Общая часть.

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ ИМ. Г.В. ПЛЕХАНОВА

(технический университет)

Кафедра безопасности производства и разрушения горных пород

ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДСТВ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ

Санкт-Петербург

2009 год

ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДСТВ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ.

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

Физическая сущность звукоизоляции. Звукоизолирующая способность преграды (коэффициент звукоизоляции) (R) равна отношению интенсивностей звука J11 в падающих на преграду волнах к интенсивности звука J21 в волнах, прошедших через преграду

(1),

где τ – коэффициент звукопроницаемости, значение которого всегда меньше единицы.

Коэффициент звукопроницаемости τ связан с коэффициентом рассеяния d и коэффициентом отражения с соотношением, соответствующим закону сохранения энергии

(2)

Звукоизоляция R, дБ, оценивается разностью уровня шума в пространствах до и за преградой и представляет собой логарифм отношения (1), то есть выражается разностью логарифмов соответствующих значений интенсивностей звука

(3)

Интенсивность звука в падающих на преграду под углом звуковых волнах определяется по формуле,

(4)

а в прошедших под углом преграду звуковых волнах - по формуле

(5)

где акустические импедансы падающей и преломленной волн.

Звукоизолирующая способность преграды, разделяющей две звукопроводящие среды с акустическими сопротивлениями и , определяется соотношением

(6)

Прохождение волн через плоскую границу раздела двух полу бесконечных сред ( , ), показано на рис.1.

Рис.1. Схема волнового процесса на границе сред 1 и 2 с акустическими

сопротивлениями ρ₁с₁ и ρ₂с₂ соответственно.

Основным путем передачи звуковой волны в защищаемое помещение является путь, через ограждающую конструкцию. Звукоизоляция кожуха оценивается величиной снижения уровней звуковых давлений в дБ, которые определяются потерями энергии в материале звукоизоляции, а также конструктивными особенностями и параметрами ограждающих устройств

(7)

где R- звукоизолирующая способность ограждающей конструкции кожуха, дБ, определяется по формуле (3)

S_кож - площадь поверхности кожуха, м²;

А – полное внутреннее звукопоглощение в пространстве под кожухом равное эквивалентной площади звукопоглощения в нем , м²;

- средний коэффициент звукопоглощения в пространстве под кожухом;

- суммарная площадь поверхностей, находящихся под кожухом, включая и его поверхность.

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 распространенным 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 отверстий к площади боковой поверхности перфорированного канала, при этом должен быть больше 0,2 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, (8)

Рис.2. Диссипативные глушители шума: а – трубчатый; б) – пластинчатый.

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, (8)

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. 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, (9)

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.

Величина заглушения в однокамерном глушителе определяется формулой

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

где m=S_к/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 (10)следует, максимальная величина заглушения имеет место, когда kl=(2n+1)p/2, где n=1,2,3. Это соответствует частотам

f_n= = (2n + 1) с/(4l). (11)

При этом формула (10) упрощается и при m>8 c погрешностью менее 0.1 дБ может быть представлена в виде

DL_max= 20lg[m/2] дБ. (12)

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. Полость и отверстия 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

f_o=(c/2p)(nS/LV)^1/2, (13)

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

В четвертьволновом резонаторе (рис. 3в) 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.

Рис.3. Реактивные глушители шума: а) – камерный; б,в – резонансные; г – комбинированный.

Четное количество l/4 соответствует минимуму заглушения. Отсюда получаем следующее соотношение для частот гармонических составляющих звука f_n, соответствующих его максимальному заглушению

f_n= (2n + 1)с/l = (2n + 1) с/(4l_Р) (14)

где n = 1, 2, 3... - номер гармоники.

Из выражения (14) 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. 3г).

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.

l_м /l_м= l_н /l_н. (15)

Если скорость звука в натуральном глушителе и модели одинаковы, то равенство (14) 14запишется в виде

l_м f_м= l_н f_н. (16)Из последнего равенства следует, что соотношение частот в натуре и модели обратно пропорционально соотношению геометрических размеров.Требуемая звукоизоляция стенок кожуха

Звукоизоляция сплошного герметичного кожуха, плотно закрывающего машину, вычисляется по формуле (1). Чтобы обеспечить требуемую величину звукоизоляции, конструкция стенки кожуха должна быть выбрана с учетом результатов предварительного расчета. Звукоизоляцию плоской тонкой ограждающей конструкции кожуха из металла, стекла и упругих материалов определяют следующие составляющие

(17)

где R₁ - собственная звукоизоляция тонкой стенки кожуха, дБ,

- влияние ребер жесткости пластин, дБ;

- увеличение значения звукоизоляции при применении демпфирующего покрытия пластин, дБ;

- увеличение звукоизоляции за счет внутренней звукопоглощающей облицовки, дБ;

- влияние технологически необходимых отверстий, дБ .