2. Поясніть природу аеродинамічних і механічні шумів. Обґрунтуйте вибір глушників та інших засобів зниження рівня шуму.

Сила сопротивления воздуха вычисляется по формуле:

Где — плотность воздуха, S — площадь поперечной проекции автомобиля, - коэффициент аэродинамического сопротивления. Из формулы видно, что сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости. На больших скоростях сила сопротивления воздуха превосходит другие силы сопротивления. Из формулы также видно, что уменьшить силу сопротивления можно путем уменьшения коэффициента Cx и уменьшения площади поперечной проекции. Наличие силы сопротивления воздуха объясняется тем, что при движении автомобиль сжимает воздух, находящийся перед ним, и там образуется область повышенного давления, и разрежает воздух позади себя, где образуется область пониженного давления.

Существует также сила поверхностного трения, возникающая из-за трения между неровностями поверхности автомобиля и воздухом.

Внутренние объемы автомобиля также оказывают влияние на коэффициент сопротивления, и, следовательно, на силу сопротивления воздуха.

Цель работы - ознакомиться с типами глушителей шума, принципами работы и методами оценки их эффективности.

Аэродинамический шум возникает при выпуске сжатых газов, пара или воздуха в атмосферу и является главной составляющей в шуме вентиляторов, воздуходувок, компрессоров, газовых турбин, ДВС. Одно из основных средств снижения аэродинамического шума - установка глушителей, выбор которых зависит от конкретных условий эксплуатации каждой установки, спектра ее шума и требуемой величины заглушения.

По принципу действия глушители принято разделять на диссипативные (абсорбционные) и реактивные. В диссипативных глушителях снижение шума достигается за счет потерь акустической энергии на трение в звукопоглощающих материалах (волокнистых или пористых поглотителях, сетках, перфорированных листах и т.п.), расположенных на пути распространения звука.

В реактивных глушителях снижение шума обеспечивается за счет отражения части звуковой энергии обратно к источнику. Звуковые волны, попадая в полость реактивного глушителя, возбуждают в нем собственные колебания, поэтому в одних частотных областях происходит ослабление звука, в других - усиление.

Наряду с этим применяются также и комбинированные глушители, содержащие в себе как реактивные так и диссипативные элементы. Строго говоря любой глушитель является комбинированным, так как диссипативные элементы глушителей частично отражают волны, а в реактивных энергия колебаний после переотражений переходит в тепловую.

При конструировании глушителей желательно достичь трех основных целей:

- высокой степени заглушения (акустической эффективности) DL(дБ) в широком диапазоне частот;- малых потерь давления (гидросопротивления) DР(Па) при прохождении газов по аэродинамическому тракту, снабженному глушителем;- конструктивной и, следовательно, технологической простоты.

На практике обычно выполняется следующее правило конструирования глушителей - "из трех основных целей можно достичь только двух".

Конструктивно простой глушитель с высокой акустической эффективностью обычно обладает большим гидросопротивлением. Глушитель должен оказывать минимальное сопротивление постоянной и максимальное переменным составляющим пульсирующего газового потока.

Диссипативные глушители эффективно работают в широком диапазоне частот, когда коэффициент звукопоглощения применяемого материала близок к единице (a=О,8-1,О). Их целесообразно использовать для снижения шума характеризуемого непрерывным (сплошным) спектром или дискретным спектром с большим числом гармонических составляющих. При этом в каналах с большой скоростью потока, высокой температурой или агрессивной средой применение таких глушителей предъявляет особые требования к содержащимся в них звукопоглощающим материалам.

К наиболее распространеным диссипативным глушителям относится облицованный звукопоглощающим материалом аэродинамический тракт, так назы­ваемый трубчатый глушитель (рис. 1а). Волокнистый или пористый звукопоглощающий материал заполняет полость между наружной оболочкой глушителя и внутренним перфорированным каналом . Коэффициент перфорации, определяемый как отношение общей площади отверствий к площади боковой поверхности перфорированного канала, при этом должен быть больше О,2 для того, чтобы звуковые волны, распространяющиеся по тракту, беспрепятственно проникали в полость со звукопоглощающим материалом и гасились в нем.

Цель работы - ознакомиться с типами глушителей шума, принципами работы и методами оценки их эффективности.

ОБЩАЯ ЧАСТЬ

Аэродинамический шум возникает при выпуске сжатых газов, пара или воздуха в атмосферу и является главной составляющей в шуме вентиляторов, воздуходувок, компрессоров, газовых турбин, ДВС. Одно из основных средств снижения аэродинамического шума - установка глушителей, выбор которых зависит от конкретных условий эксплуатации каждой установки, спектра ее шума и требуемой величины заглушения.

По принципу действия глушители принято разделять на диссипативные (абсорбционные) и реактивные. В диссипативных глушителях снижение шума достигается за счет потерь акустической энергии на трение в звукопоглощающих материалах (волокнистых или пористых поглотителях, сетках, перфорированных листах и т.п.), расположенных на пути распространения звука.

В реактивных глушителях снижение шума обеспечивается за счет отражения части звуковой энергии обратно к источнику. Звуковые волны, попадая в полость реактивного глушителя, возбуждают в нем собственные колебания, поэтому в одних частотных областях происходит ослабление звука, в других - усиление.

Наряду с этим применяются также и комбинированные глушители, содержащие в себе как реактивные так и диссипативные элементы. Строго говоря любой глушитель является комбинированным, так как диссипативные элементы глушителей частично отражают волны, а в реактивных энергия колебаний после переотражений переходит в тепловую.

При конструировании глушителей желательно достичь трех основных целей:

- высокой степени заглушения (акустической эффективности) DL(дБ) в широком диапазоне частот;

- малых потерь давления (гидросопротивления) DР(Па) при прохождении газов по аэродинамическому тракту, снабженному глушителем;

- конструктивной и, следовательно, технологической простоты.

На практике обычно выполняется следующее правило конструирования глушителей - "из трех основных целей можно достичь только двух".

Конструктивно простой глушитель с высокой акустической эффективностью обычно обладает большим гидросопротивлением. Глушитель должен оказывать минимальное сопротивление постоянной и максимальное переменным составляющим пульсирующего газового потока.

Диссипативные глушители эффективно работают в широком диапазоне частот, когда коэффициент звукопоглощения применяемого материала близок к единице (a=О,8-1,О). Их целесообразно использовать для снижения шума характеризуемого непрерывным (сплошным) спектром или дискретным спектром с большим числом гармонических составляющих. При этом в каналах с большой скоростью потока, высокой температурой или агрессивной средой применение таких глушителей предъявляет особые требования к содержащимся в них звукопоглощающим материалам.

К наиболее распространеным диссипативным глушителям относится облицованный звукопоглощающим материалом аэродинамический тракт, так назы­ваемый трубчатый глушитель (рис. 1а). Волокнистый или пористый звукопоглощающий материал заполняет полость между наружной оболочкой глушителя и внутренним перфорированным каналом . Коэффициент перфорации, определяемый как отношение общей площади отверствий к площади боковой поверхности перфорированного канала, при этом должен быть больше О,2 для того, чтобы звуковые волны, распространяющиеся по тракту, беспрепятственно проникали в полость со звукопоглощающим материалом и гасились в нем.

Чем толще слой звукопоглощающего материала h в диссипативном глушителе, тем эффективнее снижается шум на низких частотах. С увеличением длины глу­шителя l его эффективность повышается во всем рабочем диапазоне частот. В целом заглушение в трубчатом диссипативном глушителе приближенно можно оценить по формуле :

DL=-5,12l(P/S)1/2lg(1-a) дБ, (1)

где P – периметр сечения трубы; S – площадь поперечного сечения трубы; a - коэффициент поглощения звука облицовкой.

С целью увеличения заглушения используются пластинчатые глушители в которых аэродинамический тракт разделен продольным перегородками, облицованными звукопоглощающим материалом (рис. 1б). Заглушение в пластинчатом глушителе длиной l при условии, что расстояние между перегородками a много меньше их ширины, оценивается по следующей формуле

DL= 2,2a'l/a дБ, (2)

где a' – коэффициент, характеризующий поглощение звука перегородками.

Глушители реактивного типа, представляющие по сути акустические фильтры, характеризуются чередующимися полосами заглушения и пропускания звука, а поэтому применяются для снижения шума с резко выраженными дискретными составляющими спектра. Реактивные глушители подразделяются на камерные и резонансные.

Камерные глушители состоят из одной или нескольких камер, представляющих собой полости в виде расширения трубопровода по его сечению (рис. 2а). В камерном глушителе звуковые волны отражаются от противоположной стенки и, возвращаясь к началу в противофазе по отношению к прямой волне, уменьшают ее интенсивность.

Рис. 2. Реактивные глушители шума:а – камерный; б,в – резонансные; г - комбинированный

Величина заглушения в однокамерном глушителе определяется формулой

DL = 10lg[1+ [(m-1/m)sin(kl)/2]2] дБ, (3)

где m=Sк/S –отношение площади сечения камеры к площади входной трубы (степень расширения); l – длина расширительной камеры, м; k=2pf/c – волновое число; с - скорость звука в среде (при нормальных условиях в воздухе с =344 м/с ).

Из (3) следует, что максимальная величина заглушения имеет место когда kl=(2n+1)p/2, где n=1,2,3. Это соответствует частотам

fn= = (2n + 1) с/(4l). (4)

При этом формула (3) упрощается и при m>8 c погрешностью менее 0.1 дБ может быть представлена в виде

DLmax= 20lg[m/2] дБ. (5)

Эта формула может быть использована для ориентировочной оценки эффективности камерных глушителей шума в зависимости от степени расширения камеры.

Резонансные глушители бывают двух типов: резонаторы Гельмгольца и четвертьволновые резонаторы.

Резонатор Гельмгольца представляет собой полость объемом V, соединенную с трубопроводом отверстиями, называемыми горлом резонанатора (рис. 2б). Полость и отверствия в таком резонаторе образуют систему, обеспечивающую практически полное отражение звуковой энергии обратно к источнику на частотах, близких к его собственной (резонансной) частоте. Собственная частота резонатора Гельмгольца определяется формулой

fo=(c/2p)(nS/LV)1/2, (6)

где n – количество отверствий; S – площадь одного отверствия; L –эффективная длина горла резонатора, L=t+pd/4; t, d – соответственно глубина отверствий (толщина стенки трубопровода) и их диаметр.

В четвертьволновом резонаторе (рис. 2в) звуковая волна на резонансной частоте проходит путь до торца трубы и обратно, кратный половине длины волны, и затем встречается со вслед бегущей волной, будучи с ней в противофазе. Образуется узел стоячей волны, через который, как известно, энергия на данной частоте не распространяется, т.е. шум на данной частоте будет заглушен.

Зависимость акустической эффективности DL четвертьволнового резонатора от длины звуковой волны l, определяемой соотношеним l=c/f, представляет собой чередующиеся пики и провалы, характеризующие максимумы и минимумы заглушения звука. В соответствии с принципом работы этого резонатора максимумы заглушения имеют место, когда на длине резонатора lР укладывается нечетное количество четвертей длин волн l/4. Четное количество l/4 соответствует минимуму заглушения. Отсюда получаем следующее соотношение для частот гармонических составляющих звука fn, соответствующих его максимальному заглушению

fn= (2n + 1)с/l = (2n + 1) с/(4lР) (7)

где n = 1, 2, 3... - номер гармоники.

Из выражения (7) следует, что заглушению подвергаются только нечетные звуковые гармоники. Для создания более совершенной системы заглушения используют несколько четвертьволновых элементов различной длины или комбинацию камерного и четвертьволнового элементов (рис. 2г).

В данной работе исследуются масштабные модели глушителей шума. При этом принципы акустического моделирования основываются на сохранении:

1. геометрического подобия тех частей модели и натурального глушителя, в которых существует звуковое поле;

2. отношения геометрических размеров l к длине волны l в модели и натурального глушителя, т.е.

lм /lм = lн /lн. (8)

Если скорость звука в натуральном глушителе и модели одинаковы, то равенство (8) запишется в виде

lм fм = lн fн. (9)

Из последнего равенства следует, что соотношение частот в натуре и модели обратно пропорционально соотношению геометрических размеров.