2. Аэродинамический шум и борьба с ним

Любые переменные процессы в газе или жидкости сопровождаются возникновением упругих колебаний, т. е. шума.

Рассмотрим основные источники аэродинамических шумов.

1. Колебания при периодическом выпускании газового потока в атмосферу (сирена, ДВС, компрессор и т. д.). Такой шум называется сиренным, или объемным, он имеет монопольный характер. Звуковая мощность пропорциональна четвертой степени от частоты оборотов и квадрату геометрического размера излучаемой зоны.

2. Вихри, образовавшиеся возле твердых границ потока. При этом возникает шум при срывании вихрей, сопровождающих обтекание тел, и шум пограничного шара, источником которого является турбулентность потока возле поверхности обтекаемого тела или стенок канала. Причина вихревого шума – образование переменных сил, действующих на среду, или давлений возле твердых границ.

3. Отрыв течения и образование замкнутых или разомкнутых вихревых зон, пульсации между которыми приводят к появлению пульсаций давления и генерации широкополосного шума. Этот шум имеет силовой характер (дипольный) и соответствует зависимостям, характерным для вихревого шума.

4. Неоднородности потока или взаимодействия,возникающие при обтекании оборотного рабочего колеса и других подобных машин неоднородным потоком (периодические изменения давления на лопастях машин). Кроме того, причиной шума могут быть также пульсации давления на недвижимых препятствиях (выступы корпуса), расположенных вблизи оборотного рабочего колеса и выталкивания среды лопастями (шум вращения). Этот шум имеет дипольный характер.

5. Турбулентности, образовавшиеся далеко от твердых границ при перемешивании потоков, движущихся с разными скоростями (шум свободной струи). Такой источник является основным в образовании шума выброса сжатого воздуха и реактивных двигателей. Этот шум возникает вследствие переменных касательных напряжений и имеет квадрупольный характер.

6. Скачки сгущений в потоке, движущегося со сверхзвуковой скоростью, в процессе образования ударных волн, взаимодействующих с окружающей атмосферой или твердыми стенками.

7. Взаимодействие неустойчивого течения и неподвижного резонатора или механической колебательной системы. Этот шум имеет дискретный частотный спектр.

8. Горение в ограниченных объемах.[2]

Аэродинамические процессы играют большую роль в современной технике. Как правило, всякое течение газа или жидкости сопровождается шумом, поэтому с повышенным аэродинамическим шумом приходится встречаться часто. Эти шумы являются главной составляющей шума вентиляторов, воздуходувок, компрессоров, газовых турбин, выпусков пара и воздуха в атмосферу, двигателей внутреннего сгорания и т. п.

Ко всем источникам аэродинамического шума относятся: вихревые процессы в потоке рабочей среды; колебания среды, вызываемые вращением лопастных колес; пульсация давления рабочей среды; колебания среды, вызываемые неоднородностью потока, поступающего на лопатки колес.

При движении тела в воздушной или газовой среде, при обдувании тела потоком среды вблизи поверхности тела периодически образуются вихри (рис. 2.1,а). Возникающие при срыве вихрей сжатия и разрежения среды распространяются в виде звуковой волны. Такой звук называется вихревым. Частота вихревого звука ( Гц ) выражается формулой

112Equation Section (Next)12212\* MERGEFORMAT (.)

где Sh – число Струхаля, определяемое опытным путем; v – скорость потока, м/с; D – проекция ширины лобовой поверхности тела на плоскость, перпендикулярную v; для шара и цилиндра величиной D являются их диаметры.

Рис. 2.1. Образование аэродинамического шума:

а – вихревой; б - шум от неоднородности потока; в – шум струи; 1 – препятствие; 2 – поле скоростей в абсолютном движении; 3 – то же, в относительном движении; 4 – лопатка колеса; 5 – направление вращения.

Вихревой шум при обтекании тел сложной формы имеет сплошной спектр. Звуковая мощность вихревого шума ( Вт )

13213\* MERGEFORMAT (.)

где k – коэффициент, зависящий от формы тела и режима течения; С_х - коэффициент лобового сопротивления.

Из формулы (2.2) видно, что для уменьшения вихревого шума необходимо прежде всего уменьшить скорости обтекания и улучшить аэродинамику тел.

Для машин с вращающимися рабочими колесами (вентиляторов, турбин и т. д.) имеет место шум от неоднородного потока. Неоднородность потока на входе в колесо или на его выходе, возникающая из-за плохо обтекаемых деталей, конструкции или направляющего аппарата, приводит к нестационарному обтеканию лопаток колеса и неподвижных элементов, расположенных у колеса и, как следствие этого, к шуму от неоднородности потока (шуму от препятствий в потоке, лопаточному, сиренному шуму).

Шумообразование от неоднородности потока, так же как и вихревой шум, вызывается пульсациями давления на препятствиях и лопатках (рис. 2.1, б).

В относительном движении скорость на входе в колесо равна геометрической сумме скорости в абсолютном движении и окружной скорости. При попадании лопатки в аэродинамическую тень от препятствия (впадина на профиле абсолютных скоростей) относительная скорость изменяется по величине и направлению, что способствует изменению угла атаки, а следовательно, и вектора силы, действующей на лопатку, что вызывает появление звукового импульса.

Звуковую мощность шума от неоднородности потока также определяют выражением (2.2), поскольку природа обоих шумов одинакова. Шум от неоднородности потока носит дискретный характер, причем в спектре обычно имеется несколько составляющих (гармоник)

14214\* MERGEFORMAT (.)

где m – номер составляющей (m=1, 2, 3,…); n – частота вращения, об/мин; z – число лопаток колеса.

Борьбу с шумом от неоднородности потока ведут по пути улучшения аэродинамических характеристик машин. В спектрах шума турбомашин, например вентиляторов, можно различать несколько областей (рис. 2.2, а):

1) область частот механического шума (I), кратных n=60 об/с;

2) область шума от неоднородности потока (II с f₁, f₂ и т. д.);

3) область вихревого шума (III).

Уровень звуковой мощности шума вентилятора, определяемый по СНиП II-12-77, зависит от полного давления Н (кгс/м²) И производительности вентилятора Q (м³/ч), а также от критерия шумности Ĺ, характеризующего шумность выбранного типа вентиляторов (дБ):

15215\* MERGEFORMAT (.)

Рис. 2.2. Спектры шума источников аэродинамического происхождения:

а – вентилятора; б – мотоциклетного двигателя; в – ГТУ; 1, 2 – шум выпуска; 3 – шум от корпуса; 4 – шум при прокручивании вала двигателя.

Интенсивными аэродинамическими шумами характеризуются компрессоры, воздуходувки, пневматические двигатели и другие подобные машины.

Источниками шума компрессорных установок являются выходящие в атмосферу всасывающие и выхлопные (для сброса воздуха) воздуховоды, корпуса компрессоров, стенки воздуховодов, проложенных по помещениям. В зависимости от конструкции компрессора спектр его шума имеет различный характер. Так, шум поршневых компрессоров носит низкочастотный характер, обусловленный числом сжатия в секунду. Шум турбокомпрессоров, наоборот, высокочастотен, что связано с природой образующегося шума (вихревой шум, шум от неоднородности потока).

В настоящее время большое распространение получили газотурбинные энергетические установки (ГТУ). По своей природе шум в ГТУ делится на шумы аэродинамического (газодинамического) и механического происхождения, причем наибольшее значение имеет аэродинамический шум, излучаемый всасывающим трактом ГТУ. Основным источником этого шума является компрессор, при работе которого уровень суммарного шума достигает 135-145 дБ. В спектре шума всасывания (рис. 2.2, в) преобладают высокочастотные дискретные составляющие. Основную частоту первой из них определяют по формуле (2.3).

Аэродинамический шум в источнике ГТУ может быть снижен увеличением зазора между лопаточными венцами; подбором оптимального соотношения чисел направляющих и рабочих лопаток; улучшением аэродинамических характеристик проточной части компрессоров и турбин и т. п.

Шум механического происхождения (вибрация системы роторов, подшипников, элементов редукторов и т. д.), являющийся превалирующим в машинном отделении, может быть ослаблен за счет проведения различных мероприятий, направленных на совершенствование технологических процессов и оборудования. Например, внедрение автоматической сварки вместо ручной устраняет образование брызг на металле, что позволяет исключить шумную операцию по зачистке сварного шва.

Нередко повышенный уровень шума является следствием неисправности или износа механизмов, в этом случае своевременный ремонт позволяет снизить шум.

Также по борьбе с механическим шумом можно отметить такие мероприятия:

• заменять ударные процессы и механизмы безударными, например, применять оборудование с гидроприводом вместо оборудования с кривошипными и эксцентриковыми приводами;

• штамповку – прессованием, клепку – сваркой, обрубку – резкой и т. д.;

• заменять возвратно-поступательное движение деталей равномерным вращательным движением;

• применять вместо прямозубых шестерен косозубые и шевронные, а также повышать класс точности обработки и уменьшать шероховатость поверхности шестерен; так, ликвидация погрешностей в зацеплении шестерен дает снижение шума на 5-10 дБ; замена прямозубых шестерен шевронными –

5 дБ;

• по возможности заменять зубчатые и цепные передачи клиноременными и зубчато-ременными, например,зубчатую передачу на клиноременную, что снижает шум на 10-14 дБ;

• заменять, когда это возможно, подшипники качения на подшипники скольжения; это снижает шум на 10 - 15 дБ;

• по возможности заменять металлические детали деталями из пластмасс и других незвучных материалов либо перемежать соударяемые и трущиеся металлические детали с деталями из незвучных материалов, например, применять текстолитовые или капроновые шестерни в паре со стальными; так, замена одной из стальных шестерен (в паре) на капроновую снижает шум на 10-12 дБ;

• использовать пластмассы при изготовлении деталей корпусов, что дает хорошие результаты; например, замена стальных крышек редуктора пластмассовыми приводит к снижению шума на 2-6 дБ на средних частотах и на 7-15 дБ на высоких, особенно неприятных для слухового восприятия;

• при выборе металла для изготовления деталей необходимо учитывать, что внутреннее трение в различных металлах неодинаково, а следовательно, различна звучность; например, обычная углеродистая сталь, легированная сталь являются более звучными, чем чугун; большим трением обладают после закалки сплавы из марганца с 15-20% меди и магниевые сплавы; детали из них при ударах звучат глухо и ослабленно; хромирование стальных деталей, например турбинных лопаток, уменьшает их звучность; при увеличении температуры металлов на 100-150°С они становятся менее звучными;

• более широко применять принудительное смазывание трущихся поверхностей в сочленениях;

• применять балансировку вращающихся элементов машин;

• использовать прокладочные материалы и упругие вставки в соединениях, чтобы исключить или уменьшить передачи колебаний от одной детали или части агрегата к другой; так, при правке металлических листов наковальню нужно устанавливать на прокладку из демпфирующего материала.

При вращательном движении тел, например, винтов самолета, возникает так называемый шум вращения. Он образуется вследствие того, что тело периодически порождает пульсации давления в каждой точке среды, воспринимаемые как шум.

Основную частоту шума вращения винта, имеющего z лопастей, при частоте вращения n (об/мин) определяют по формуле (2.3).

Звуковая мощность шума вращения также зависит от окружной скорости.

В различных турбомашинах (вентиляторах, компрессорах и т. д.) шум вращения значительно ниже по интенсивности, чем вихревой шум, и шум от неоднородности поэтому может не учитываться.

Одним из самых мощных источников шума является свободная струя (см. рис. 2.1, в). Шум струи создается в результате турбулентного перемешивания частиц воздуха или газа, имеющих большую скорость истечения, с частицами окружающего воздуха, скорость которых меньше. Эти шумы являются преобладающими при работе реактивных двигателей, при выбросе сжатого воздуха или пара в атмосферу.

Звуковая мощность струи (Вт) зависит главным образом от скорости истечения v_c, а также от диаметра отверстия (сопла) D_c и плотности воздуха или газов :

16216\* MERGEFORMAT (.)

где – коэффициент подобия;с – скорость звука.

Снижение шума струи в источнике представляет большую сложность. Уменьшением градиента скорости в струе, что сделано, в частности, в двухконтурных авиационных двигателях, достигается снижение шума на 5 дБ.

Установка на срезе сопла различных насадок, действие которых основано на трансформации спектра шума (перевод спектра в высокочастотную область и даже в ультразвук), снижает шум на 8-12 дБ. Нужно отметить, что такие насадки могут ухудшать рабочие характеристики машины из-за высокого сопротивления. В потоках, движущихся со сверхзвуковой скоростью, возникают аэродинамические шумы, обусловленные появлением скачков уплотнения (ударных волн). При движении тела со сверхзвуковой скоростью возникает явление звукового удара или хлопка, например, при полете сверхзвуковых самолетов. При истечении газа в атмосферу со сверхзвуковой скоростью происходят колебания скачков с возникновением резкого дискретного шума.

В большинстве случаев меры по ослаблению аэродинамических шумов в источнике оказываются недостаточными, поэтому дополнительное, а часто и основное снижение шума достигается путем звукоизоляции источника и установки глушителей.[1]