Применение метода собственного ортогонального разложения для анализа звукового поля аэроакустических источников

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Предложено использовать метод собственного ортогонального разложения в частотной области (SPOD) для идентификации мультипольной структуры аэроакустических источников по измерениям в дальнем звуковом поле. Метод протестирован на примерах с модельными точечными мультиполями, а также проверен в эксперименте применительно к анализу шума обтекания цилиндра и шума турбулентной струи.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. П. Бычков

ФАУ ЦАГИ

Email: georgefalt@rambler.ru
Россия, Москва

Г. А. Фараносов

ФАУ ЦАГИ

Автор, ответственный за переписку.
Email: georgefalt@rambler.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Curle N. The Influence of Solid Boundaries on Aerodynamic Sound // Proc. Roy. Soc. (London) Ser. A. 1955. V. 231. № 1187. P. 505–514.
  2. Kopiev V.F., Zaitsev M. Yu., Chernyshev S.A., Ostrikov N.N. Vortex ring input in subsonic jet noise // Int. J. Aeroacoust. 2007. V. 6. N. 4. P. 375–405.
  3. Myнин А.Г., Кузнецов И.М., Леонтьев E.A. Аэродинамические источники шума. М.: Машиностроение, 1981. С. 248.
  4. Rienstra S.W., Hirschberg A. An Introduction to Acoustics // Eindhoven University of Technology, 2004.
  5. Демьянов М.А. Корреляционный метод идентификации акустических источников с помощью многомикрофонных измерений // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 6. С. 638–646.
  6. Kopiev V.F., Chernyshev, S.A. Vortex ring eigen-oscillations as a source of sound // J. Fluid Mech. 1997. V. 341. P. 19–57.
  7. Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф., Котова А.Н. Представление звукового поля турбулентного вихревого кольца суперпозицией квадруполей // Акуст. журн. 2001. Т. 47. № 6. С. 793–801.
  8. Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды. М.: Наука, 1981.
  9. Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф. Механизм генерации звука турбулентностью вблизи твердого тела // Изв. РАН МЖГ. 2008. № 1. С. 98–109.
  10. Баженова Л.А., Семенов А.Г. О влиянии числа Рейнольдса на интенсивность вихревого звука при обтекании цилиндрического профиля // Акуст. журн. 2013. Т. 59. № 5. С. 586–595.
  11. Kopiev V.F. Azimuthal decomposition of turbulent jet noise and its role for diagnostics of noise sources // VKI Lecture Series 2004–05. Advances in Aeroacoustics and Applications, 2004. P. 1–23.
  12. Бычков О.П., Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф., Фараносов Г.А., Чернышев С.А. О двух подходах к моделированию шума низкоскоростных дозвуковых струй // Докл. Росс. Акад. наук. Физика, Техн. Науки. 2022. Т. 506. № 1. С. 16–25.
  13. Копьев В.Ф., Зайцев М.Ю., Копьев В.А., Остриков Н.Н., Фараносов Г.А. Использование акустических характеристик коронного разряда для диагностики его свойств // Акуст. журн. 2016. Т. 62. № 4. С. 424–430.
  14. Sergeev S., Lissek H., Howling A., Furno I., Plyushchev G., Leyland P. Development of a plasma electroacoustic actuator for active noise control applications // J. Physics D: Applied Physics. 2020. V. 53. N. 49. P. 495202.
  15. Скучик Е. Основы акустики. Т. 2. М.: Мир, 1976. С. 544.
  16. Бобровницкий Ю.И. Физическая модель и характеристики ближнего поля мультиполя // Акуст. журн. 1998. Т. 44. № 1. C. 11–20.
  17. Остриков Н.Н. Излучение звука распределенными квадрупольными источниками вблизи твердых тел // Акуст. журн. 2012. Т. 58. № 4. C. 525–534.
  18. Faranosov G., Belyaev I., Kopiev V., Bychkov O. Azimuthal structure of low-frequency noise of installed jet // AIAA Journal. 2019. V.57. N. 5. P. 1885–1898.
  19. Бычков О.П., Фараносов Г.А. Исследование влияния угла установки крыла на характеристики рассеяния ближнего гидродинамического поля турбулентной струи // Докл. Росс. Акад. наук. Физика, Техн. науки. 2022. Т. 506. № 1. С. 57–67.
  20. Kopiev V., Chernyshev S. Correlation model of quadrupole noise sources in turbulent jet: effect of refraction // AIAA paper. 2015. 2015–3130.
  21. Goldstein M.E. The low frequency sound from multipole sources in axisymmetric shear flows, with applications to jet noise // J. Fluid Mech. 1975. V. 70. No 3. P. 595–604.
  22. Kopiev V.F., Zaitsev M. Yu., Chernyshev S.A., Kotova A.N. The role of large-scale vortex in a turbulent jet noise // AIAA paper. 1999. 99–1839.
  23. Mani R. The influence of jet flow on jet noise. Part 1. The noise of unheated jets // J. Fluid Mech. 1976. V. 73. No 4. P. 753–778.
  24. Kopiev V., Chernyshev S.A., Faranosov G. On defining the jet noise source quadrupole structure on the basis of multi-array acoustic data and correlation theory // AIAA paper. 2016. 2016–2806.
  25. Cavalieri A.V., Jordan P., Colonius T., Gervais Y. Axisymmetric superdirectivity in subsonic jets // J. Fluid Mech. 2012. V. 704. P. 388–420.
  26. Suzuki T. Identification of multipole noise sources in low Mach number jets near the peak frequency // J. Acoust. Soc. Am.. 2006. V. 119. No 6. P. 3649–3659.
  27. Копьев В.Ф., Фараносов Г.А. Обобщение метода азимутальной декомпозиции звукового поля компактного источника на случай измерений вблизи жесткой поверхности // Акуст. журн. 2015. Т. 61. № 1. С. 65–75.
  28. Faranosov G., Belyaev I., Kopiev V., Zaytsev M., Aleksentsev A., Bersenev Y., Chursin V., Viskova T. Adaptation of the azimuthal decomposition technique to jet noise measurements in full-scale tests // AIAA Journal. 2017. V. 55. No 2. P. 572–584.
  29. Armstrong R.R., Michalke A., Fuchs H.V. Coherent structures in jet turbulence and noise // AIAA Journal. 1977. V. 15. No 7. P. 1011–1017.
  30. Juve D., Sunyach M., Comte-Bellot G. Filtered azimuthal correlations in the acoustic far field of a subsonic jet // AIAA Journal. 1979. V. 17. No 1. P. 112–114.
  31. Jordan P., Fitzpatrick J., Valiere J.-Ch. Measurement of an aeroacoustic dipole using a linear microphone array // J. Acoust. Soc. Am. 2002. V. 111. № 3. P. 1267–1273.
  32. Liu Y., Quayle A., Dowling A., Sijtsma P. Beamforming correction for dipole measurement using two-dimensional microphone arrays // J. Acoust. Soc. Am. 2008. V. 124. No 1. P. 182–191.
  33. Бычков О.П., Демьянов М.А., Фараносов Г.А. Локализация дипольных источников шума плоскими микрофонными решетками // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 5. С. 675–687.
  34. Taira K., Brunton S.L., Dawson S., Rowley C.W., Colonius T., McKeon B.J., Schmidt O.T., Gordeyev S., Theofilis V., Ukeiley L.S. Modal Analysis of Fluid Flows: An Overview // AIAA Journal. 2017. V. 55. No 12. P. 4013–4041.
  35. Towne A., Schmidt O.T., Colonius T. Spectral proper orthogonal decomposition and its relationship to dynamic mode decomposition and resolvent analysis // J. Fluid Mechanics. 2018. V. 847. P. 821–867.
  36. Lumley J.L. The Structure of Inhomogeneous Turbulent Flows // Atmospheric Turbulence and Radio Propagation, edited by Yaglom A.M., and Tatarski V.I., Nauka, Moscow, 1967, pp. 166–178.
  37. Pearson K. On lines and planes of closest fit to systems of points in space // The London, Edinburgh, and Dublin philosophical magazine and journal of science. 1901. V. 2. No 11. P. 559–572.
  38. Nekkanti A., Schmidt O.T. Modal analysis of acoustic directivity in turbulent jets // AIAA Journal. 2021. V. 59. No 1. P. 228–239.
  39. Fiore M., Parisot-Dupuis H., Etchebarne B., Gojon R. Spectral proper orthogonal decomposition of coupled hydrodynamic and acoustic fields: Application to impinging jet configurations // Computers & Fluids. 2022. V. 241. P. 105484.
  40. Абрамовиц М., Стиган И. Справочник по специальным функциям. М.: Наука, 1979.
  41. Welch P. The use of fast Fourier transform for the estimation of power spectra: A method based on time averaging over short, modified periodograms // IEEE Trans. Audio and Electroacoustics. 1967. V. 15. N. 2. P. 70–73.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Модельные источники из некоррелированных диполей (l =1) или квадруполей (l =2).

Скачать (98KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Направленности излучения исходных дипольных источников (линии) и SPOD-мод (маркеры): 1 – осесимметричный диполь (n = 0); 2 – поперечный диполь (n = 1); 3 – суммарный шум. ○ – SPOD-мода j = 1; ◊ – SPOD-мода j = 2; □ – суммарная интенсивность SPOD-мод. (а) – = 2, = 1, N = 10; (б) – = 1, = 2, N = 10; (в) – = 1, = 1, N = 10; (г) – = 1, = 1, N = 20.

Скачать (262KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Направленности излучения исходных квадрупольных источников (линии) и SPOD-мод (маркеры) для (а) – N = 10 и (б) – N = 30; 1 – осесимметричный квадруполь (n = 0); 2 – квадруполь (n = 1); 3 – квадруполь (n = 2); 4 – суммарный шум. ○ – SPOD-мода j = 1; ◊ – SPOD-мода j = 2; Δ – SPOD-мода j = 3; □ – суммарная интенсивность SPOD-мод.

Скачать (178KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Схема эксперимента. Стрелками показаны ориентации дипольных моментов шума обтекания цилиндра: диполя подъемной силы (L) и диполя силы сопротивления (D).

Скачать (74KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Измеренные спектры шума: (а) – θ=30; (б) – θ=90; (в) – θ=150. 1 – цилиндр в струе; 2 – струя без цилиндра.

Скачать (124KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Спектры собственных чисел SPOD-разложения звукового поля при наличии цилиндра в струе.

Скачать (102KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Направленности излучения в полосах частот для цилиндра в струе: (а) – St = 0.017; (б) – 0.08; (в) – 0.14; (г) – 0.2. Сплошная линия – измерения; ○ – SPOD-мода j = 1; ◊ – SPOD-мода j = 2; □ – суммарная интенсивность SPOD-мод.

Скачать (235KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Спектральные плотности интенсивности излучения отдельных SPOD-мод (1-9), вычисленные по формуле (20), и спектральные плотности излучения поперечного (10) и продольного (11) диполей, определенные с помощью метода азимутальной декомпозиции [33] (данные приведены к расстоянию 1 м от источника).

Скачать (121KB)
Метаданные
10. Рис. 9. (а) – Cпектры собственных чисел SPOD-разложения звукового поля свободной струи; (б) – направленности излучения доминирующих SPOD-мод для Stj = 0.1; обозначения кривых как на рис. 3.

Скачать (143KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024