Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана

        ________________________________________________________________________________________

 

 

C.Г. СМИРНОВ,  А. И. КОМКИН

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ   ГЛУШИТЕЛЕЙ   ШУМА   

 

 

 

 

 

 

 

Методические указания

к лабораторной работе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

___________________________________________________________________________________________

Москва                                                                                                              2000

 

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

        ОБЩАЯ ЧАСТЬ

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

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

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

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

При  конструиро­вании глушителей желательно достичь трех основных целей:

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

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

- конструктивной и, следовательно, технологической простоты.

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

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

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

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

 


 


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

 

                                    DL=-5,12l(P/S)1/2lg(1-a)   дБ,                                        (1)

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

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

                                          DL= 2,2a'l/a  дБ,                                                      (2)

где a' – коэффициент, характеризующий поглощение звука перегородками.

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

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

 

 


 


Рис. 2. Реактивные глушители шума:

а – камерный; б,в – резонансные; г - комбинированный

 

 

Величина заглушения в  однокамерном глушителе определяется формулой

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

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

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

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

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

                                           DLmax= 20lg[m/2]  дБ.                                            (5)

 

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

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

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

 

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

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

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

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

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

где n = 1,  2, 3... - номер гармоники.

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

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

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

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

 

                                                           lм /lм = lн /lн.                                                   (8)

 

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

                                                            lм fм = lн fн.                                                      (9)

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

 

Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки для исследования глушителей шума представлена на рис. 3. Сигнал с генератора случайного шума 1 через усилитель мощности 2 подается на источник шума 3, представляющий собой заключенный в деревянный ящик громкоговоритель. Формируемый источником шума звуковой сигнал поступает на вход исследуемых глушителей шума 4, которые размещаются  с источником шума на одном основании. Оценка акустической эффективности DL исследуемого глушителя проводится с помощью шумоизмерительного тракта, состоящего из конденсаторного микрофона 5, устанавливаемого на подставке в контрольной точке и шумомера 6. В отличие от реальных аэродинамических установок, для которых предназначены исследуемые глушителя, в лабораторной отсутствует поток газа, по­этому оценка гидравлического сопротивления  глушителей здесь не производится.

 


 


Меры безопасности

1.     Запрещается начинать работу без преподавателя или лаборанта.

2.     Соблюдать осторожность при работе с микрофоном! Не допускать ударов и сотрясяний!

3.     Не вращать ручку плавной регулировки усиления усилителя мощности.

 

Порядок проведения работы

1.     Ознакомиться с описанием работы.

2.     Подготовить с помощью лаборанта экспериментальную установку к работе, задачами которой будет исследование двух вариантов глушителей шума (варианты выбираются по указанию преподавателя). Проверить соеденительные цепи в установке (рис.3). 

3.     На первом этапе необходимо из отдельных звеньев собрать трехсекционную трубку длиной »230 мм и навернуть ее на выходное резьбовое отверствие источника шума (3).

4.     Микрофон на стойке установить на расстоянии 50 мм от среза  трубки под углом 450 к ее оси.

5.     Включить шумомер, для чего нажать кнопку «I/O» и зафиксировать ее в нажатом положении.

6.     Включить источник шума, нажав  для этого кнопку "NETZ" на передней панели источника случайного шума (при этом кнопка  «WEISS/ROSA» должна быть утоплена) и сответствующую кнопку на передней панели усилителя мощности.  Ручку регулировки усиления на усилителе мощности  во избежание поломки источника шума не трогать. Ее положение определяется риской на передней панели. 

7.     Определить уровни звукового давления в октавных полосах частот 125Гц – 8 кГц и общий уровень звука на выходе системы без глушителя LБi. Для этого надо зафиксировать в нажатом положении кнопку «ВО» на шумомере, при этом на индикаторной панели шумомера высвечивается частота на которую он настроен. На наборном поле "UNTERE" шумомера набрать номер фильтра, соответствующий требуемой октавной полосе частот. Например частоте 125 Гц соответствует фильтр с номером 28 и т.д. После этого на индикаторной панели высвечивается рабочая частота. Отсчет показаний уровней звукового давления ведется по верхней шкале стрелочного индикатора «0…40 дБ». Для того чтобы работать в нужном динамическом диапазоне начало отсчета может меняться  в левом верхнем окошке прибора с помощью ступенчатого переключателя. Показания стрелки суммируются с числом начала отсчета, установленного в указанном окошке. Если стрелка индикатора находится у нуля  или наоборот уходит за 40 дБ в крайне правое положение так что загорается красная лампа, то поворотом ступенчатого переключателя по часовой или против часовой стрелки добиваются установки стрелки индикатора в рабочем диапазоне шкалы  «0…40 дБ». При этом показания стрелки индикатора суммируются с новым установленным началом отсчета. Записать измеренные значения LБi.

8.     Выключить источник звука.

9.     Смонтировать на установке вместо средней секции трехсекционной трубки первый глушителя

10.Включить источник звука и определить в соответствии с п.7 уровни  звукового давления на выходе системы с глушителем LГi.

11.Определить эффективность установки глушителя  DL по формуле            DLi= LБi - LГi. Результаты занести в бланк отчета.

12.Повторить п.п. 8-11 для второго  глушителя.

13.Используя выражения (4), (6), (7) определить, исходя из размеров исследуемых моделей реактивных глушителей, частоту звука в Гц, при которой наблюдается максимум заглушения звука. Посчитать чему будет соответствовать эта частота для натурального глушителя, если соотношение размеров натуры и модели равно 20.

14.Сделать вывод о влиянии типа и размеров глушителя на его эффективность.

 

 

Контрольные вопросы

1.     Какие существуют типы и виды глушителей?

2.     Каковы принципы работы глушителей?

3.     От каких параметров зависит эффективность глушителей шума?

4.     Как оценивается эффективность установки глушителя шума?

5.     Как определить требуемое заглушение?

6.     Каковы принципы масштабного моделирования глушителей шума?

 

Литература

1.         Борьба с шумом на производстве / Под общ. ред. Е.Я. Юдина.- М.: Машиностроение, 1985.- 400 с.

2.         Колесников А.Е. Шум и вибрация. Л.:Судостроение, 1988.- 248 с.

3.         Техническая акустика транспортных машин / Под ред. Н.И. Иванова.- Спб.: Политехника, 1992.-365 с.