Введение 4
1 Акустические волны в атмосфере. Общие сведения об акустических
волнах 6
1.1 Общие сведения об акустических волнах 6
1.2 Современный уровень разработки теории распространения
акустических волн в атмосфере 9
2 Проверка работоспособности модели распространения акустических
волн, генерируемых полетом самолетов со сверхзвуковой скорости на основе экспериментальных данных 13
2.1 Модель распространения акустических волн в атмосфере 13
2.1.1 Работоспособность модели для точечного источника 13
2.1.2 Модель распространения акустических волн в атмосфере для
цилиндрического источника 19
2.2 Экспериментальные записи акустических импульсов, генерированных
полетом самолета со сверхзвуковой скоростью, на земной поверхности 23
2.3 Проверка работоспособности модели распространения акустического импульса, генерированного полетом самолета со сверхзвуковой скоростью, на основе экспериментальных записей 27
2.3.1 Проверка модели нейтральной атмосферы на основе
экспериментальных данных для условий полета самолетов 27
2.3.2 Акустические импульсы, генерированные полетом самолета со
сверхзвуковой скоростью, на земной поверхности: модель и
эксперимент 37
3 Акустический импульс на границе перехода ударной волны в
акустическую 40
4 Определение эквивалентной энергии
Заключение 53
Список использованных источников 55
Приложение 58
Полет самолета со сверхзвуковой скоростью генерирует ударную волну, которая, распространяясь в пространстве, на некотором расстоянии от источника переходит в акустическую. При этом она воздействует на ионосферу и вызывает в ней возмущение электронной концентрации. Кроме этого развитие сверхзвуковой авиации выявило экологический аспект воздействия акустических волн на здоровье и комфортное проживание населения.
Прямые измерения акустических волн вблизи полета сверхзвукового самолета затруднены. Поэтому задача получения информации о начальных импульсах остается нерешенной. Единственная возможность решить данную проблему — использовать адекватную эксперименту модель распространения для решения обратной задачи: рассчитать акустический импульс вблизи самолета на основе наземных измерений.
Также достаточно важной задачей является изучение влияния геофизических условий на распространение акустических волн, возникающих при полете сверхзвуковых самолетов, а также определение широтной изменчивости амплитуды и длительности акустических импульсов.
Авторами работ [Drobzheva Ya.V., Krasnov V.M., 2003] была разработана модель, позволяющая описать эволюцию акустического импульса произвольной формы при его распространении в реальной неоднородной атмосфере, с учетом поглощения, нелинейных эффектов и геометрического расширения волнового фронта. На ее основе была создана модель распространения акустических волн, генерированных цилиндрическим источником, движущимся в атмосфере со сверхзвуковой скоростью (полетом ракетоносителя) [Drobzheva Ya., Krasnov V.M., Sokolova O.I., 2003], а также полетом самолета со сверхзвуковой скоростью.
Целью работы является изучение характеристик акустического поля на земной поверхности при полете самолетов со сверхзвуковой скоростью на основе адекватной эксперименту модели.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— сформировать базу экспериментальных записей акустических (инфразвуковых) импульсов, возникающих при полете самолета со сверхзвуковой скоростью;
— рассчитать высотные профили температуры, давления плотности и скорости звука с использованием модели нейтральной атмосферы NRLMSIS-00;
— на основе экспериментальных записей инфразвука, зарегистрированных на земной поверхности, проверить имеющуюся модель;
— определить эквивалентную энергию взрыва при полете самолета со сверхзвуковой скоростью;
— определить параметры начального акустического импульса - импульса на границе перехода ударной волны в акустическую, генерируемого полетом самолета со сверхзвуковой скоростью;
— исследовать параметры акустических импульсов на земной поверхности в зависимости от широты.
В ходе выполнения работы поставленная цель - изучение характеристик акустического поля на земной поверхности при полете самолетов со сверхзвуковой скоростью на основе адекватной эксперименту модели - была достигнута. При этом были выполнены следующие задачи:
1. Была сформирована база экспериментальных записей акустических импульсов, возникающих при полете самолета со сверхзвуковой скоростью;
2. Были рассчитаны рассчитать высотные профили температуры, давления плотности и скорости звука с использованием модели нейтральной атмосферы NRLMSIS-00, а также было проведено сравнение экспериментальных и модельных данных;
3. На основе экспериментальных записей акустических импульсов на земной
поверхности, генерированного полетом самолетов F-4 и F-18 со
сверхзвуковой скоростью, показано что модель генерации и распространения акустических импульсов от сверхзвукового полета
самолетов адекватна эксперименту. Также импульсы достаточно хорошо согласуются по форме. Для самолетов F-4 и высот полета 4 и 5 км и F-18 - для 9 км относительная ошибка модельных расчетов по амплитуде и длительности не превышает 12%. Для остальных полетов ошибка по амплитуде была от 18 до 32%, а по - длительности не превышала 5%.
4. 3. Впервые определены начальные параметры и формы акустических импульсов на границе перехода ударной волны в акустическую для сверхзвуковых самолетов F-4 и F-18, при этом данные результаты следует считать достоверными, так как они получены на основе расчетов по модели адекватной эксперименту. Данный результат является теоретически значимым.
5. Определена эквивалентная энергия взрыва полета самолетов со
сверхзвуковой скоростью данных типов: с увеличением высоты
эквивалентная энергия уменьшается. При этом значение энергии для самолета типа F-18 меньше, чем для F-4. Знание эквивалентной энергии для самолетов данных типов, позволит рассчитать акустическое поле на Земле для различных высот полета, при различных погодных условиях, для различных геофизических параметров и траекторий полета самолетов. При этом следует учесть, что получить характеристик акустических полей для различных условий и больших территорий с помощью эксперимента (измерений) чрезвычайно сложно, так как проведение подобных экспериментов является сложным и дорогостоящим делом.
6. Были рассчитаны параметры акустических импульсов в зависимости от широты для полета самолета F-4 на высоте 4389 м. Показано, что при увеличении широты длительность импульса увеличивается, а амплитуда, практически не меняется.
