توضیحات

پروژه پیش بینی تراز فشار صوت نویز ناشی از پره ایرفویل ناکا 0012 با کمک روش رگرسیون خطی و مقایسه با روش های دیگر در نرم افزار پایتون(Jupyter Notebook)

ایرفویل:

ایرفویل نام شکل منحصربه فردی است که مقطع بال هواپیما یا برخی از تیغه های صنعتی مثل توربین ها و پروانه ها دارند. جسمی که این شکل را داشته باشد با حرکت در سیالی مانند هوا یا آب (بر پایه اصل برنولی) نیروی بالا برندگی یا برآ (lift) ایجاد می کند. عامل اصلی پرواز هواپیما یا حرکت توربین بادی و آبی همین شکل ماهی واره مقطع تیغه آن است که با حرکت در هوا و ایجاد نیروی برای که بیشتر از نیروی مخالف (در جهت مخالف نیروی وزن) است باعث حرکت ایرفویل می شود. قسمت جلویی ایرفویل پیشانی یا لبه حمله(leading edge) نامیده می شود و اولین محل تماس با هوا هست و از نظر طراحی ظرافت و حساسیت بالایی دارد. قسمت انتهایی، دم ایرفویل یا لبه فرار(trailing edge) نامیده می شود و مانند یک لبه ی تیز است و در انتهای این محل هوای قسمت بالایی و قسمت پایینی به یکدیگر می رسند. روی آن سطح روئین یا انحنای رویی نامیده می شود و زیر آن سطح زیرین یا انحنای زیرین نامیده می شود.

شکل اجزای ایرفویل.

سطح کلی ایرفویل به دو بخش کلی تقسیم می شود. سطحی که در قسمت پایین بین لبه حمله و لبه فرار، قرارگرفته را سطح پایینی ایرفویل می نامند و سطح بالایی ایرفویل، قسمت بالایی بین لبه حمله و لبه فرار درنظرگرفته می شود. زمانی که ایرفویل زاویه حمله مثبت دارد، فشار در سطح پایین ایرفویل زیاد است و این قسمت، سطح فشار نامیده می شود. در این شرایط، فشار در سطح بالا، مقدار کمی دارد و این قسمت، سطح مکش نامیده می شود. درواقع نیروی لیفت با برآ، نیرویی است که جهت آن از سمت فشار به سمت مکش ایرفویل در نظر گرفته می شود. نیروهایی که در جهت بازداشتن اجسام از حرکت در درون سیالات کار می کنند، پسا گفته می شود. زمانی که جسمی درون سیال حرکت می کند برهم کنشی بین جسم و سیال رخ میدهد. تنش برشی به علت اثرات گرانروی و تنش های عمودی به علت فشار بر جسم وارد می شوند عامل نیروی پسا هستند.

آلودگی صوتی هواپیما:

بر اساس گزارشات موسسه ملی مطالعات نویز بوسیله گریم وود و همکاران و موسسه تجهیزات هوانوردی بریتانیا، بیش از ۷۰۰۰۰۰ نفر از مردم اطراف فرودگاه هیثرو و بیش از ۱ میلیون نفر از مردم بریتانیا در معرض آلودگی صوتی ناشی از هواپیما هستند. بعلاوه، الودگی صوتی ناشی از هواپیما فقط بر مردم روی زمین تاثیر نمی گذارد بلکه بر روی خدمه ها و مسافرانی که در هواپیما هستند نیز تاثیرگذار است. بطور مثال آلودگی صوتی ناشی از هواپیمای A321 درون آن حدودا ۷۸ دسی بل می باشد در حالیکه تراز آلودگی صوتی جهت حفظ سلامتی انسان ۴۰ دسی بل می باشد. در نتیجه، سطح تراز صوتی پایین تر جهت حفظ سلامت افراد بسیار مهم می باشد. آلودگی صوتی حاصل از پرواز هواپیماها از جمله مهم ترین منابع ایجاد الودگی صوتی از طرف سازمان بهداشت جهانی معرفی شده است. این آلودگی صوتی از نگرانی های اکثر جوامع و صنایع است و از طرفی ایرودینامیک جریان به طور خاص تر، به دلیل ارتباط آنها با سطح آسایش محیطی که مردم در آن کار یا زندگی می کنند، مورد توجه می باشد. ایرواکوستیک نه تنها به دلیل مقررات دولت ها در انتشار سروصدا، بلکه به دلیل افزایش تقاضای مردم از استاندارهای زندگی مورد توجه قرار گرفته است. در عین حال محصولاتی با عملکرد ایرواکوستیکی بالا، مشتریان زیادی را جذب خواهد کرد که این خود به سود اقتصاد جهانی است. همچنین کاهش صوت ناشی از جریان اغلب با کاهش هزینه انرژی همراه است و باعث دوام ساختارها و بهبود کیفیت محصولات می شود.

آیروآکوستیک(Aeroacoustics):

آیروآکوستیک رشته ای علمی میان مکانیک سیالات و آکوستیک است. این شاخه علمی، تولید و انتشار صوت به وسیله نیروهای آئرودینامیکی یا حرکت جریان های اغتشاشی را در بردارد. در ابتدا تحقیقات آزمایشگاهی برای بدست آوردن برخی روابط تجربی برای تخمین تولید و انتشار امواج در اجسام متحرک مانند ملخ ها، تیغه ها، پره ها و ایرفویل توربین ها می شد. به هر حال، به علت افزایش قدرت کاربرد کامپیوترهای شبیه سازی های عددی میدان های آکوستیکی ایجادشده توسط جریان سیال که محاسبات آیروآکوستیک نامیده می شود، امکانپذیر شده است. در حال حاضر تنها یک روش منحصر به فرد برای فرایند حل مسائل آکوستیکی وجود ندارد. استراتژی های مختلف و مدل های محاسباتی گوناگون، هریک با مزیتها و معایب خاص خود توسعه یافته اند. برای جریان های پیچیده و ناهمگن، محتمل ترین و معمول ترین تکنیکهای عددی بر دیدگاه هیبریده منطبق است. در این گونه دیدگاه ها، فرایند تولید صوت و انتشار صوت به صورت جدای از هم در نظر گرفته میشود. آئرودینامیک غیرخطی نزدیک میدان در جایی که اختلالات آئرودینامیکی باعث ایجاد صوت می شود با آکوستیک خطی در میدان دوردست یا منبع خود نویزی منطبق می شود و میزان قدرت سروصدا منتشر می شوند. تعریفهای بسیاری از کسانی که به نحوی با موضوعات عددی در ارتباط بوده اند در مورد محاسبات آیروآکوستیک وجود دارد؛ اما آن چیزی که در ارتباط با محاسبات آیروآکوستیک مطرح می شود استفاده از همه تکنیک ها و روشهای حل عددی برای پدیده های آکوستیکی است. متخصصان تجربی به خوبی از روش های عددی برای پردازش داده ها و ارزیابی آنها استفاده می کنند. در هر حال مطالعات تجربی دارای اهمیت ذاتی هست و کارشناسان تلاش های بسیاری برای یافتن مدل های مناسب عددی انجام می دهند. روش های محاسبات آیروآکوستیک به دو بخش مستقیم و روش های ترکیبی تقسیم شده اند. در روش های مستقیم تولید منابع صوتی و همچنین انتشار امواج صوتی ناشی از آن در یک میدان محاسباتی یکسان انجام می گیرد. در حالی که در روش های ترکیبی از تکنیک های حل میدان های نزدیک دیواره یا همان روشهای حل عددی استفاده می شود. علمی که به بررسی آلودگی صوتی در هواپیماها، توربین باد، اتومبیل ها و … می پردازد آکوستیک نام دارد. آکوستیک یکی از شاخه های علم فیزیک است که به مطالعه امواج مکانیکی در جامدات، مایعات و گازها می پردازد و شامل موضوعاتی از جمله نوسان ها ، صدا ، فراصوت و فروصوت می شود. همچنین آکوستیک را می توان علم تولید، انتقال و تاثیر صدا تعریف کرد. آکوستیک به شاخه های بسیاری از جمله هیدروآکوستیک (اکوستیک زیر آب)، ویبروآکوستیک، آکوستیک در معماری و … تقسیم می شود. یکی از مهمترین شاخه های اکوستیک آیروآکوستیک نام دارد. آیروآکوستیک شاخه ای از علم آکوستیک است که به بررسی نحوه تولید و انتشار نویز می پردازد. نویز می تواند از طریق حرکت سیال مغشوش یا از برخورد نیروهای آیرودینامیکی با سطوح، به وجود آید. جهت بررسی و پیش بینی نویز، جیمز لایتهیل “تشابه آیروآکوستیک” را که یک تعریف کلی از میدان آکوستیک در جریان میباشد را ارائه کرد. این تشابه یکی از بنیادی ترین مسئله برای آیروآکوستیک مدرن شد. تشابه های آکوستیکی دیگری بعد از لایتهیل بوسیله کرل، پاول و فاکس ویلیامزهاوکینگز نیز ارائه شد. درحقیقت، نویز اغلب به عنوان صدای ناخواسته و آزاردهنده مانند صداهای بلند موتور جت و … شناخته می شود. فیزیک نویز همانند فیزیک صوت در محیط هایی همچون محیط سیال(گاز، پلاسما یا مایع) می باشد. منبع تولید صوت باعث ایجاد ارتعاشاتی می شود که به صورت طولی در محیط اطراف به صورت امواج صوتی پخش می شود. بلندی صوت، معمولا به قدرت فیزیکی صوت و اینکه یک عاملی است برای اندازه گیری حس شنوایی اشاره دارد. قدرت فیزیکی صوت اغلب توسط سطح یا تراز فشار صوت اندازه گیری می شود که باتوجه به مقدار مرجع، یک اندازه گیری لگاریتمی از فشار صوت می باشد که با SPL نشان داده می شود و واحد آن دسی بل می باشد. تراز فشار صوت به صورت زیر تعریف می شود:

SPL=20log₁₀(P/P₀)

که P فشار صوت محلی و P₀ فشار صوت مرجع می باشد. در هوا، P₀=20μPa، که آستانه شنوایی انسان است.

نوع دیگری از نویز وجود دارد که به آن نویز باند پهن گفته می شود که در آن نویز طیف پیوسته دارد و انرژی صوت در محدوده وسیعی از فرکانس شنیداری توزیع می شود. شبیه سازی این نویز بصورتی است که کل دومین محاسباتی تبدیل به میکروفن می شود تا طیف صوت ناشی از آن را اندازه گیری کند. نویز ناشی از کانال های تهویه و موتورهای جت نمونه ای از نویز باند پهن می باشند. به طور کلی، هدف اصلی مطالعه آیروآکوستیک درک مکانیزم تولید نویز، شناسایی محل منابع اصلی نویز، محاسبه دقیق نوسانات و جهت انتشار فشار آکوستیکی می باشد.

منابع تولید نویز در هواپیما:

برای مقابله با چالش کاهش نویز، موضوع شناسایی منابع نویز موجود در هواپیماها بسیار اهمیت دارد. یکی از مهمترین منابع تولید صوت در پرواز هواپیماها سیستم نیرو محرکه که به شکل موتور جت موتور پروانه یا توربو فن است می باشد. در گذشته، توربوفن هایی توسط دوبزینسکی ارائه شد که منجر به کاهش قابل توجهی در میزان نویز شده اند. با اینحال، این توسعه در حال حاضر به دلیل مشکلات ساختاری در معرض محدودیت هایی قرار گرفته است. دومین منبع تولید نویز، نویز بدنه هواپیما نام دارد. به استثنای نویز حاصل از دنده فرود، اجزای دیگری مانند لبه فرار، فلپ ها و اسپویلرها مکانیزم های دیگری از تولید نویز آیروآکوستیکی می باشند.

شکل منابع تولید نویز در هواپیما.

به طورکلی منابع تولید نویز بدنه هواپیما به دسته های زیر تقسیم می شود:

– جریان مغشوش گذرنده از فاصله بین بال و بالک

-جریان گذرنده از ایرفویل با لبه فرار بالک

-جریان گذرنده از ایرفویل با لبه حمله اسلت

-جریان گذرنده از دنده فرود.

نویز ناشی از خود ایرفویل:

حتی در شرایط جریان ورودی کاملاً پایدار و عاری از اغتشاشات یک ایرفویل به دلیل وجود ناپایداری ها در لایه مرزی خود که به علت تداخل ادی های داخل لایه مرزی با سطح آن رخ می دهد از خود نویز منتشر می کند.

شرح پروژه:

یکی از نویزهای مهم تولید شده در هواپیما، نویز ایجادشده ناشی از خود ایرفویل می باشد که به دلیل برهمکنش میان پره ایرفویل و توربولانس و اغتشاش ایجادشده در لایه مرزی و ناحیه نزدیک دنباله ایرفویل بوجود می آید. مجموعه داده مورد استفاده در این پروژه دیتاست ناسا می باشد. این مجموعه داده شامل داده های ایرفویل های ناکا 0012 در سرعت های مختلف تونل باد و زوایای حمله مختلف می باشد.مجموعه داده شامل 6 خصیصه (attribute) و 1503 نمونه می باشد. پنج خصیصه اول بیانگر ویژگی های فیزیکی موج صوت می باشند و خصیصه آخر (تراز فشار صوت) برای پیش بینی می باشد. در این پروژه پیش بینی تراز فشار صوت نویز ناشی از پره ایرفویل ناکا 0012 با کمک روش رگرسیون خطی و مقایسه با روش های دیگر در نرم افزار پایتون(Jupyter Notebook) انجام شده است.

خصیصه های مجموعه داده عبارتند از:

1-بسامد(هرتز)

2-زاویه حمله

3-طول وتر(متر)

4-سرعت جریان آزاد(متربرثانیه)

5-ضخامت جابجایی سمت مکش ایرفویل

6-تراز فشار صوت(دسی بل).

هدف:

پیش بینی تراز فشار صوت(دسی بل) می باشد.

نمونه نتایج: