезапный импульс давления. У большинства вентиляторов частота звука прохождения лопастей лежит в пределах слышимости; график пульсации давления в любой точке воздушной среды — периодическая кривая. И как всякую периодическую кривую, ее можно разложить в ряд Фурье, то есть представить в виде суммы гармонических составляющих. Основная частота равна частоте прохождения лопастей вентилятора, но, помимо нее, в шуме будет присутствовать множество высших гармоник.

Шум вращения увеличивается, когда лопасти проходят мимо неподвижных тел, например направляющих лопаток или станины мотора в осевом вентиляторе или языка — в центробежном. При прохождении лопасти воздух оказывается внезапно «зажатым», что еще более усиливает шум вращения. Это явление обусловлено зазорами между вращающимися и неподвижными элементами и имеет место не только в вентиляторах, но и во всех вращающихся механизмах, в частности турбинах и электромоторах. Что касается направляющих лопаток в осевых вентиляторах, то, если их число равно числу лопастей, шум прохождения лопастей значительно усиливается; если число тех и других различно, общее усиление шума меньше. Если, как это часто случается, какая-нибудь часть вентилятора, например крепление или корпус, приходит в резонансные колебания, шум вихрей и шум вращения существенно возрастает. Еще хуже, когда возникает резонанс самих лопастей: если, по несчастной случайности, резонансная частота или ее гармоника для лопасти или направляющей лопатки совпадут с частотой звука прохождения лопастей или ее гармоникой, то обе причины начнут действовать совместно и произойдет дальнейшее усиление шума. У некоторых пропеллерных вентиляторов лопастями служат широкие, почти плоские штамповки из листовой стали, и, разумеется, они резонируют сильнее, чем другие. В настоящее время лопасти для осевых вентиляторов зачастую изготовляют из термопластика или других подобных материалов, характеризующихся большими внутренними потерями, и поэтому резонансы в них незначительны. С акустическими свойствами различных материалов мы ознакомимся в гл. 12.

Шум вентилятора можно с достаточной точностью рассчитать теоретически. Общий уровень излучаемой вентилятором звуковой энергии определяется его производительностью, статическим давлением и потребляемой мощностью. Достаточно знать два из этих факторов. Если нам известен уровень шума какого-либо вентилятора, мы можем составить представление и о частотном распределении шума, будь то осевой или центробежный вентилятор. У последнего основная часть шума лежит в низкочастотной области в октавной полосе 63 Гц, а в более высоких полосах шум прогрессивно убывает. В среднем в каждой последующей октавной полосе уровень шума уменьшается на 5 дБ; однако у некоторых вентиляторов, в частности у вентиляторов с загнутыми назад лопастями, звуковая энергия в основном сосредоточена вблизи частоты прохождения лопастей.

У осевых вентиляторов шум вращения также весьма заметен, но обилие гармоник приводит к довольно равномерному звуковому спектру, на низкочастотном и высокочастотном концах которого уровень шума понижается на несколько дБ. Эти вентиляторы легче заглушить, чем центробежные, потому что в их шуме гораздо меньше низкочастотных составляющих, которые зачастую почти не поддаются ослаблению; однако, когда вентилятор присоединен к трубопроводу, внутренние потери в трубах обычно заметно снижают шум центробежных вентиляторов, но почти не оказывают влияния на шум осевых вентиляторов. Шум осевых вентиляторов гораздо неприятнее, потому что содержит много чистых тонов, тогда как остаточный шум центробежного вентилятора состоит только из вихревого шума и вызывает значительно меньше неприятных ощущений.

Рис. 26. Турбореактивный двигатель.

Ну, а теперь обратимся к реактивному двигателю — из всех машин, загрязняющих шумом окружающую среду, он имеет наихудшую репутацию. Проносящийся над головой реактивный самолет создает самый сильный шум из тех, какие доводится слышать современному человеку в обычных условиях. Возможно, этот шум причиняет больше беспокойства большему числу людей, чем любой другой, даже чем шум наземного транспорта — его главный соперник. Проблема шума реактивных самолетов получила такое значение, что реактивные двигатели пользуются уникальной привилегией: в перечне требований, предъявляемых проектировщикам, устранение шума занимает одно из первых мест. Каким бы дешевым, эффективным, легким и экономичным ни был данный реактивный двигатель, его не установят ни на одном гражданском самолете, если он окажется слишком шумным!

Читатель, возможно, воскликнет: «Все реактивные двигатели шумят слишком сильно!» Но все на свете относительно, и было бы несправедливо игнорировать заметные достижения некоторых конструкторов в борьбе за уменьшение шума реактивных Двигателей. Прежде чем продолжать, нам следует вспомнить, что ближайшие родичи реактивных моторов — газовые турбины — широко применяются в качестве стационарных и судовых двигателей, а также на самых современных электростанциях. Сейчас пытаются использовать их и как автомобильные двигатели. А ведь только благодаря искусству инженеров-акустиков население защищено от шума этих машин; правда, перед этими специалистами не стояла проблема установки глушителей на самолет.

Средняя степень двухконтурности

Большая степень двухконтурности

Рис. 27. Турбовентиляторные двигатели.

Второй закон Ньютона утверждает: каждому действию соответствует равное и обратно направленное противодействие. Как ракетный, так и реактивный двигатели целиком опираются на этот закон. Ракетный двигатель несет с собой и жидкое горючее, и окислитель. При сгорании горючего в камере сгорания выделяется огромное количество тепла и образуются большие объемы газа. Газ расширяется с большой скоростью и выходит из камеры сгорания наружу через единственный выход: сопло в хвостовой части ракеты. В результате значительная масса газа непрерывно выбрасывается с ускорением из хвостовой части ракеты, что можно сравнить с непрерывным потоком пуль, выстреливаемых из ружья. Каждый, кто стрелял из ружья, знаком с явлением действия и противодействия при отдаче ружья, приводящим к болезненному удару в плечо после каждого выстрела. Если бы ружье стреляло непрерывно, удар превратился бы в постоянную силу, действующую на плечо стреляющего. Эта сила и есть в чистом виде сила противодействия, или реакция на действие выталкивания пули. Подобным же образом при выталкивании массы выхлопного газа из ракетного двигателя создается реактивная сила, и именно эта реакция сообщает движение ракете.

Реактивный двигатель, в сущности, тот же ракетный двигатель, но несущий с собой не весь запас необходимого газа, а использующий окружающий газ, то есть воздух. У простого турбореактивного двигателя, как и у ракетного, имеются камеры сгорания и выхлопное сопло, через которое газы вырываются с ускорением, создавая реактивную тягу. Горячий газ образуется так же, как и в камере сгорания поршневого двигателя: к воздуху под давлением добавляется распыленное горючее и смесь зажигается. Но в турбореактивном двигателе этот процесс происходит непрерывно; для сжатия воздуха применяется компрессор — весьма сложный многолопастный, многоступенчатый осевой вентилятор. с последовательно расположенными ступенями; горючее впрыскивается в камеру непрерывно, поступая в нее одновременно со сжатым воздухом, так что после запуска двигателя зажигание осуществляется самопроизвольно и непрерывно. Для приведения в действие компрессора позади камеры сгорания устанавливается газовая турбина, которая отбирает часть энергии расширяющихся газов для вращения компрессора. Турбина похожа на обращенный вентилятор или на ветряную мельницу хитроумной конструкции; сидя на том же валу, что и компрессор, она вращает его.

Шум турбореактивного двигателя имеет несколько источников. Наибольший шум создает турбулентное перемешивание скоростной струи газа с окружающим атмосферным воздухом. Снова на сцене вихри — наши старые знакомые, и теперь мы достаточно освоились с ними, чтобы понять, каким образом струя газа производит шум. Интересно, что, создавая с помощью специального устройства поток холодного воздуха, во всех отношениях, кроме температуры, подобный струе турбореактивного двигателя, мы услышим почти такой же шум. Источники звука расположены не в сопле, а несколько ниже по течению газа, в так называемой «зоне смешения», где скоростная турбулентная струя смешивается с атмосферным воздухом. Можно было бы предположить, что стационарный турбореактивный двигатель должен производить больше шума, чем движущийся, ввиду большей скорости газового потока относительно окружающего воздуха. До известной степени это верно; однако в действительности все обстоит гораздо сложнее, и может оказаться, что во втором случае высокочастотный шум больше.

Выходящая из сопла струя излучает шум в разных направлениях с различной интенсивностью. Львиная доля шума идет назад и диаграмма направленности имеет сердцевидную форму: наибольший уровень шума наблюдается позади двигателя приблизительно под углом 40° к его оси.

На втором месте в создании шума турбореактивного двигателя стоит компрессор. Первая ступень в обычном двигателе — это венец направляющих лопаток, затем следует первая вращающаяся ступень, потом — снова чередующиеся ступени лопаток статоров и роторов. Число тех и других ступеней может доходить до пятнадцати. Взаимодействие роторов и статоров создает шум высокой частоты, сходный со звуком сирены, который, как обычно, сопровождается гармониками и излучается вперед. Это и есть тот свист, который самолет издает при посадке. Если лопасти компрессора изготовлены из обычных металлов, в них возникают резонансы, которые увеличивают шум. И, как всегда, если резонансные частоты или гармоники лопастей совпадают с частотой взаимодействия ротор — статор, шум усиливается.

Газовая турбина тоже визжит, но ее шум излучается назад и обычно перекрывается шумом струи.

Корпус — еще один излучатель шума в реактивном двигателе. Шумы, идущие изнутри, а именно шумы сгорания, шумы турбины и компрессора, проникают в корпус и вызывают его колебания, последние в свою очередь излучают шум. Но по сравнению с шумом истечения струи шум корпуса очень слаб.

В настоящее время конструкции реактивных двигателей значительно усовершенствованы, и работа в этом направлении продолжается, а первоначальные модели турбореактивных двигателей уходят в прошлое. Оказалось возможным снизить излучение источников шума этих двигателей; в новых турбовентиляторных двигателях уменьшена скорость струи газа и усовершенствован процесс смешения, В них первая ступень компрессора имеет большие размеры, и воздух обдувает корпус двигателя («двухконтурность», см. гл. 12).

Не так давно, однако, мы все смогли убедиться, что самолетные двигатели отнюдь не единственная причина шумового загрязнения среды. И действительно, совершенно «бесшумный» самолет может создать сложнейшую проблему шума, если он полетит со сверхзвуковой скоростью. «Звуковой хлопок» — новый тип шума, по сравнению с которым остальные кажутся незначительными, и он создает проблемы государственного масштаба. Что же такое «звуковой хлопок?» Когда военные самолеты впервые полетели со сверхзвуковыми скоростями, создатели многих кинофильмов того времени старались запечатлеть «преодоление звукового барьера». Летчики в защитных очках выдвигали вперед челюсть, скрежетали зубами, экран сотрясался, и капли пота сбегали у них со лба, когда, подобно Армаггедону, приближался кульминационный душераздирающий момент и они прорывались сквозь звуковой барьер. Впрочем, специалисты мне объяснили, что можно достичь числа Маха, равного 1, ничего при этом не заметив...

Рис. 28. Волны давления в воздухе при дозвуковой и сверхзвуковой скоростях движения.

На самом деле от звукового хлопка страдают люди, оставшиеся на земле. Когда твердое тело движется в воздухе, непосредственно впереди этого тела возникает повышенное давление. При скорости тела, меньшей скорости звука, это давление остается малым и только дает начало звуковым волнам, отходящим от тела (рис. 28). Но если скорость тела относительно окружающего воздуха больше скорости звука, звуковые волны не успевают отходить от тела и давление накапливается впереди тела, образуя скачок уплотнения (ударная волна) конической формы. Конус расширяется, и ударная волна в конце концов достигает земли, где воспринимается как звук хлопка или гул выстрела. Вопреки весьма распространенным представлениям звуковой хлопок возникает по следу самолета на протяжении всего времени, пока он летит со сверхзвуковой скоростью, а не только в момент «преодоления звукового барьера». Так как с увеличением высоты температура воздуха понижается во всей тропосфере, температурный градиент вызывает изгиб пути ударной волны кверху (гл. 7) и поэтому она не всегда достигает земли. Чтобы ударная волна значительной величины дошла до земли, число Маха у самолета, идущего на высоте 10 000 м, должно превышать 1,3 Ударные волны имеют N-образную форму (рис. 29); они возникают во всех точках, где форма самолета претерпевает изменения, например в местах соединения крыльев с корпусом, у обтекателей мотора, у стабилизаторов и рулей, но все эти второстепенные волны сливаются по мере распространения, так что до земли доходят только два основных удара — от носа и от хвоста, что и придает ударной волне N-образную форму. Вот почему мы слышим звуковой хлопок как два быстро следующих друг за другом удара.

Рис. 29. Звуковой хлопок.

С увеличением высоты полета интенсивность хлопка на земле уменьшается. Следует также иметь в виду, что на высотах, где летают сверхзвуковые самолеты, воздух заметно разрежен и это уменьшает амплитуду волны. Заостренная, подобно игле, форма носа сверхзвуковых самолетов, помимо всего прочего, способствует уменьшению волны давления впереди самолета.