Снижение низкочастотного звука и вибрации энергетических установок

ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ........................................................ 6
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЗВУКА И ВИБРАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................... 17
1.1. Основные виды энергетических установок и их классификация. 17
1.2. Воздействие низкочастотного звука и вибрации на человека и
их нормирование.......................................... 23
1.3. Анализ энергетических установок как источников низкочастотного звука и вибрации и их вклада в процессы шумообразова-
ния в городских условиях................................. 29
1.4. Анализ существующих методов и средств снижения низкочастотного звука и вибрации энергетических установок..... 51
1.5. Снижение низкочастотного звука и вибрации энергетических установок путем использования активной и гибридной компенсации ............................................... 78
1.6. Анализ методов расчета и прогнозирования низкочастотного звука и вибрации энергетических установок........... 107
1.7. Обоснование цели и постановка задачи исследования 131
Глава 2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЗВУКА И ВИБРАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.................................. 138
2.1. Обобщенная классификация методов снижения низкочастотного звука и вибрации энергетических установок............ 138
2.2. Систематизация патентов по алгоритмам расчета и устройствам активной и гибридной компенсации низкочастотного звука и вибрации энергетических установок и активным акустическим преобразователям............................................ 155
2.3. Методологические основы классификации активных и гибрид-
2
ных систем компенсации низкочастотного звука и вибрации ... 177 Глава 3. ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ СНИЖЕНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЗВУКА И ВИБРАЦИИ В ГАЗОВОДНЫХ СИСТЕМАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКТИВНОЙ И ГИБРИДНОЙ КОМПЕНСАЦИИ................................................. 206
3.1. Теоретические основы активной и гибридной компенсации низкочастотного звука и вибрации в газоводных системах энергетических установок............................................... 206
3.2. Разработка методики комплексного снижения внешнего и
внутреннего шума транспортного средства, генерируемого двигателем внутреннего сгорания.................................
3.3. Многофункциональное использование активной компенсации. Теоретические основы активного и гибридного акустического над-
дува ДВС. Вносимые потери при активной компенсации и активном акустическом наддуве.................................. 226
3.4. Математическое моделирование и методики расчета низкочастотного звука и вибрации в газоводных системах энергетических установок.................................................... 237
3.5. Особенности расчета активной компенсации низкочастотного звука и вибрации внутри пассажирского салона и кабины водителя автомобиля........................................ 298
3.6. Разработка концепции составления динамических карт шума, низкочастотного звука и вибрации................................ 306
Глава 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗКОЧАСТОТНОГО ЗВУКА И ВИБРАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК............................... 310
4.1. Разработка методики исследования низкочастотных вибро-акустических характеристик стационарных энергетических установок........................................................ 310
4.2. Разработка методики экспериментальных исследований низко-
3
частотной вибрации компрессорных установок и присоединённых трубопроводных систем............................. 312
4.3. Разработка методики экспериментальных исследований низкочастотного звука и вибрации, генерируемых автомобильным
ДВС, и их активной компенсации........................ 320
4.4. Разработка методики исследования факторов внешнего воздействия на работу устройств активной компенсации низкочастотного звука и вибрации в газоводах энергетических установок ...................................................... 328
4.5. Дополнения к методикам проведения измерений шумовых характеристик и обработки результатов измерений для селитебной территории...................................... 332
4.6. Оценка погрешности результатов измерений............ 333
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗКОЧАСТОТНОГО ЗВУКА И ВИБРАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК........................................... 340
5.1. Экспериментальные исследования вибрации компрессорных установок и присоединенных трубопроводных систем.....340
5.2. Экспериментальные исследования снижения низкочастотного звука систем газообмена автомобильных поршневых ДВС методом активной компенсации............................ 363
5.3. Экспериментальные исследования влияния внешних факторов на характеристики элементов активной компенсации низкочастотного звука в газоводных системах энергетических установок ...................................................... 370
ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ПРЕДЛОЖЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ СНИЖЕНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЗВУКА И ВИБРАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И РЕЗУЛЬТАТОВ ИХ АПРОБАЦИИ................................................... 376
6.1. Разработка и апробация помехозащищенных конструкций
4
активной компенсации низкочастотного звука и вибрации в газоводах энергетических установок.................. 376
6.2. Разработка и апробация устройств комплексной активной компенсации шума ДВС.................................... 410
6.3. Разработка устройств активного и гибридного акустического наддува................................................ 434
6.4. Разработка и апробация конструкций по снижению низкочастотной вибрации газоводных систем энергетических установок .................................................... 446
ГЛАВА 7. ПРОБЛЕМЫ И ОПЫТ ПРАКТИЧЕСКОГО ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЗВУКА И ВИБРАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК............. 484
7.1. Особенности и проблемы практического использования активной компенсации низкочастотного звука и вибрации энергетических установок.................................... 484
7.2. Разработка программного обеспечения по расчёту снижения низкочастотного звука и вибрации энергетических установок
и его практическая реализация....................... 491
7.3. Опыт снижения низкочастотного звука и вибрации в жилой
зоне и на рабочих местах промышленных предприятий 511
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ. НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ..................................................... 538
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................... 544
ПРИЛОЖЕНИЯ................................................. 591
5
ВВЕДЕНИЕ
Основы виброакустики как науки были заложены в середине XX века и приведены в работах Е. Скучика, М.Л. Исаковича, сэра Дж. Лайтхилла, Л. Беранека, М. Крокера, М. Хекла, И.И. Клюкина, Е.Я. Юдина, A.C. Никифорова, Н.И. Иванова, Э.Л. Мышинского, Б.Д. Тартаковского и других ученых. В настоящее время достигнут значительный процэесс в практическом использовании её результатов для различных случаев снижения шума и вибрации, а возможности виброакустики стали гораздо более широкими и не ограничиваются только задачей снижения шума и вибрации. Сейчас уже возможно говорить о виброакустике как о науке, разрабатывающей теоретические и прикладные аспекты использования акустических законов и явлений не только для снижения шума и звуковой вибрации, но и для улучшения характеристик машин, приборов и других технических средств.
Для любого современного города характерно наличие как ряда крупных промышленных предприятий, так и значительного автотранспортного парка, оказывающих значительное виброакустическое воздействие в условиях окружающей, производственной и бытовой среды. Интенсивными источниками акустического излучения и вибрации, особенно в низкочастотном диапазоне, являются силовые установки транспортных средств, использующие в качестве рабочего тела для своих двигателей газовую смесь, а также вентиляторы, воздуходувки, компрессоры, стационарные двигатели внутреннего сгорания и пр. Объектом исследования в настоящей диссертации явились энергетические установки различных типов как источники низкочастотного звука и вибрации.
Низкочастотный звук и вибрация, возникающие при эксплуатации современных энергетических установок, вызывают разнообразные проблемы. Так, снижаются производительность, надежность, долговечность и другие характеристики энергетических установок. Интенсивная вибрация может явиться причиной разрушения соединений трубопроводов и аппаратов,
6
деталей ДВС и других энергетических установок, нарушения герметичности уплотнений и др.
Интенсивный шум на производстве способствует снижению внимания и увеличению числа ошибок при выполнении работы, оказывает влияние на быстроту реакции, сбор информации и аналитические процессы. В результате наряду с ухудшением здоровья человека шум вызывает снижение безопасности, производительности и качества труда. Низкочастотная вибрация опасна с точки зрения воздействия на человека ввиду возможного возникновения резонанса колебаний внутренних органов и частей тела человека. Воздействие повышенной вибрации (в первую очередь низкочастотной) может вызвать виброболезнь - стойкое нарушение физиологических функций организма, обусловленного воздействием вибраций на центральную нервную систему. По данным ОАО "АВТОВАЗ", именно тугоухость и виброболезнь прочно удерживают лидерство среди других профессиональных заболеваний.
Серьезные проблемы вызывает шум автотранспортных потоков, создающий 60-80% от общей доли шумов, воздействующих на человека в жилой застройке. Как отмечают многие авторы [130, 145, 146, 147, 158, 164, 174, 193, 315, 382 и др.], свыше 60% населения крупных городов проживает в условиях чрезмерного шума. При этом основная часть жалоб касается воздействия низкочастотного звука [383, 395, 399 и др.]. Так, исследования, проведенные в ЦНИИ им. академика Крылова и в БГТУ "Военмех" (г. Санкт-Петербург) в 1992-2005 гг., показали, что на большинстве автотранспортных магистралей уровни шумов значительно превышают допустимые нормы (для районов жилой застройки норма составляет 50 дБ в дневное время и 45 дБ в ночное, а на транспортных магистралях - 65дБ), и достигают 85 дБ. В ряде городов автотранспортные магистрали вплотную примыкают к селитебной зоне, в результате чего значительная часть населения подвергается воздействию повышенных уровней звука. При этом спектры уровней звукового давления и уровней звука транспортных потоков носят ярко
7
выраженный низкочастотный характер [3, 10, 12, 21, 90, 143, 147, 158, 193 и др.]. В России многие автотранспортные средства эксплуатируются в течение нескольких десятилетий, и шумовые характеристики их двигателей не удовлетворяют требуемым нормативам.
В условиях городской среды наибольшее значение приобретает тот факт, что звуки различного спектрального состава при распространении в открытом пространстве вглубь территории жилой застройки будут иметь различную степень затухания. Поэтому наиболее нежелательным будет воздействие звука такого частотного диапазона, который максимально достигнет селитебной территории. Именно низкочастотный звук распространяется без особого затухания на значительное расстояние и является основным источником дискомфорта для селитебных территорий. В производственных условиях в спектре звука и вибрации ряда энергетических установок (вентиляторы, компрессоры и др.) также преобладают низкочастотные составляющие. Главным источником низкочастотной вибрации являются силовые установки наземного общественного транспорта и грузового автомобильного транспорта, создающие существенную вибрационную нагрузку не только на людей, но также и на здания, наземные и подземные инженерные сооружения, покрытия дорог [130, 147, 189].
Таким образом, для современного машиностроения (в частности двигателестроения) и других отраслей промышленности и транспорта актуальным является снижение низкочастотного звука и вибрации стационарных и передвижных энергетических установок.
Для снижения низкочастотного звука, генерируемого энергетическими установками, градостроительные и административно-организационные шумозащитные мероприятия (рациональная акустическая планировка жилых массивов, установка шумозащитных экранирующих сооружений, создание шумозащитного озеленения улиц, повышение звукоизолирующих качеств зданий и т.д.) оказываются недостаточно эффективными. Более эффективным является использование технических средств.
Из различных существующих методов снижения низкочастотного звука и вибрации энергетических установок традиционно эффективной является установка глушителей шума и гасителей пульсаций давления газа. Однако использование существующих низкочастотных глушителей и гасителей пульсаций зачастую невозможно ввиду необходимых больших габаритов. Снижение габаритов может быть достигнуто путем использования устройств активной и гибридной (активно-пассивной) компенсации. Однако их практическое применение существенным образом ограничивается воздействием внешних факторов. Таким образом, необходимы разработка и апробация эффективных компактных конструкций глушителей низкочастотного шума и гасителей пульсаций. Перспективным также является широкое использование мониторинга низкочастотного шума и вибрации урбанизированных территорий, новых методов прогнозирования шума и вибрации.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- предложены методологические основы классификации активной и гибридной компенсации низкочастотного звука и вибрации энергетических установок, позволяющие находить эффективные решения различных задач снижения низкочастотного звука и вибрации для энергетических установок различных типов;
- разработана математическая модель передачи низкочастотного звука и газодинамических пульсаций в газоводных системах энергетических установок при наличии активного акустического излучения, позволяющая рассчитывать передаточные функции и виброакустические характеристики систем с учетом характеристик источника активной компенсации;
- предложена методика комплексного снижения низкочастотного звука и вибрации, генерируемых ДВС, позволяющая обеспечить одновременное снижение внешнего и внутреннего шума в салоне транспортного средства с учетом взаимосвязи виброакустических полей моторного отсека и пассажирского салона;
9
- разработаны теоретические основы многофункциональной активной компенсации, активного и гибридного акустического наддува ДВС, позволяющие достичь как снижения низкочастотного звука, так и повышения мощности ДВС и улучшения отвода токсичных газов при выпуске ДВС.
Методы исследований. Для исследования параметров передаточной функции систем активной компенсации низкочастотного звука и вибрации энергетических установок использовались методы аналитического моделирования с использованием акустических четырехполюсников и электроакустических аналогий. Экспериментальные исследования виброакустических характеристик энергетических установок осуществлялись по методикам, разработанным автором с учетом существующих ГОСТов и методических указаний (ГОСТ 12.1.023.80*, ГОСТ 12.1.012-90, ГОСТ 26568-85, ГОСТ Р 52231-04 и др.) с помощью прецизионной виброакустической аппаратуры фирм "Брюль и Къер" и "Октава+". Экспериментальные исследования вибрационного состояния поршневых и винтовых компрессорных установок, а также вентиляционного шума проведены в реальных производственных условиях. Снижение низкочастотного шума впуска автомобильного ДВС с использованием активной компенсации выполнено в лабораторных условиях при работе двигателей ВАЗ в режиме холостого хода на тормозном стенде фирмы "Schenk1'. Комплексное снижение низкочастотного звука автомобильного ДВС осуществлено на макетных установках и на динамометрическом стенде для двигателя ВАЗ-11183. Экспериментальные исследования воздействия повышенного статического давления на мембрану активного компенсатора звука, выполненного в виде громкоговорителя, проведены в лабораторных условиях при нагнетании давления в трубопроводе до 15000 Па.
В процессе исследования получены и защищаются следующие основные результаты:
- обобщенная классификация методов снижения низкочастотного звука и вибрации энергетических установок;
10
- анализ патентов и методологические основы классификации активной и гибридной компенсации низкочастотного звука и вибрации энергетических установок;
- теоретические основы активной и гибридной компенсации низкочастотного звука и вибрации в газоводных системах энергетических установок;
- методика комплексного снижения внешнего и внутреннего шума транспортного средства, генерируемого ДВС;
- теоретические основы многофункциональной активной компенсации, активного и гибридного акустического наддува ДВС;
- методика составления динамических карт шума, низкочастотного звука и вибрации;
методики экспериментальных исследований характеристик
низкочастотного звука и вибрации основных типов энергетических установок: низкочастотной вибрации компрессорных установок и
присоединённых трубопроводных систем; низкочастотного звука вентиляционных систем; низкочастотного звука и вибрации, генерируемых автомобильным ДВС, их активной и гибридной компенсации и активного акустического наддува ДВС;
результаты экспериментальных исследований характеристик
низкочастотного звука и вибрации энергетических установок и их снижения на основе разработанных методик;
- результаты разработки и апробации конструкций активных глушителей низкочастотного звука энергетических установок и гасителей
низкочастотных пульсаций в газоводах поршневых машин;
- результаты разработки и внедрения мероприятий и программного обеспечения по снижению низкочастотного звука и вибрации энергетических установок.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:
Международные конгрессы:
11
- Международном Конгрессе по автобусам, грузовым и легковым автомобилям и производящей технологии "Автотехника - 91", г. Бирмингем, Великобритания, 12-15 ноября 1991 г.;
- Пятнадцатом международном акустическом конгрессе, г. Трондхейм, Норвегия, 26-30 июня 1995 г.;
- Двадцать шестом международном конгрессе по борьбе с шумом "Интер-Шум 97м, г. Будапешт, Венгрия, 25-27 августа 1997 г.;
- Международном конгрессе "Евро-Шум 98", г. Мюнхен, ФРГ 4-6 октября 1998 г.;
- Двадцать девятом международном конгрессе по борьбе с шумом "Ингер-шум 2000м, г. Ницца, Франция, 27-30 августа 2000 г.;
- Восьмом международном конгрессе по звуку и вибрации, Гонконг, Китай, 4 -6 июля 2001 г.;
- Восьмом международном конгрессе по шуму как проблеме для здоровья населения, г. Роттердам, Нидерланды, 29 июня - 3 июля 2003 г.;
- Одиннадцатом международном конгрессе по звуку и вибрации, г. Санкт-Петербург, 5-8 июля 2004 г. '
Международные конференции, симпозиумы, семинары, выставки:
- Втором международном симпозиуме " Шум и вибрация на транспорте", Санкт-Петербург, Россия, 4-6 октября 1994 г.;
- Первой, второй, третьей и четвертой международных научно-технических конференциях "Решение экологических проблем в автотранспортном комплексе", Москва, МАДИ (ТУ), 1996, 1998, 2000, 2002 гг.;
- Международном симпозиуме по активному снижению шума и вибрации "ACTIVE-97", г. Будапешт, Венгрия, 21-23 августа 1997 г.;
- Четвертом международном симпозиуме "Шум и вибрация на транспорте", г. Таллин, Эстония, 8-10 июня 1998 г.;
- Семинаре департамента технической акустики института строительной физики Fraunhofer-Institut Für Bauphysik, г. Штутгарт, ФРГ, 16 сентября 1998;
12
- Пятой международной научной конференции по двигателям внутреннего сгорания и транспортным средствам "МОТАиТО-98", София, Болгария, 14-16 октября 1998 г.;
- Первой, второй, третьей и четвертой международных научно-технических конференциях "Безопасность транспортных систем", Самара, май 1998, 2000, 2002 и 2004 гг.;
Международном экологическом симпозиуме "Перспективные информационные технологии и проблемы управления рисками на пороге нового тысячелетия", г. Санкт-Петербург, 1-3 июня 2000 г.;
- У-м международном симпозиуме "Шум и вибрация на транспорте", Санкт-Петербург, 6-8 июня 2000 г.;
- Двадцать пятой международной научной конференции "18МА-25", Лейвен, Бельгия, 13-15 сентября 2000 г.;
- Международной научно-практической конференции памяти генерального конструктора аэрокосмической техники акад. Н.Д. Кузнецова, г. Самара, 21-22 июня 2001 г.;
- У1-м международном симпозиуме "Шум и вибрация на транспорте", г. Санкт-Петербург, 4-6 июня 2002 г.;
- 42-й международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров "Автомобиль и окружающая среда", г. Дмитров, 3-5 июня 2003 г.
- Первой и второй международных научно-технических конференциях "Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов" (ЕЬРГГ), г. Тольятти, сентябрь 2003 и 2005 гг.;
- Третьей международной научной конференции "Экологические проблемы бассейнов крупных рек", г. Тольятти, 15-19 сентября 2003 г.;
- XV международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов", г. Тольятти, 30 сентября - 3 октября 2003 г.;
- Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы надёжности технологических, энергетических и транспортных машин",
13
посвященной 90-летию Самарского государственного технического университета, г. Самара, 25-27 ноября 2003 г.;
- VIII Международных научных чтениях "Белые ночи-2004", г. Санкт-Петербург, 4-6 июня 2004 г.;
- УН-м международном симпозиуме "Шум и вибрация на транспорте", г. Санкт-Петербург, 8-10 июня 2004 г.;
- Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности. Научнотехнологические, экономические, юридические, политологические, социальные и международные аспекты", г. Санкт-Петербург, 30 мая - 2 июня 2005 г.;
- Международной научной конференции "Форум акустикум-2005", г. Будапешт, Венгрия, 29 августа - 2 сентября 2005 г.
Национальные конгрессы и конференции зарубежных стран:
- Второй болгарской национальной конференции по диагностике машин и сооружений и неразрушающему контролю, Варна, Болгария, 25-28 октября 1990 г.;
- Второй, четвертой и пятой болгарских национальных конференциях с межд. участием "Эко-Варна 96, 98, 99", Варна, Болгария, май 1996, 1998, 1999 гг.;
- Итальянской национальной научно-технической конференции с международным участием "Шум на транспорте", г. Флоренция, Италия, 26 февраля 2004 г.;
- Тридцать первом конгрессе итальянской ассоциации акустиков, г. Венеция, Италия, 5-7 мая 2004 г.
Всесоюзные, Всероссийские и внутрнвузовские научные конференции, симпозиумы, семинары, заседания:
- Всесоюзной научно-технической конференции "Вибрация и шум. Глушители шума", Тольятти, 13-15 октября 1991 г.;
14
- Пятом научно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС", Владимир, 16-19 мая 1995;
- Первой, второй, третьей, четвертой и пятой Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности", Санкт-Петербург, 1996,1997,1998, 1999, 2000 гг.;
- Всероссийской научно-практической конференции "Новые материалы и технологии", Москва, МАТИ-РГТУ, 4-5 февраля 1997 г.;
- Всероссийской научно-технической конференции Тольяттинского политехнического института, г. Тольягги, 5-7 мая 1997 г.;
Всероссийской научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности и чрезвычайные ситуации", Самара, 1997;
- Второй Всероссийской конференции "Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкций НАСКР-99", 6-7 июля 1999 г., Чебоксары, 1999;
- Выставке-ярмарке "Самарская межрегиональная выставка инновационных технологий", г. Самара, 25-28 мая 2000 г.;
- Всероссийской научно-технической конференции "Перспективы развития автомобильного транспорта", г. Тольятти, октября 2000 г.;
- Научных чтениях "Белые Ночи 2001", Санкт-Петербург, 5-7 июня 2001 г.;
- Всероссийской научно-технической конференции "Технический вуз - наука, образование и производство в регионе", г. Тольятти, 3-4 октября 2001 г.
- Второй, третьей и четвертой Всероссийских научно-технических конференциях "Современные тенденции развития автомобилестроения в России", г. Тольятти, май 2003,2004, 2005 гг.;
- Первой и второй Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием "Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса", г. Москва. МАДИ (ГТУ), февраль 2003 и 2005 гг.;
15
- IX и X Всероссийских научных конференциях «Окружающая среда для нас и будущих поколений», г. Самара, сентябрь 2004 и 2005 гг.;
Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии", г. Тольятти, 21-24 сентября 2004 г.;
- Всероссийской научно-технической конференции "Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении" памяти
А.Н. Резникова, г. Тольятти, 18-20 мая 2005 г.;
- X Всероссийском конгрессе "Экология и здоровье человека", г. Самара, 11-13 октября 2005 г.;
- Заседаниях научно-технических советов Тольяттинского политехнического института и Тольяттинского государственного университета 1998, 1999, 2000, 2001. 2002, 2003, 2004 и 2005 гг.;
- Заседаниях научно-исследовательской лаборатории "Виброакустика, экология и безопасность жизнедеятельности" Тольяттинского государственного университета 2003, 2004 и 2005 гг.;
- Заседаниях кафедры "Машиноведение и инженерная экология" Тольяттинского государственного университета 2004 и 2005 гг.;
- Заседании кафедры "Экология и безопасность жизнедеятельности" Балтийского государственного технического университета "ВОЕНМЕХ", 2005 г.
Результаты работы внедрены и использованы в ЗАО "Куйбышевазот", ЗАО "ВЭМ-1", ОАО "АВТОВАЗ", мэрией г. Тольятти и др.
Основные положения диссертации опубликованы в 160 печатных работах. Автор пользуется случаем выразить свою искреннюю благодарность заведующему кафедрой "Экология и безопасность жизнедеятельности" БГТУ "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова Н.И. Иванову за неоценимую помощь в ходе подготовки диссертации.
16
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЗВУКА И ВИБРАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.
1.1. Основные виды энергетических установок и их классификация.
Энергетические установки можно разделить на два основных вида: стационарные (вентиляторы, воздуходувки, насосы, компрессоры, стационарные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и пр.) и передвижные, или транспортные (силовые установки транспортных средств, например, поршневые ДВС).
Вентиляционные установки широко используются как в промышленных, так и бытовых условиях для подачи больших объемов воздуха. Их подразделяют на вентиляторы общего назначения, вентиляторы дутьевые котельные, дымососы котельные и вентиляторы шахтные. По направлению потока воздуха в рабочем колесе вентиляторы делятся на осевые, радиальные (центробежные), диагональные, диаметральные; по конструкции - на одно- и многоступенчатые, реверсивные, одно- и двухстороннего всасывания; по положению рабочего колеса - на горизонтальные и вертикальные; по виду привода - с электродвигателем, воздушной турбиной, двигателем внутреннего сгорания и др.; по исполнению - стандартные, газонепроницаемые, для транспортировки горючих и взрывоопасных газов, коррозионно опасных газов и пр.
Компрессор предназначен для повышения давления и перемещения газа. Как и вентиляторы, компрессор относится к классу воздухо- или газодувных машин. В зависимости от типов компрессорных установок, условий их работы и процесса шумообразования они имеют различные акустические характеристики. Так. в спектре шума всасывания турбокомпрессоров, являющихся высокоскоростными агрегатами динамического действия (сжатие происходит в результате непрерывного создания ускорений в потоке газа), преобладают высокие частоты. К компрессорам объемного действия, в
17
которых сжатие происходит в результате периодического уменьшения объема, занимаемого газом, можно отнести поршневые, роторные и мембранные [169].
В спектре шума всасывания роторных машин преобладает частота вращения вала и ее гармоники, что вызвано внезапными изменениями давления, связанными с подачей сжатого газа вращающимися элементами во впускной канал или всасывающее окно [128, 129, 154]. Форма отверстий и полостей входного и отводящего трубопроводов оказывает большое влияние на генерируемый шум. Поскольку скорости вращения вала машины этого класса велики, шум всасывания носит высокочастотный характер.
Большинство поршневых и мембранных компрессоров представляют собой низкооборотные машины, поэтому характерным для их спектра шума является наличие дискретных низкочастотных составляющих. При этом, как правило, можно выделить гармонические составляющие с наиболее высокими уровнями звука.
Насосами называют машины, предназначенные для перемещения жидкостей и сообщения им энергии. Работающий насос превращает механическую энергию, подводимую от двигателя, в потенциальную, кинетическую и тепловую энергию потока жидкости. Насосы бывают лопастные (центробежные, вихревые, осевые, диагональные), объемные (поршневые и роторные) пневматические, струйные. Наибольшее распространение получили лопастные насосы.
К двигателям относятся устройства, преобразующие какой-либо вид энергии в механическую работу. Машины, трансформирующие тепловую энергию в механическую работу, носят название тепловых двигателей и являются основным типом энергетической установки на всех видах транспорта (железнодорожный, речной, морской, автомобильный и воздушный), на сельскохозяйственных и дорожно-строительных машинах. При этом различают тепловые двигатели стационарные и транспортные.
По способу подвода теплоты к рабочему телу различают двигатели с внешним подводом теплоты (ДВПТ) и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
18
Для ДВГТТ характерны следующие особенности:
• теплота к рабочему телу подводится вне рабочего цилиндра двигателя (обычно в теплообменнике);
• рабочее тело не обновляется и циркулирует в различных агрегатных состояниях по замкнутому контуру;
• работа совершается в турбине или в расширительном цилиндре.
Классический пример этого типа тепловых двигателей - паровой двигатель. Для ДВС характерно следующее:
- сжигание топливам, выделение теплоты и преобразование её в механическую работу происходит непосредственно в цилиндре двигателя;
- рабочее тело обновляется в процессе работы двигателя.
ДВС по сравнению с ДВПТ имеют существенно меньшие габариты и массу на единицу производимой мощности и являются основным типом транспортных энергетических установок.
По конструкции элементов, с помощью которых тепловая энергия сгорающего топлива преобразуется в механическую работу, различают: поршневые ДВС с возвратно-поступательно движущимися поршнями (ПДВС); двигатели с вращающимися поршнями, или роторно-поршневые ДВС (РПД); газотурбинные двигатели (ГТД); реактивные двигатели (РД). По способу осуществления цикла различают двухтактные и четырехтактные ДВС.
Из-за неудовлетворительной топливной экономичности РПД, ГТД и РД не нашли широкого применения в наземной транспортной технике.
На автомобилях применяют двигатели с воспламенением от искры (карбюраторные, газовые, с впрыском топлива) и с воспламенением от сжатия (дизели), а также роторно-поршневые двигатели. Для автомобилей малой грузоподъёмности иногда используются электрические двигатели, работающие от аккумуляторных батарей.
В настоящее время и в обозримой перспективе основным типом тепловых двигателей, используемым на наземном транспорте, являются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) (рис. 1.1), работающие на жидком топливе. Это
19
обусловлено тем, что они обладают рядом преимуществ: экономичность, надёжность, долговечность, компактность и пр.
Выпускной
клапан
ЦилинЭр
[бона [
ш
Впускной
клапан
Рис. 1.1. Четырёхтактный бензиновый ПДВС с искровым зажиганием
По способу воспламенения смеси различают ДВС с принудительным (преимущественно искровым) зажиганием и дизели, работающие с воспламенением от сжатия. Двигатели с искровым зажиганием могут быть карбюраторные (рис. 1.2) и газовые, в которых топливовоздушная смесь, поступающая в цилиндры, подготавливается вне их, т. е. в автономном устройстве, называемом карбюратором или смесителем. По другому признаку классификации эти двигатели относят к ДВС с внешним смесеобразованием.
Рис. 1.2. Схема и индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя:
1 - поплавковая камера; 2 - диффузор карбюратора; 3 - дроссельная заслонка;
4 - свеча зажигания
Имеются также двигатели с впрыском топлива непосредственно в цилиндр или во впускной трубопровод (обычно на впускной клапан), рис. 1.3.
20
Дизель относится к двигателям с внутренним смесеобразованием.
■ЧИР
Рис. 1.3. Схема двигателя с впрыскиванием бензина во впускную систему:
1 - кривошипно-шатунный механизм; 2 - картер; 3 - свеча зажигания; 4 -форсунка; 5 -дроссель; 6 - расходомер; 7 - воздухоочиститель; 8 - электронный блок управления; Р - топливный фильтр; 10 - топливный насос; 11 - топливный
бак
От количества свежего заряда, оставшегося в цилиндре после завершения газообмена, в решающей степени зависят получаемая в цикле работа и, следовательно, мощность двигателя. Процессы газообмена связаны не только друг с другом. Так, создаваемое во время впуска направленное движение заряда в цилиндре двигателя путём специального профилирования и расположения впускных каналов в головке цилиндров представляет собой один из основных факторов, способствующих улучшению смесеобразования. В двигателях с внешним смесеобразованием процесс впуска связан и с процессами образования топливовоздушной смеси до её поступления в цилиндр.
Типичные процессы, составляющие термодинамический цикл четырёхтактного ДВС, изображены на рис. 1.4 и 1.5. Имеются некоторые различия между циклом двигателя с искровым зажиганием и циклом двигателя с зажиганием от сжатия, однако принципиального различия между этими циклами нет. Низшая часть рисунка показывает процесс выпуска при движущемся поршне и открытом выпускном клапане. Площадь, ограниченная пересекаемыми по часовой стрелке частями цикла в диаграмме давление -объём, представляет позитивную работу, совершённую газами по отношению к
21
поршню (и, следовательно, по отношению к коленчатому валу). Небольшая площадь, ограниченная пересекаемыми противоположно часовой стрелке частями цикла - это негативная работа, которая совершена поршнем (и, следовательно, коленчатым валом) над газами при их выпускании (выталкивании). Термодинамический цикл четырёхтактного поршневого ДВС длится в течение периода вращения коленчатого вала двигателя 720°, после чего завершается.
1»
Рис. 1.4. Индикаторная диаграмма термодинамических процессов четырёхтактного бензинового двигателя
Рис. 1.5. Диаграмма газообмена четырёхтактного бензинового двигателя
22
Анализ существующей литературы и научных статей [1-3, 10, 128-130, 144-147, 189, 193, 230, 324, 335 и др.], а также собственные экспериментальные и расчетные исследования автора [11-13, 28, 44, 60 64, 79, 97, 100, 336, 402, 405], позволяют утверждать, что энергетические установки (прежде всего автомобильные ДВС, вентиляторы и компрессоры) являются наиболее интенсивными источниками низкочастотного виброакустического загрязнения производственной, окружающей и бытовой среды.
1.2. Воздействие низкочастотного звука и вибрации на человека и их нормирование.
Виброакустическое воздействие в настоящее время представляет собой одну из глобальных современных проблем. По некоторым оценкам, неблагоприятное воздействие шума ощущает каждый второй житель Земли. Особенно неблагоприятно воздействие шума и вибрации в условиях современного города.
Негативные последствия воздействия интенсивного звука на организм человека многообразны и не ограничиваются воздействием на орган слуха [8, 147, 174 и др.]. Через волокна слуховых нервов раздражение звуком передается в центральную и вегетативную нервные системы, а через них воздействует на внутренние органы, приводя к значительным изменениям в функциональном состоянии организма, влияет на психическое состояние человека, вызывая чувство беспокойства и раздражения, повышенную психическую утомляемость, что влечет за собой наряду с ухудшением здоровья человека снижение безопасности, производительности и качества труда. Общий убыток от шума в городе обуславливает снижение на 15 ... 20% производительности труда и удвоение числа ошибок. Особенно вреден шум в ночное время.
Наиболее изучено влияние звука на слух человека. Интенсивный звук (свыше 80 дБА) при ежедневном воздействии приводит к возникновению профессионального заболевания - тугоухости, основным симптомом которого является постепенная потеря слуха на оба уха, первоначально лежащая в
23
области высоких частот (4000 Гц), с последующим распространением на более низкие частоты, определяющие способность воспринимать речь. Кроме того, установлено, что под влиянием звука наступают изменения в органе зрения человека. Снижается острота зрения, изменяется чувствительность к различным цветам и т. д. Нарушаются функции желудочно-кишечного тракта. Происходят нарушения в обменных процессах организма. Наступают изменения в циркуляции крови и работе сердца, приводящие к возникновению заболеваний сердечно-сосудистой системы. Звук изменяет деятельность мозга: нарушается окислительная и восстановительная способность мозга. В целом можно говорить о шумовой болезни, то есть общем заболевании всего организма с преимущественным поражением слуха и нервной системы. Симптомами этой болезни являются головная боль, тошнота, раздражительность. Характерны жалобы на повышенную утомляемость, раздражительность, ослабление памяти.
В ряде стран получены статистические данные о росте общей заболеваемости населения в связи с увеличивающимся городским шумом. Установлена определенная роль шума, особенно ночного, в патогенезе гипертонической болезни. Эквивалентные уровни звука в таких городах, как Нью-Йорк, Лондон, Париж, Мехико, Москва, достигают 75-80 дБА. В объединённой Европе более 130 млн. человек подвергается действию шума свыше 65 дБА (так называемая «чёрная зона»), вызывающего специфические заболевания и серьёзные претензии жителей, а 400 млн. человек подвергаются действию шума, уровень которого превышает 55 дБ А (так называемая «серая зона»), а значит, вызывает беспокойство и дискомфорт, причем основная часть жалоб касается воздействия низкочастотного шума [147]. Городской шум имеет тенденцию к росту: он возрастает ежегодно в среднем на 0,5-1,0 дБА в год. Во всех странах основной источник шума - автомобильный транспорт (от 75 до 90% всех жалоб). Другие интенсивные источники шума - это стационарные энергетические установки и производственное оборудование.
Для условий России проблема воздействия транспортного и промышленного шума усугубляется недостаточно продуманной планировкой расположения
24
жилых районов и несоблюдения санитарно-защитных зон. Ряд предприятий и автотранспортных магистралей зачастую вплотную примыкает к селитебной зоне, в результате чего значительная часть населения города подвергается воздействию значительного уровня звука.
Широко известно, что по физиологическому воздействию на человека наиболее опасен высокочастотный звук (особенно в диапазоне частот от 1 ООО до 4000 Гц), что подтверждается многочисленными опытами и отражено в существующих нормативных документах по шуму. Например, это наглядно видно из предельных спектров семейства нормировочных кривых уровней звукового давления 180 (рис. 1.6). Однако в условиях городской среды наибольшее значение приобретает тот факт, что шумы различного спектрального состава при распространении звука в открытом пространстве вглубь территории жилой застройки будут иметь различную степень затухания. Поэтому наибольшую опасность будет представлять воздействие шума такого частотного диапазона, который максимально достигнет селитебной территории.
Молекулярное затухание звука в атмосфере (ЛI, дБ) учитывается следующим выражением:
дь = -Ат
1000 , (1.1) где ра - затухание звука в атмосфере, дБ/км (табл. 1.1).
Анализируя данные затухания звука в атмосфере в зависимости от частотного диапазона, приведенные в табл. 1.1, приходим к выводу, что именно низкочастотный шум распространяется без особого затухания на значительное расстояние и является основным источником дискомфорта для селитебных территорий.
25
Рис. 1.6. Семейство нормировочных кривых уровней звукового давления по предельному спектру, рекомендованных 1ЭО
Таблица 1.1
____________________ Затухание звука в атмосфере _______
Октавные полосы частот, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Затухание Р„ дБ/км 0 0,75 1,5 3,0 6,0 12,0 24,0 48,0
Воздействие вибраций на среду обитания может быть весьма интенсивным. Например, в США вдоль скоростных магистралей из-за вибрации, создаваемой автомобилями, стали гибнуть посадки деревьев. Тряска нарушает контакт корневой системы с землей. В целом воздействие вибрации в условиях города гораздо более локализовано, чем шумовое. Наиболее опасно для человека воздействие повышенной низкочастотной вибрации, вызванной антропогенными источниками. Основная опасность систематического воздействия низкочастотной вибрации на человека - это возможность возникновения виброболезни - стойкого нарушения физиологических функций
26
организма, обусловленного воздействием вибраций на центральную нервную систему. Ее эффективное лечение возможно лишь на ранних стадиях. По данным ОАО "АВТОВАЗ", именно тугоухость и виброболезнь прочно удерживают лидерство среди других профессиональных заболеваний.
Воздействие вибрации на человека делится на общее, локальное и комбинированное. Наиболее опасным является воздействие общей и комбинированной вибрации в частотном диапазоне 4-КЗО Гц (т.е. в низкочастотном диапазоне), что объясняется возможностью совпадения собственных частот колебаний органов и частей тела с частотой виброколебаний. Различные внутренние органы и отдельные части тела человека можно рассматривать как колебательные системы с определенной массой, соединенные между собой "пружинами" и сопротивлениями. Такая система обладает рядом резонансов при положении человека стоя или сидя. Собственные частоты колебаний органов и частей тела приведены в табл. 1.2. Колебания с этими частотами могут привести даже к разрыву органов.
Таблица 1.2
Собственные частоты колебаний органов и частей тела человека _
№ Органы и части тела Значения собственных частот колебаний
1 Собственные частоты колебаний плеч, бедер, головы относительно опорной поверхности (положение "стоя") 4-6 Гц
2 Собственные частоты колебаний головы относительно плеч (положение "сидя"): - при вертикальных вибрациях; - при горизонтальных вибрациях 25-30 Гц 1,5-2 Гц
3 Собственные частоты колебаний для области сердца 5-6 Гц
4 Собственные частоты колебаний для желудка 8 Гц
5 Собственные частоты колебаний для кистей рук 30-40 Гц
6 Собственные частоты колебаний глазного яблока 60-90 Гц
27
У рабочих наблюдаются головокружения, расстройства координации движений, симптомы укачивания, вестибуло-вегетативная неустойчивость. Нарушение зрительных функций проявляется сужением и выпадением отдельных участков полей зрения, снижением остроты зрения, потемнением в глазах. Общая низкочастотная вибрация оказывает влияние на обменные процессы, проявляющиеся изменением углеводного, белкового, ферментного, витаминного и холестеринового обменов, биохимических показателей крови.
Другое опасное последствие воздействия низкочастотной вибрации - это возможное разрушение соединений трубопроводов и аппаратов, нарушения герметичности уплотнений и др., что может привести к авариям. Как показано в работах [128, 129, 154, 195], с точки зрения разрушения трубопроводов и аппаратов наиболее опасна именно вибрация в низкочастотном диапазоне.
Можно сделать вывод, что борьба с низкочастотными шумами и вибрациями представляет серьезную проблему. Низкочастотный звук, возникающий при работе энергетических установок (поршневых низкооборотных компрессоров, автомобильных ДВС, вентиляторов, стационарных двигателей и др.) распространяется без особого поглощения на значительное расстояние, являясь источником дискомфорта для значительной окружающей территории. Низкочастотная вибрация опасна как с точки зрения воздействия на человека ввиду возможного возникновения резонанса, так и ввиду возможного разрушения соединений трубопроводов и аппаратов.
Основными документами, в которых изложены отечественные нормы по шуму, являются:
- ГОСТ 12.1.003-83* "ССБТ. Шум. Общие требования безопасности”;
- СН 2.2.4./2.1.8.562-96 "Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий, на территории жилой застройки";
- СНиП 23-03-2003 "Защита от шума" и др.
В отечественных нормах нормируются как уровни звукового давления, дБ, в октавных уровнях со среднегеометрическими частотами 31,5, 63, 125, 250, 500,
28
1000, 2000, 4000 и 8000 Гц, так и эквивалентные уровни звука в дБА. Согласно приведённым в этих документах нормативным значениям, норма шума на рабочем месте составляет 80 дБА, норма шума на территории жилой застройки в дневное время 60 дБА, норма шума в жилых помещениях и спальных помещениях квартир ночью составляет 30 дБ А.
Основными документами, устанавливающими допустимые значения вибрации, являются:
- СН 2.2.4/2.1.8.566-96 Санитарные нормы. Производственная вибрации вибрация в помещениях жилых и общественных зданий.
- МСанПиН 001-96 "Межгосударственные санитарные правила и нормы. Санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях.
- СанПиН 2.2.2.540-96 "Санитарные правила и нормы. Гигиенические требования к ручным инструментам и организации работы.
При гигиенической оценке вибраций нормируемыми параметрами являются средние квадратичные значения виброскорости V и их логарифмические уровни Д, или виброускорения для локальных вибраций в октавных полосах
частот, а для общей вибрации - в октавных или третьоктавных полосах. Допускается интегральная оценка вибрации во всем частотном диапазоне нормируемого параметра, а также по дозе вибрации О с учетом времени воздействия. При оценке вибрации технологического оборудования нормируемыми характеристиками являются также виброперемещения и их амплитуды.
1.3. Анализ энергетических установок как источников низкочастотного звука и вибрации и их вклада в процессы шумообразования в городских условиях.
1.3.1. Основные виды звука энергетических установок.
В зависимости от физической природы образования можно выделить звук энергетических установок механического, аэродинамического,
29
электромагнитного и гидромеханического происхождения [8]. На рис. 1.7 показаны спектры шума некоторых энергетических установок и машин [147], из которого видно, что в низкочастотном диапазоне наиболее интенсивно воздействуют шумы аэродинамического происхождения (впуска и выпуска ДВС, вентиляционный), хотя характер спектра аэродинамического шума довольно сложный.
Рис. 1.7. Спектры уровней звукового давления некоторых антропогенных источников: 1 - выпуск ДВС; 2 - корпус ДВС; 3 - гидронасос; 4 - вентилятор; 5
- трансмиссия; 6 - всасывание ДВС
Причинами аэродинамического шума являются:
• периодический выпуск газа в атмосферу; этот шум называется сиренным (объёмным), так как типичным примером его возникновения является сирена; механизм этого шума также характерен для воздуходувок, пневматических двигателей, компрессоров, выпуска и впуска ДВС;
• возникновение вихрей и неоднородностей потока у его твёрдых границ, этот шум называется вихревым и характерен для вентиляторов, турбовоздуходувок, турбокомпрессоров, воздуховодов;
• возникновение отрывистых течений, которые приводят к пульсации давления (силовой шум); возникает в фасонных деталях воздуховодов (тройниках, изменениях сечения, дроссель-клапанах и т. д.);
• перемешивание потоков, движущихся с разными скоростями (шум свободной струи) вдали от твёрдых границ, вызывающее турбулентный шум, который преобладает в шуме выброса сжатого воздуха в реактивных струях.
63 125 250 500 1000 2000 4000 Г, Гц
30
Возбуждение механического шума носит ударный характер, и в излучающих системах может возбуждаться весь спектр их собственных частот.
Интенсивность излучения и характер излучаемого спектра зависят от массы соударяющихся деталей, скорости соударения (скорости вращения, качения и пр.), модуля упругости этих деталей, площади излучения. Например, звуковая мощность (Вт), излучаемая бесконечной пластиной, определяется по формуле:
№ =р-С'5^2 -у, (1.2)
где р - плотность среды, в которую излучается звук, кг/м ; с - скорость звука в этой среде, м/с;
5 - площадь пластины, м2; у - скорость на её поверхности, м/с;
у - коэффициент излучения пластины (у=1 приблизительно при />~^,
где / - средний размер излучателя, м).
Однако при значительных скоростях движения (соударения) спектр механического шума в основном является высокочастотным (рис. 1.7).
Шумы электромагнитного и гидромеханического происхождения носят в основном средне- и высокочастотный характер.
Особенностью энергетических установок как источников шума является то, что шум носит смешанный характер. Например, шум вентиляторов состоит как из механического, так и аэродинамического шума, который является преобладающим.
1.3.2. Анализ генерации шума и вибрации автомобильным транспортом.
Шум автомобилей зависит от типа и класса автомобиля (легковой, грузовой, автобус и т. д.); скорости движения; типа привода (бензиновый, дизельный, электрический); технического состояния (износ, характер регулирования двигателя и т. д.); характера движения (с ускорением, замедлением или постоянной скоростью); года выпуска; количества и качества мер по снижению шума.
31
Шум автомобиля после срока эксплуатации в несколько лет возрастает на 2-5 дБА и более, поэтому необходимо не только проектирование малошумных автомобилей, но и внедрение комплекса мероприятий по снижению шума уже эксплуатирующихся автомобилей.
Основными источниками шума автомобилей являются:
силовая установка - двигатель (корпус двигателя, системы впуска и выпуска двигателя, процесс сгорания, кривошипно-шатунный механизм, шум механизма газораспределения);
топливоподающая аппаратура; вентилятор системы охлаждения двигателя; трансмиссия (коробка передач и задний мост); шины (при движении); корпус автомобиля; вспомогательное оборудование.
Вклад каждого из перечисленных источников зависит от типа автомобиля, режима движения, эффективности применяемых шумозащитных средств. Для легковых автомобилей, по данным ОАО "АВТОВАЗ", наиболее мощными источниками шума являются корпус двигателя, система выпуска отработанных газов (шум выпуска), система подачи воздуха в цилиндры двигателя (шум впуска) и вентилятор системы охлаждения двигателя. Остальные источники значительно слабее.
Зависимость шума автомобилей от скорости движения и передачи носит сложный характер. При малых скоростях движения (менее 50 км/час) основным источником шума автомобиля является двигатель, а характеристики шума автомобилей в меньшей степени зависят от скорости движения. Наиболее шумные - грузовые автомобили с дизельным приводом большой (более 150 кВт) мощности.
Шум двигателей внутреннего сгорания в зависимости от природы образования и характера излучения в широком плане можно разделить на две составляющие:
32
а) поверхностный (структурный) шум, обусловленный вибрацией поверхности двигателя;
б) аэродинамический шум, вызванный излучением на срезах воздухозаборного и выхлопного патрубков, а также излучаемый лопатками крыльчатки вентилятора системы охлаждения.
Корпус двигателя - основной источник как внешнего, так и внутреннего шума автомобилей. Он генерируется механическими соударениями деталей (механический шум) и процессами сгорания (шум сгорания), а затем излучается внешними поверхностями двигателя. Шум сгорания в дизелях, устанавливаемых на грузовые автомобили, выше, чем в карбюраторных двигателях, и проявляется при невысоких частотах вращения коленчатого вала двигателя. С увеличением частоты вращения превалирующим становится механический шум, вызываемый соударениями в деталях двигателя, в основном перекладкой поршня в цилиндре. Основное влияние на корпусный шум оказывает скоростной режим. При увеличении частоты вращения шум двигателя возрастает на 1,0 - 1,5 дБА на каждые 100 об/мин. Увеличение нагрузки вызывает увеличение уровня звука (в основном на высоких частотах) на 3-4 дБ А для дизелей и на 8-10 дБ А для карбюраторных двигателей.
Снижение шума автомобильных двигателей достигается применением материалов с повышенными вибродемпфирующими свойствами, увеличением жёсткости картерных деталей и блока цилиндров, использованием виброизолирующих прокладок в местах установки поддона. Этими мерами шум корпуса двигателя может быть снижен на 6-10 дБ А.
Шум вентилятора системы охлаждения проявляется во внутреннем и внешнем шуме автомобиля на средних частотах (200-800 Гц). Шум вентилятора генерируется вследствие периодических возмущений среды вращающимися лопастями, а также аэродинамических возмущений воздушного потока при его набегании на твёрдую преграду, и зависит от скорости вращения (основной фактор), диаметра и числа лопастей. Снижение шума вентиляторов (на 5-10
зз
дБА) достигается увеличением числа лопастей, изготовлением их из неметаллических материалов, снижением частоты вращения.
Шум выпуска, если на последнем не установлен глушитель, намного (на 10-15 дБА) превосходит шум других источников, поэтому необходима разработка эффективных конструкций глушителей. Уровни звука незаглушенного шума выпуска автомобильного ДВС достигают 120-130 дБА и в десятки раз превосходят мощности остальных источников шума.
Для автомобильного ДВС процесс выпуска отработавших газов - это наиболее интенсивный источник шума. Мощность и спектральный состав акустического излучения процесса выпуска характеризуются высокими значениями, при этом основная доля акустической энергии располагается в наиболее акустически неблагоприятной зоне спектра звуковых волн. При перемещении волн вдоль трубопровода происходит их последовательное затухание, связанное с затратой энергии на трение. Результирующий колебательный процесс определяется суммированием прямых и отражённых волн, образующихся при выпуске газа из всех цилиндров двигателя.
Механизмы образования шума выпуска достаточно сложны. Наиболее мощным источником шума на выпуске является периодический характер наполнения цилиндров и возникающие в связи с этим колебания скорости и давления в выпускной трубе. Этот механизм образования аэродинамического шума называют объемным. Он также является основным в образовании шума в системе подачи воздуха в цилиндры двигателя и в системе подачи вторичного воздуха в выпускной коллектор двигателя.
Интенсивный шум в системе выпуска создается также при вихревом обтекании сверхзвуковым потоком элементов выпускных клапанов. Срывающиеся с кромок клапана вихри порождают импульсы давления, следующие с периодичностью, определяемой как цикличностью работы двигателя, так и скоростями газа и геометрией клапана.
34
В отличие от объемного этот механизм образования шума называют вихревым. Для вихревого шума характерны сравнительно высокие частоты с числами Струхаля
® = (1.3)
где / - частота вихревого шума;
d - характерный размер обтекаемого элемента (величина щели у клапана, диаметр трубы и т.п.);
V - скорость газового потока.
Вихревой шум возникает также при обтекании потоком выхлопных газов коллектора, элементов глушителей, турбины и др. Интенсивным источником высокочастотного шума является турбина в двигателях с турбонаддувом. Определенную роль в образовании шума выпуска играют также шум струи, вытекающей из выпускной трубы, шум турбулентного пограничного слоя и др.
Для удобства анализа и расчета шума выпуска систему выпуска условно разделяют на три основные части: источники (цилиндры), излучатель (выпускное отверстие) и собственно систему (включая коллектор и глушитель). Иногда в источник включают и выпускной коллектор [8, 10, 158]. Цилиндры двигателя с выпускными клапанами обычно описываются идеальным
источником переменного массового расхода. Спектр шума выпуска
определяется разложением зависимости в ряд Фурье по отдельным гармоникам, частоты которых определяются как
/«=«/. (1-4)
где /и = 1, 2, 3... - номер гармоники;
, (1.5)
1 Т ЗОг
где f - основная частота процесса выпуска;
п - частота вращения коленчатого вала двигателя (об/с); т - тактность двигателя.
35
Амплитуды отдельных гармоник шума выпуска определены, например, в работах [8, 158, 180]. Отдельные гармоники возбуждают в присоединенных к цилиндрам трубам коллектора звуковые волны ат, амплитуды которых определяются амплитудами тт и проходными сечениями труб. Вместо характеристики т„, на отдельных гармониках можно использовать характеристику а^ш, определяющую амплитуду волны, излучаемой цилиндром в бесконечную трубу (или, например, Р^„ - энергию этой волны).
Попадая на разветвления труб (тройники) и на глушители волны af частично отражаются (волна &,), и частично проходят через эти элементы (волна Ь2). Волна Ь} и Ь2, в свою очередь, вновь отражаются от других элементов системы выпуска. В результате в системе создается сложная интерференционная картина, состоящая из стоячих и бегущих по трубам волн. Волны, доходящие до среза выпускной трубы, частично от него отражаются, часть их энергии теряется на вихреобразование, а часть излучается в виде шума. Отражение определятся коэффициентом отражения (Г,ш) от источника
(1.7)
(1.6)
где S^r - коэффициент излучения энергии падающих (а) волн
P,wi=0 + m)7F^,
Pl'Cy
P„al - энергия падающих волн (Вт); ат = а"/г - среднеквадратичное значение их амплитуды (Н/м2);
(1.8)
^ - площадь трубы; ргсг - волновое сопротивление газа в трубе; рг - плотность газа в трубе;
су - скорость звука;
36
M = yc - число Маха (отношение скорости газа к скорости звука).
Интенсивность акустического излучения в процессе газообмена определяется как параметрами рабочего процесса, так и особенностями конструкции автомобильного ДВС. В частности, на характеристики шума влияют плотность газа на выпуске рвш, противодавление среды Рпр, в которую
происходит истечение, и температура отработавших газов.
Суммарная акустическая мощность процесса выпуска W (Вт) определяется как [159]:
W = Wllu„+Wt:(1.9) где fVuull - мощность шума возбуждаемого импульсом давления;
WK - мощность шума от обтекания элементов клапана;
WQiip - мощность шума газовой струи.
Под шумом впуска автомобильных ДВС понимается звуковое излучение аэродинамического происхождения, возникающее в процессе заполнения цилиндров свежим зарядом. Составляющие шума впуска обусловлены следующими основными причинами [1, 3, 143, 144, 147, 158, 189, 191, 192, 198]:
а) импульсами давления, распространяющимися по впускной системе с момента открытия до закрытия впускного клапана вследствие возвратнопоступательного движения поршня;
б) "вихревым” шумом, образующимся в результате прохождения топливовоздушной смеси по впускному тракту и обтекания различных неоднородностей типа заслонок карбюратора, клапана и др.;
в) шумом "пограничного" слоя, возникающим из-за турбулентных процессов при трении потока о стенки впускного тракта.
Дополнительно излучение шума впуска сопровождается:
а) вибрационным (структурным) шумом, излучаемым стенками впускного тракта [143];
б) выпускным шумом (от системы выпуска), попадающим во впускной тракт вследствие процесса перекрытия клапанов [1, 158];
37
в) резонансным излучением на собственных частотах впускной системы.
Возникновение шума впуска происходит в процессе открытия и закрытия впускного клапана вследствие перепада давлений между полостью цилиндра и атмосферой, который возбуждает столб воздуха, заключенный во впускном тракте. Возбуждение приводит к процессу свободных затухающих колебаний этого столба воздуха с относительно малым декрементом [141, 147, 158]. Пульсации давления осуществляются с частотой рабочего процесса двигателя и обуславливают низкочастотный диапазон шумового излучения [1, 3, 8, 10, 143, 144, 147, 158, 159, 192]. При этом частота работы двигателя определяется по формуле
г п • /
/ = ^, (1.10)
где п - число оборотов коленчатого вала двигателя в минуту;
/ - число цилиндров;
г - показатель тактности двигателя (г = 2 для четырехтактных двигателей).
"Вихревой" шум и шум "пограничного" слоя определяются скоростью движения воздушного потока по тракту и формой обтекаемого тела, и формируют высокочастотный диапазон шумового излучения [1,10, 143, 158].
Шум, излучаемый системой впуска двигателя легкового автомобиля, вносит существенный вклад в формирование внешнего шума [1, 3, 10, 147, 158]. Так, исследования, проведенные для автомобилей ВАЗ [10], показали, что в ряде случаев система впуска является вторым по значимости после двигателя источником внешнего шума легкового автомобиля. При этом величина вклада шума впуска в формирование общего уровня внешнего шума напрямую зависит от режима работы двигателя. Например, в работе [158] показывается, что уровень шума впуска легкового автомобиля возрастает пропорционально углу открытия дроссельной заслонки. Заметим, что увеличение шума впуска с ростом нагрузки является характерным для карбюраторных ДВС, в то время
38
как у дизелей, как показал C.1I. Ежов [143], при возрастании нагрузки от холостого хода до 100% наблюдается незначительное падение уровня на 1-2 дБ.
Отметим также, что излучение шума впуска носит преимущественно низкочастотный характер. Это подтверждают, в частности, исследования Л.Л. Вайнштейна [10], показавшего на примере двигателя ВАЗ, что суммарный уровень низкочастотных составляющих шума впуска на 28 дБ выше уровня высокочастотных составляющих. На необходимость первоочередного
подавления низкочастотных составляющих шума системы впуска указывается и в работе [158]. Излучение шума впуска осуществляется, как правило, срезом (срезами) воздухозаборного патрубка воздухоочистителя. Как показали эксперименты [147, 158 и др.], в низкочастотном диапазоне срез впускного патрубка можно считать точечным источником шума.
Шум впуска производится как при открытии, так и при закрытии впускного клапана. При открытии давление в цилиндре обычно превышает атмосферное, и резкий положительный импульс приводит воздух во впускном канале в состояние колебания с собственной частотой воздушного столба. Это колебание быстро затухает в результате изменения объема, вызванного движением поршня вниз. Закрытие впускного клапана вызывает аналогичные колебания, которые являются относительно незатухающими. В работе [158] отмечается, что в практических условиях эксплуатации впускной шум не глушится полностью, а на некоторых видах транспорта он является преобладающим источником шума.
Механизм генерации шума во впускной системе в основном схож с генерацией шума выпуска, однако изменение давления в процессе впуска не столь велико. В традиционном анализе впускного шума двигателя цилиндры двигателя принимаются за идеальные источники постоянного потока в не зависящей от времени впускной системе. Более совершенный подход -рассмотрение цилиндра как изменяющегося во времени объема во впускной системе. Временная функция - это функция объема внутри цилиндра в период открытого положения впускного клапана и ноль - в остальное время.
39
К источникам шума шин относятся: аэродинамический шум вращения колеса и шины, шум от вибрации поверхности шины и взаимодействия с дорожным покрытием, а также колебания давления в элементах протектора.
На шум шины влияет состояние дорожного покрытия. Наличие влаги на покрытии увеличивает шум шин до 10 дБА. Изготовление дорожного покрытия с хорошими звукопоглощающими свойствами снижает шум шин на 2-4 дБА.
Основными источниками внутреннего шума автотранспортных средств можно считать двигатель и трансмиссию. При этом работа зубчатых передач (КПП, заднего моста), вентилятора и других агрегатов не влияет существенно на общий уровень внутреннего шума, но проявляется в высокочастотной области его спектра. В ряде работ показана взаимосвязь изгибных колебаний силового агрегата и трансмиссии с вибрациями и шумом, а также влияние на акустическую характеристику автомобиля резонансных свойств салона кузова.
Внутренний шум автотранспортных средств в широком плане можно классифицировать на передаваемый по воздуху и структурный. Иначе говоря, внутренний шум автомобиля (£„,) определяется энергетическим суммированием составляющих Ьтр (структурной) и Ьа (воздушной):
1ет=К%(10°^ + 10°-1'*). (1.11)
Источниками воздушного шума являются корпус двигателя, процессы впуска и выпуска воздуха, вентилятор системы охлаждения двигателя, трансмиссия, обтекание воздухом корпуса автомобиля - при высоких скоростях движения. Источниками структурного шума являются двигатель и трансмиссия, совершающие периодические колебания, и кинематическое возбуждение автомобиля при движении, имеющее случайный характер.
Некоторые исследователи воздушную составляющую внутреннего шума не учитывают, что приводит к тому, что теоретические расчеты находятся в недостаточном соответствии с экспериментальными результатами.
40
РОССИЙСКАЯ I ГОСУДАРСТ В ЕН ИАЯ
_БИБЛИ01|ека
Рассматривая процессы образования воздушного шума в кабине автомобиля, следует отметить, что воздушная составляющая складывается несколькими путями:
I' = 10^(ю01А“я +10<ш” + ч-Ю0,14*“ +10°'|£”' + Ю0,11—), (1.12)
где 1шр - шум в кабине, возникающий в результате отражения звука от
внутренних поверхностей;
4,,, 4™, ' вклаД корпуса двигателя, трансмиссии, выпуска,
впуска и вентилятора соответственно.
Особенность распространения звука по наружным ограждениям кабины автотранспортного средства от внешнего источника состоит в затухании и дифрагировании звука по наружным ограждающим конструкциям. Учитывая, что кабины имеют неравномерную звукоизоляцию ограждающих конструкций (стен, потолка), а также наличие в этих конструкциях открытых проемов, щелей, отверстий, нельзя ограничиваться расчетом только проникновения звука через близкорасположенную к источнику конструкцию. Необходимо также учитывать, что звуковая энергия от точечных источников шума (к которым можно отнести шумы, излучаемые свободными срезами воздухозаборного патрубка и выпускной трубы) неравномерно распределяется по элементам кабины автомобиля. Однако в легковых автомобилях с пониженной шумностью, микроавтобусах и грузопассажирских автомобилях, где устанавливается кузов небольшой массы, вклад звуковой вибрации ограждающих конструкций - стен, пола, перегородок, крыши (структурная составляющая) преобладает над вкладом воздушного шума и в спектре таких машин имеется низкочастотная составляющая (рис. 1.8). Особенно высок структурный шум в автомобилях, где применяются неуравновешенные поршневые двигатели с числом цилиндров четыре и менее, а также устанавливаются несущие кузова малой массы.
Структурный низкочастотный шум является источником акустического дискомфорта в пассажирском салоне автотранспортного средства. Для салонов
41
легковых автомобилей отмечается наличие инфразвуковых колебаний (ниже 20 Гц) высокой интенсивности (100-110 дБ), вызываемых поршневым движением менее жёсткого элемента ограждения (например, крыши). На более высоких частотах (в двух первых нормируемых полосах частот 31,5 и 63 Гц) проявляются первые формы колебаний элементов ограждающих конструкций.
В значительной мере структурный шум обусловлен вибрацией, передающейся от двигателя через опоры на переднюю панель. Общий уровень структурного шума зависит также от характеристик подвески автомобиля.
31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 I Гц
Рис. 1.8. Внутренний шум легковых автомобилей (100 км/ч прямая передача) с рабочим объёмом цилиндров двигателя 2500 см3 (1) и 1500 см3 (2)
Природа структурного шума автотранспортных средств:
- периодические колебания двигателя и трансмиссии;
- кинематическое возбуждение автомобиля при его движении по дороге.
В общем случае можно принять, что звуковое поле в автомобиле в области низких частот (примерно до 60 Гц) является близким к однородному, и поэтому здесь можно применять энергетическое суммирование [147,189].
Изучение структурного шума автотранспортных средств тесно связано с вибрацией. Анализ пространственной вибрации позволяет выявить частотные диапазоны колебаний отдельных подсистем автомобиля. В грузовом автомобиле при частотах 1-3 Гц возбуждаются колебания подрессоренной массы, 6-20 Гц - колебания силового агрегата, кабины, мостов (как твердых
42
тел). При частоте 7-11 Гц проявляются первые формы изгибных и крутильных колебаний рамы длиннобазного грузового автомобиля. При частотах свыше 30 Гц проявляются формы изгибных колебаний рамы грузового автомобиля с большим числом узлов и пучностей. На легковом автомобиле при частотах 25-30 Гц проявляются первые формы изгибных и крутильных колебаний кузова, собственные колебания рулевого колеса и др. С точки зрения вибропрочности автомобиля наиболее опасны вибрации до 40 Гц.
Наибольшая звуковая энергия в спектре внутреннего шума сосредоточена в области инфразвуковых и низких звуковых частот и вызывается кинематическим возбуждением автомобиля. Так, в работах [189, 190] описан механизм генерации вибрации на сиденьях автомобилей. В выступлении проф.
В. Е. Тольского на международном симпозиуме "Шум и вибрация на транспорте", июнь 2004 г., г. Санкт-Петербург, отмечалось, что для автомобилей марки "КамАЗ" наблюдается возникновение значительных изгибных колебаний первой формы для рамы на частоте 5,25 Гц. В результате вибрация на сиденье оказывается очень высокой, вызывая значительный дискомфорт у водителей.
Основными источниками вибрации автомобильного транспорта являются колебания силового агрегата (двигателя) и колебания кузова автомобиля. Показатели плавности хода автотранспортного средства определяются на основе анализа виброускорений, действующих на водителя, пассажиров и подрессоренную часть автомобиля. Измерение вертикальных и горизонтальных (продольных и поперечных) виброускорений в месте посадки водителя производится с использованием промежуточной опорной плиты.
Исследуем особенности распространения низкочастотного звука автомобильных ДВС в окружающей среде. В качестве примера рассмотрим 1/3-октавный спектр уровня звукового давления двигателей ВАЗ (внешняя скоростная характеристика), измеренный в 0,06 м (ВАЗ 2111) и 0,10 м (ВАЗ 2103) от среза воздухозаборника (рис. 1.9). Из рис. 1.9 видно, что для двигателя ВАЗ 2103 значение уровня звукового давления на частоте 40 Гц составляет 115
43
дБ, на частоте 300 Гц - 100 дБ, а для двигателя ВАЗ 2111 на частоте 200 Гц -112 дБ. В ряде работ показано, что уровень звукового давления спадает на 6 дБ при удвоении расстояния /• от источника (201§2 = 6) за счет геометрического расширения области, в которую распространяется звуковая энергия [8 и др.]. Рассчитаем изменение уровня звукового давления основной частоты двигателей ВАЗ 2103 и ВАЗ 2112 в зависимости от расстояния от источника излучения. Результаты расчетов приведены в табл. 1.3 и 1.4. В прил. 1 приведены третьоктавные спектры внешнего шума для других марок автомобилей ВАЗ и зарубежных автомобилей. Для всех случаев наблюдаются интенсивные уровни звукового давления на основной частоте.
К
м
.. у
■ А ! • / 1
••
/
■/ \
\ / V
5Т
—і------------------1 г- Ь 4 і 4 1 * \ I -4-4-►
31.5 і.? 125 250 5011 ІКІ'ц
— п 160С об/мин ВАЗ 2112
г 550С об/мин ВАЗ 2112
- 560Соб;.уин ВАЗ 2103
Рис. 1.9. 1/3-октавный спектр уровня звукового давления двигателей ВАЗ (внешняя скоростная характеристика), измеренный в 0,06 м (ВАЗ 2112) и 0,10 м
(ВАЗ 2103) от среза воздухозаборника
44
Таблица 1.3
Расчет изменения уровня звукового давления на частотах 31,5 Гц и 250 Гц работы двигателя ВАЗ 2103 в зависимости от расстояния от источника излучения ___________________________________________________________
Расстояние от источника звука, м 0,10 м 0,20 м 0,40 м 0,80 м 1,60 м 3,20 м 6,40 м 12,8 м 25,6 м
Гр для Ї = 115 дБ 109 103 97 91 85 79 72 66
31,5 Гц, дБ (исход- ный уровень) дБ дБ дБ дБ дБ дБ дБ дБ
Ьр для Ї = 100 дБ 94 88 82 76 70 64 58 52
250 Гц, дБ (исход- ный уровень) ДБ ДБ дБ дБ дБ дБ дБ ДБ
Таблица 1.4
Расчет изменения уровня звукового давления на частоте 160 Гц работы двигателя ВАЗ 2112 (п = 5600 об/мин) в зависимости от расстояния от источника излучения ____________^ ______
Расстояние от источника звука, м 0,06 м 0,12 м 0,24 м оо Ч 3 о 0,96 м 1,92 м 3,84 м 7,68 м 15,36 м
Уровень низкочастотного звука, дБ 112 дБ (исходный уровень) 106 ДБ 100 ДБ 94 ДБ 88 ДБ 82 дБ 76 дБ 70 ДБ 64 дБ
Сопоставление рассчитанных изменений значений уровней звукового давления двигателей ВАЗ и их корректированных значений (по нормировочным кривым шума 180 (рис. 1.6) или с учетом поправки Мл при коррекции А) показывает, что на расстояниях 15 м от источника звука до жилого дома (а в некоторых случаях и более) установленные гигиенические требования к шуму не соблюдаются для различных режимов работы двигателя. При этом наиболее интенсивное воздействие низкочастотного шума от ДВС наблюдается в том случае, когда двигатель работает на низких оборотах (что
45
характерно для городского цикла). Если учесть, что во многих городах жилые дома расположены очень близко к транспортным магистралям и другим источникам антропогенного шума (например, в г. Тольятти подобная картина наблюдается на улицах К. Маркса, А. Матросова, Комсомольской, Победы и др.) и требования к санитарно-защитным зонам не выдерживаются, то автомобильные ДВС являются интенсивным источником низкочастотного звука, превышающего гигиенические требования. Крайне серьезной является также проблема воздействия низкочастотного звука автомобильного транспорта на пешеходов.
Вывод: низкочастотный звук и вибрация автомобильных ДВС представляют существенную опасность для человека и окружающей среды. Наибольший вклад в формирование низкочастотного звука ДВС вносят системы впуска и выпуска, а в формирование вибрации - колебания силового агрегата (ДВС).
1.3.3. Транспортные потоки как источники шума урбанизированных территорий.
Степень воздействия внешних источников шума на городских жителей зависит от множества факторов: взаимного расположения источников и жилой застройки, интенсивности и состава движущихся транспортных потоков и пр. Процент этих воздействий для каждого города различен. Например, в Риме 75% акустического загрязнения вносит автомобильный транспорт, 8% -железнодорожный, 5% - промышленные объекты, а 12% - авиатранспорт, строительство и другие источники. Однако в целом для крупного промышленного города основным нарушителем акустического благополучия городов является автомобильный транспорт [2, 3, 9, 10, 130, 144, 146, 147, 158, 174, 193, 315, 382], создающий 60-80% от общей доли шумов в жилой застройке. Наличие значительного автотранспортного парка в крупных зарубежных и российских городах приводит к плотным транспортным потокам,
46
оказывающим интенсивное акустическое воздействие на селитебную территорию.
Рис. 1.10. Аппроксимированные среднемаксимальные 1/3-октавные спектры шума транспортных потоков (на расстоянии 7,5 м) как функция интенсивности
движения: 250-8000 авт
Транспортный шум на примагистральных территориях стойко держится 15-18 и более часов в сутки. Шумовой характеристикой потоков наземных транспортных средств является эквивалентный уровень звука LAw> дБА, измеренный на расстоянии 7,5 м от оси первой полосы движения. Из рис. 1.10 видно, что спектры шума транспортных потоков носят ярко выраженный низкочастотный характер [147].
Исследования, осуществленные в Московском автомобильно-дорожном институте [3, 143, 158, 159], позволили установить, что значительный вклад в общую звуковую мощность транспортного шума на улицах Москвы вносят легковые автомобили.
Транспорт в городских условиях является и главным источником вибрации. Вибрационные поля, формируемые различными видами транспорта, создают существенную вибрационную нагрузку не только на людей, но также и на здания, наземные и подземные инженерные сооружения, покрытия дорог.
47
Основными источниками транспортной вибрации являются наземный общественный транспорт (прежде всего трамваи, а также автобусы и троллейбусы) и грузовой автомобильный. Плохое состояние городских дорог и устаревший парк трамвайных вагонов приводит к многократному увеличению вибрационной нагрузки на жителей города и его сооружения.
1.3.4. Шум и вибрация, генерируемые вентиляционными установками.
Источниками шума вентиляторов являются любые колебательные явления, возникающие при их работе.
Шум вентиляторов обычно распространяется следующими путями:
а) - через воздухозаборное устройство воздуховода всасывания (путь 1);
б) - через выбросное устройство воздуховода нагнетания (путь 2);
в) - через корпус радиального вентилятора (путь 3) и выбросное или воздухозаборное устройства (пути 2 и 1).
Возможно также излучение шума открытым входным или выходным патрубками радиального вентилятора и осевым вентилятором непосредственно в атмосферу. Шум вентиляционных установок часто превышает допустимые уровни в широком диапазоне частот. Серьезную проблему представляет воздействие тональных составляющих шума вентиляторов, лежащих преимущественно в низкочастотном диапазоне спектра шума [8].
Для осевых вентиляторов уровни шума на всасывании и нагнетании ввиду симметрии потока могут быть приняты одинаковыми. Уровень шума электродвигателя, клиноременного привода и подшипников при их исправном состоянии значительно ниже шума вентилятора и его можно не учитывать.
При работе радиального вентилятора с открытым входным или выходным патрубками к излучаемому из них шуму добавляется шум, излучаемый через корпус. Суммарный уровень шума находят по правилу сложения уровней.
Аэродинамический шум вентилятора возникает при обтекании потоком лопаток колеса и состоит из вихревого шума и шума неоднородности потока. Этот шум имеет основную частоту:
48
(1.13)
где - число Струхаля (8И = 0,2);
ин - скорость потока в вентиляторе, м/с;
(1а - размер обтекаемого тела, м.
Вихреобразование за лопатками вентилятора зависит от обтекаемости тела и угла атаки между направлением потока и телом. Чем хуже обтекается тело, тем интенсивнее происходит вихреобразование. При этом вихри образуются как на лопатках, так и на стенках каналов при движении по ним воздушного потока.
Звуковая мощность (Вт), излучаемая колесом вентилятора, определяется следующим образом:
где х “ коэффициент, учитывающий обтекаемость элементов конструкции вентилятора;
р - плотность воздуха, кг/м3;
с - скорость звука, м/с;
и - окружная скорость вентилятора, м/с;
О - диаметр колеса, м.
Уровень звуковой мощности (дБ) центробежных и осевых вентиляторов определяется по формуле:
где V - критерий шумности вентилятора, дБ, являющийся характеристикой акустических качеств (получен для основных типов вентиляторов и приводится в справочниках, //=14-г50);
1ж=Г+251ё# + 101ё£-7,
(1.15)
'У
Н - полное давление, развиваемое вентилятором, Н/м ;
0. - производительность вентилятора, м /с.
49
Вибрация вентиляционных установок может быть весьма интенсивной при прохождении потока газовоздушной смеси по газоводу ввиду пульсаций давления газа.
1.3.5. Шум и вибрация компрессорных установок.
Компрессорные установки являются интенсивными источниками вибрации на рабочих местах предприятий машиностроения и других отраслей промышленности. Для поршневых компрессоров возбуждение вибраций происходит ввиду пульсирующего характера потока газа в трубопроводах, колебаний корпуса компрессора и фундамента, вызванных переменными силами от движущихся деталей (поршень, клапана, силы от остаточного дисбаланса вращающихся деталей) и др. Кроме того, компрессорные установки являются источниками интенсивного шума как в помещении компрессорной станции, так и на прилежащей территории. Наиболее значительное акустическое загрязнение селитебной территории возникает при всасывании воздуха в компрессор и при выхлопе газа в атмосферу. Шум в жилой застройке, расположенной вблизи компрессорной станции, носит, как правило, низкочастотный характер и превышает допустимые уровни на 7... 18 дБ в нормируемом диапазоне частот. Шум внутри производственного помещения возникает вследствие колебаний корпуса компрессорной установки, дисбаланса вращающихся частей, динамической несоосности агрегатов, от ударов при перекладке поршней, стука клапанов, движения по коммуникациям турбулентного потока газа и т.д.
Уровень звука, излучаемого в окружающую среду поршневым компрессором, тем выше, чем интенсивнее происходят колебательные газодинамические процессы. Снижение интенсивности этих процессов приводит не только к снижению шума. Колебания давления газа, вызываемые периодичностью процессов всасывания и нагнетания, изменяют производительность компрессора, увеличивая или уменьшая ее, повышают потребляемую мощность компрессора, нарушают работу клапанов, вызывают
50
вибрацию трубопроводных систем и связанных с ними узлов и аппаратов. В ряде случаев вибрация трубопроводов приводит к разрушениям элементов конструкций, к авариям, длительным простоям технологических установок. Пульсирующий поток газа вызывает изменение мощности примерно в пределах ± 20%, а производительности компрессора - до ± 10%.
Как отмечают многие авторы [128, 129, 154, 195, 197 и др.], для низкооборотных поршневых компрессоров газовые пульсации в трубопроводах являются основным источником вибрации. Поэтому устранение влияния пульсирующего потока газа на работу поршневого компрессора является эффективным средством снижения шума и вибрации, повышает эффективность эксплуатации компрессора.
С точки зрения акустического загрязнения окружающей среды наибольшие проблемы создает низкочастотный звук, излучаемый при всасывании поршневых низкооборотных компрессоров и при выпуске газа в атмосферу. С точки зрения воздействия на производственное оборудование сильное влияние на его разрушение компрессоров и их трубопроводов оказывают именно низкочастотные вибрации.
1.4. Анализ существующих методов и средств снижения низкочастотного звука и вибрации энергетических установок.
1.4.1. Классификация методов снижения звука и вибрации от антропогенных источников.
В настоящее время классификация методов снижения звука и вибрации является достаточно разветвленной и многообразной. Общая классификация средств и методов защиты от шума содержится в ГОСТ 12.1.029-80 "ССБТ. Средства и методы защиты от шума. Классификация4. В широком плане средства защиты от шума и вибрации можно подразделить на средства индивидуальной и коллективной защиты. Средства индивидуальной защиты от шума (например, противошумные наушники, вкладыши, шлемы) используются
51
персонально и перекрывают основной канал проникновения звука в ухо человека. Индивидуальные средства защиты от вибрации в основном предназначены для уменьшения воздействия локальной вибрации. К ним относятся виброзащитные рукавицы, представляющие устройство с мягкой поролоновой прокладкой. Возможно также использование виброизолирующих рукояток и виброзащитной обуви, предназначенной для снижения общей вибрации. Средства индивидуальной защиты от шума и вибрации используются персонально и не могут заменить использование коллективных средств.
Коллективные средства защиты от шума предназначены и используются для его снижения на рабочих местах, в окружающей среде и в других местах пребывания человека. По отношению к источнику шума все средства коллективной защиты можно подразделить на следующие:
• снижающие шум в источнике образования;
• снижающие шум по пути от источника шума к точке наблюдения или расчётной точке (например, путем установки на пути распространения шума звукозащитных сооружений и звукоизолирующих ограждений).
В свою очередь, снизить шум в источнике можно двумя основными способами: снижением силового воздействия и уменьшением звукоизлучающей способности элементов источника.
Коллективные средства и методы защиты от шума и вибрации классифицируются следующим образом:
1. Архитектурно-планировочные методы:
- рациональные акустические решения планировок производственных помещений и генеральных планов объектов;
- рациональное размещение технологического оборудования;
- рациональное размещение рабочих мест;
- создание шумозащитных зон.
2. Акустические средства:
- средства звукоизоляции;
- средства звукопоглощения;
52
- средства виброизоляции;
- глушители шума.
3. Организационно-технические методы:
- применение малошумных технологических процессов;
-оснащение шумных машин средствами дистанционного управления и
автоматического контроля;
- совершенствование технологии ремонта и обслуживания машин;
- применение малошумных машин, изменение конструктивных элементов машин;
- использование рациональных режимов труда и отдыха.
Автором предложена следующая классификация мероприятий по обеспечению виброакустической безопасности: концептуальные,
политические, экономические, законодательные, организационные, научно-технические, информационные, образовательные и др. [12, 18, 19]. В частности, к законодательным мероприятиям относится принятие государственных законов и правил; к организационным - вынос шумных предприятий за городскую черту, организация рационального движения, проведение профилактического ремонта подвижного состава, ремонт автодорог и др.
При разработке средств защиты от шума и вибрации энергетических установок прежде всего следует выяснить их вид, так как необходимое снижение шума и вибрации можно достигнуть только при правильном выборе этих средств. Необходимость проведения мероприятий по снижению шума, производимого эксплуатируемыми источниками, определяется на основании измерений соответствующих уровней Ь, ЬА91Я9 в сравнении с
допустимыми нормами.
В работе [147] отмечается, что всё многообразие средств защиты от шума (кроме применяемых для снижения шума в источнике образования) основано на очень простых принципах: поглощении звука (звуковой вибрации), отражении или комбинации этих двух принципов, а зависимости от принципа действия методы защиты от шума и звуковой вибрации делятся на следующие:
звукоизоляция, звукопоглощение, виброизоляция, вибропоглощение, глушители шума.
Наиболее распространенным звукозащитным сооружением в городах и на дорогах развитых стран являются акустические экраны, а основным звукоизолирующим ограждением - двойные (или тройные) акустические защищенные окна. Например, в Германии за последнее десятилетие расходы на установку акустических экранов и защитных окон составили более 90% всех расходов на шумозащиту [ 147].
Звукоизоляция широко используется для борьбы с шумом в помещении компрессорной [8, 154, 169]: компрессор укрывается звукоизолирующим кожухом или устанавливается в звукоизолирующий бокс, либо в машинном зале устанавливается звукоизолированная кабина дистанционного управления, в которой находится персонал компрессора.
Широкое использование звукоизолирующих конструкций связано с ее дешевизной, эффективностью в высоко- и среднечастотном диапазоне. Однако для снижения низкочастотного шума использование звукоизолирующих конструкций зачастую недостаточно [13, 154].
1.4.2. Снижение низкочастотного звука и вибрации энергетических установок с помощью глушителей и гасителей пульсаций.
Глушители шума играют важную роль в снижении аэродинамического шума (в основном шума впуска и выпуска) как стационарных, так и передвижных энергетических установок. Глушители должны, с одной стороны, преграждать путь шуму, с другой - оказывать как можно меньшее сопротивление потоку газа, движущемуся по трубопроводу. Для автомобильных ДВС они являются обязательным штатным средством. Широко применяются глушители в системах вентиляции, на всасывании ДВС и компрессоров, в системах выпуска пневмоинструмента и промышленных установок с пневмосистемами, в
54
воздухозаборном и выпускном тракте газотурбинных установок и пр. Насчитываются десятки типов конструкций глушителей шума.
Важной особенностью, определяющей широкое использование глушителей в различных технических системах и инженерных сооружениях, является то, что они могут быть использованы как в системах, где преобладает высокотемпературный высокоскоростной поток (реактивные струи, выпуск ДВС), так и в системах, где поток или очень невелик (системы вентиляции) или отсутствует (конструктивные отверстия, проемы в различных технических системах и сооружениях). Наличие струи вносит существенный, а для струй со скоростями, близкими к числу Маха, решающий вклад в требования к глушителям. Там, где поток струи воздуха невелик или отсутствует, глушитель выполняет роль препятствия или поглотителя звука, проходящего по каналу. В случае наличия струи глушитель выполняет роль системы, снижающей скорость газового или воздушного потока.
В зависимости от характера среды в глушителях их можно условно подразделить на два больших класса, конструкции в каждом из которых имеют принципиальное отличие [147]:
1) собственно глушители (акустические фильтры) - устройства, которые снижают энергию звука путём его отражения, поглощения или интерференции (скорость газового потока не превышает 60 м/с);
2) гасители энергии газового потока (глушители потока газов), обеспечивающие снижение энергии звука путём уменьшения скорости потока, температуры, давления и других параметров потока газа, снижая генерируемую потоком звуковую энергию (скорость газового потока свыше 60 м/с).
Глушители шума подразделяются по принципу действия на диссипативные, реактивные, комбинированные, активные и гибридные.
Наибольшую известность получили диссипативные глушители (трубчатые или пластинчатые), содержащие каналы, облицованные звукопоглощающим материалом. Это глушители абсорбционного типа, где звуковая энергия превращается в тепло в слое звукопоглощающего материала. Внутренняя труба
55
у таких глушителей изготавливается из перфорированного листового материала. Применение таких глушителей ограничено высокой стоимостью набивки, ее засоряемостью и выгоранием в процессе эксплуатации и пр.
Реактивные глушители отражают звук за счет образования "волновой пробки", затрудняющей передачу акустических колебаний [8]. Они делятся на камерные, резонаторные, интерференционные и др. В реактивных глушителях эффект заглушения достигается преимущественно за счет отражения звуковой энергии обратно к источнику.
В комбинированных глушителях используются как свойство звукопоглощения, так и свойство отражения звуковой энергии.
В последнее время все большее применение получают активные глушители шума, принцип действия которых заключается в формировании звукового сигнала той же амплитуды и частоты, что и нежелательный звук, но противоположного по фазе, и гибридные (активно-пассивные). Активные и гибридные глушители шума будут рассмотрены более подробно ниже.
При устройстве глушителей шума любого типа важно, чтобы они не ухудшали работу заглушаемой машины. Используя волны, отраженные от глушителя к машине (“акустический наддув”), можно одновременно с уменьшением шума улучшить рабочие характеристики машины.
Выбор того или иного типа глушителя определяется рядом факторов, и прежде всего характером генерируемого шума. Так, для снижения шума всасывания компрессоров ротационного действия, носящего высокочастотный характер, целесообразно использовать абсорбционные глушители, так как звукопоглощающие материалы наиболее эффективны в высокочастотном диапазоне. Применение этих глушителей во всасывающем тракте поршневых машин будет малоэффективным и неэкономичным ввиду быстрого разрушения звукопоглощающего материала под действием пульсирующего потока газа.
Для снижения средне- и высокочастотного шума целесообразно применять реактивные глушители. Что касается низкочастотных шумов, то здесь использование реактивных глушителей не всегда возможно ввиду
56
необходимых их больших габаритов. Это побудило исследователей к поиску конструкций небольших по габаритам, но достаточно эффективных для подавления низкочастотных составляющих спектра шума. Этим требованиям удовлетворяют конструкции активных и гибридных глушителей.
Разработкой и исследованием глушителей шума в газоводах поршневых машин занимались многие ученые. Значительный вклад в расчет и проектирование глушителей низкочастотного шума внесли Е.Я. Юдин, Н.И. Иванов, Р.Н. Старобинский, Б.Д. Тартаковский, Г. Мартин, Дж. Салливан и другие ученые, в исследование процессов шумообразования и снижение уровня низкочастотного излучения на впуске поршневых двигателей внутреннего сгорания - В.Н. Луканин, В.Е. Тольский, И.В. Алексеев, и др.; в исследование процессов пульсаций давления газа в трубопроводах поршневых компрессоров и разработку низкочастотных гасителей пульсаций - В.М. Писаревский, A.C. Владиславлев, С.А. Хачатурян, Ю.А. Видякин и др.
Уровень вибрации трубопроводов энергетических установок тем выше, чем интенсивнее проходят колебательные газодинамические процессы. Снижение интенсивности этих процессов определяющим образом влияет на общее снижение шума и вибрации. Гасители колебаний давления газа, или иначе гасители газовых пульсаций, представляющие собой, как правило, систему расширительных камер, связанных между собой соединительными трубками, являются, таким образом, одним из наиболее эффективных средств для снижения вибрации в газоводах энергетических установок.
Одним из наиболее изученных и широко используемых типов гасителей пульсации давления является пустотелый камерный гаситель, или буферная емкость. Объем, конструкция и место установки емкости в системе выбираются таким образом, чтобы, сдвинув спектр собственных частот колебаний давления газа, не допустить возникновения резонансных колебаний. Уменьшение амплитуды давления в системе происходит также за счет рассеивания энергии колебаний на возбуждение массы газа в объеме гасителя. Кроме того,
57
пустотелый гаситель можно рассматривать и как фильтр, характеризующийся периодически повторяющимися по частоте полосами гашения и пропускания.
Комбинированный гаситель состоит из ряда расширительных камер, сообщающихся между собой посредством прямолинейных труб. Он является фильтром, характеризуемым четко дискретным спектром частот пропускания и гашения. Каждая из расширительных камер работает и как буферная емкость, поэтому часть энергии колебаний расходуется на возбуждение колебаний массы газа в объеме камер. Комбинированные гасители по сравнению с буферными емкостями более эффективны для гашения низких частот при одинаковых объемах, однако отличаются большей сложностью конструкции.
Другой тип гасителей пульсаций давления представляет плоская диафрагма. Ее действие также основано на рассеивании энергии колебаний и сдвиге собственных частот колебаний газа. Установка диафрагмы создает в системе дополнительное сосредоточенное активное сопротивление, величина которого определяется амплитудой динамической скорости. Поэтому максимальный эффект будет получен при установке диафрагмы в узле давления с максимальной динамической скоростью. Применение диафрагмы как гасителя колебаний давления вызывает не только уменьшение амплитуд пульсации давления газа, но и дополнительные потери статического давления и мощности. Установка диафрагмы оправдана лишь в том случае, когда потери от нее значительно ниже, чем потери от резонансных колебаний.
Весьма распространенным методом гашения пульсаций является использование резонансных гасителей, принцип действия которых основан на том, что при совпадении собственной частоты гасителя с одной из частот, генерируемых компрессором, происходит обмен колебательной энергии между гасителем и потоком газа, что приводит к уменьшению амплитуд колебаний газа на этой частоте. Такие гасители выполняются в виде расширительной камеры, внутри которой проходит основной трубопровод, соединяющийся с камерой рядом радиальных отверстий или трубопроводом с поперечным разрезом. Изменяя число радиальных отверстий, их диаметр или длину
58
соединительной трубки, можно менять характеристики гасителя, не создавая при этом дополнительных потерь давления в системе. Полоса гашения у резонансного гасителя меньше по частоте, чем у соответствующей буферной емкости или комбинированного гасителя, поэтому его используют в основном для случаев совпадения одной или двух гармоник в спектре собственных частот трубопроводной системы и в спектре, генерируемом компрессором.
В основном при расчете резонансных гасителей используется акустический метод, согласно которому при малых амплитудах колебаний и малом затухании импеданс соединительной трубки или отверстия, выполняющих роль инерционного элемента гасителя, считается чисто инерционным. При этом расчет гасителя сводится к определению резонансной частоты. Л.И. Соколинский предложил новый подход к конструированию резонансных гасителей, заключающийся в увеличении плотности инерционного момента [176]. Такой гаситель может быть реализован при помощи поршня, разделяющего объем гасителя на две камеры. Он является резонансным для одной из низких частот и емкостным - для высоких частот.
Для гашения колебаний давления может быть использовано также явление интерференции волн. Если две когерентные волны находятся в одной фазе, то их амплитуды суммируются, если же фазы противоположны, то результирующая колебаний равна разности амплитуд. Данный метод реализуется различными способами, например, путем использования отвода на участке трубопровода. При этом длину отвода выбирают равной нечетному числу полуволн. Акустические волны, проходя различные пути по трубопроводу и отводу, встречаются в конце отвода и взаимно ослабляют друг друга. Для интерференционного гасителя с закрытым концом пульсации максимально ослабляются, если длина отвода равна четверти длины волны. Кольцевые гасители с большим отношением длины к диаметру работают также по принципу интерференции волн, но с более широкой полосой гашения. При интерференции потери энергии отсутствуют - происходит лишь ее перераспределение. В этом принципиальное отличие интерференционного
59
метода гашения от активного метода, где для создания компенсирующего сигнала требуется дополнительная энергия. Однако данный метод имеет существенный недостаток: он эффективен лишь в узкой полосе частот, при распространении чистых тонов и переменных по времени частот. Это практически недостижимо в реальных производственных условиях. Кроме того, в случае длинных волн, возникающих при низкочастотных пульсациях низкооборотных поршневых машин, требуются громоздкие дополнительные трубы или аппараты.
Эти проблемы устранимы при использовании активного метода, где интерференционная картина создается при помощи дополнительного источника звука, излучающего волны необходимой амплитуды и фазы.
1.4.3. Снижение низкочастотного звука и вибрации, генерируемых автомобилями и автомобильными ДВС. Существующие конструкции глушителей шума впуска и выпуска автомобильных ДВС.
Для снижения внешнего шума и вибрации, генерируемых автомобилями, традиционно наиболее эффективны следующие методы:
установка глушителей шума на впуске и выпуске двигателя; улучшение качества изготовления трансмиссии; улучшение качества дорожного покрытия; предотвращение износа шин;
звукоизоляция и звукопоглощение внешних источников шума автомобиля.
Для автомобилей основным источником внешнего шума при скорости движения до 50 км/ч является ДВС. Определяющее значение в формировании внешнего шума автомобилей играет звуковая энергия, обусловленная вибрацией поверхностей корпусных деталей и аэродинамическим возбуждением от систем газообмена ДВС. Причем, если уровни внешнего шума в области средних и высоких частот обусловлены излучением от корпусных
60
деталей, то уровни в низкочастотном диапазоне определяются в основном излучением аэродинамического характера от систем впуска и выпуска.
Весьма распространенным средством борьбы с шумом ДВС является снижение шума двигателя в целом за счет его звукоизоляции. Однако на практике возникают проблемы снижения массы звукоизолирующего материала, экономической эффективности и др., особенно при снижении низкочастотного звука. В качестве средств звукоизоляции используются звукоизолирующие капоты (капсулы).
Мера по капсулированию корпуса двигателя внутреннего сгорания позволяет снизить внешний шум на 5-10 дБА (в зависимости от эффективности других шумозащитных конструкций, в особенности глушителя на выпуске). Капсула изготавливается из металла и обязательно должна внутри обрабатываться звукопоглощающим материалом. Эффективны капсулы из сэндвич-конструкций (металл - пластик - металл).
Другим способом снижения шума и вибрации двигателя является демпфирование наружных поверхностей двигателя - крышек головки блока и механизма газораспределения, впускного коллектора и др.
В ряде работ [1, 3, 159, 243] описана борьба с шумом путем регулирования процесса сгорания. Шум при процессе сгорания является следствием воздействия импульсов давления в цилиндре на механическую колебательную систему, которой является конструкция его корпусных элементов. Термодинамические циклы, осуществляемые в поршневом ДВС, включают процесс сжатия, который определяет предельный по минимуму акустического излучения спектр силы давления газов. Любое нарушение формы импульса, связанное с подводом теплоты к рабочему телу, будет приводить к расширению спектра действующей силы и, следовательно, к увеличению шума сгорания.
Для снижения шума выпуска автомобилей используют глушители различных конструкций, выбор которых зависит от конкретных условий каждой установки, спектра шума и требуемого глушения. В настоящее время наиболее распространенным является глушитель абсорбционного типа, канал
61
которого облицован звукопоглощающим материалом (трубчатый глушитель). Волокнистый звукопоглощающий материал применяют в виде набивки или в виде матов, которыми обертывают внутреннюю перфорированную трубу. Обычно шаг перфорации г = 2*/, где сі - диаметр перфорации 4...8 мм, коэффициент перфорации при этом равен 0,2. Уменьшение этого значения приводит к заметному снижению эффективности глушения на высоких частотах. Для сокращения длины глушителя за счет повышения его эффективности в канале устанавливают звукопоглощающие пластины, разбивая его на ряд отдельных каналов меньшего поперечного сечения.
Типичные автомобильные глушители имеют объём, в 20-40 раз превышающий рабочий объём цилиндров двигателя, потери давления 600-1000 мм. вод. ст., эффективность шумоглушения 25-30 дБА. Схема современного автомобильного глушителя и значения его эффективности показаны на рис. 1.11. Глушитель состоит из двух разделённых корпусов, в каждом из которых есть входная и выходная расширительные камеры, в которых имеются соединительные перфорированные трубьт. Общий объём этого глушителя составляет 200 л. Внешний шум грузового автомобиля (на расстоянии 7,5 м) не превышает 69 дБА при эффективности глушителя свыше 25 дБА. Противодавление на выпуске не превышает нормативных значений.
Рис. 1.11. Конструкция глушителя малошумного грузового автомобиля:
1- первый корпус; 2 - второй корпус; 3 - входная расширительная камера; 4 -выходная расширительная камера; 5 - перфорированная труба
62
Глушители шума должны, с одной стороны, преграждать путь шуму, с другой - не препятствовать перемещению рабочей среды по воздуховоду. Последнее требование во многом определяет выбор возможной конструкции глушителя. В работе [159] отмечается, что система шумоглушения состоит из двух или трех отдельных резонаторных или комбинированных глушителей для легковых автомобилей и моноблочного глушителя для грузовых и автобусов (рис. 1.12). В легковых автомобилях в систему выпуска включается каталитический нейтрализатор, характеристики которого учитываются при оценке заглушающих свойств всей системы.
Геометрические размеры глушителей определяют исходя из возможного компоновочного пространства. В случае применения звукопоглощающей набивки возможно уменьшение длины резонансного глушителя, но невысокая эффективность в низкочастотной области сохраняется. Для повышения величины заглушения необходимо применять многокамерный глушитель.
Отношение длины глушителя к его диаметру оказывает существенное влияние на величину заглушения шума и на диапазон заглушаемых частот. Короткий глушитель большего диаметра дает большую величину заглушения, но в относительно узком диапазоне частот, в то время как глушитель с малым диаметром заглушает составляющие шума в более широком диапазоне частот, при этом уменьшается величина заглушения.
Для получения достаточного эффекта глушения шума выпуска с низким противодавлением должны применяться большие глушители, а иногда два последовательно установленных глушителя (например, на автобусных двигателях). Очень важно расположение глушителя относительно выпускной трубы вследствие резонанса трубы. Наиболее благоприятное расположение глушителя в системах с одним глушителем - в центре выпускной трубы, потому что оно позволяло погасить резонансы трубы. Наиболее неблагоприятным является расположение глушителя на конце выпускной трубы.
Характеристики источников шума выпуска соотносятся с массовым расходом отработавших газов через систему, характеристика заглушения
63