Безопаность жизнедеятельности

30

25

20

15

10

5

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 п

kl=2nl/X

б

Рис. 11.52. Реактивный камерный элемент глушителя:

а — схема элемента; б — зависимость эффективности камерного глушителя от длины камеры и отношения площадей

ния от Si до S2 и образуется камера длиной /. При изменении площади сечения звук отражается. Эффективность камерного элемента можно определить по формуле (11.92), заменив отношение импедансов на отношение площадей [см. формулу (11.76)] и толщину h на длину / камеры (к2 = к = со/с):

с = 101g[cos2&/ + 0,25(^/^2 + S2/Sl)2smkl\.

На очень низких частотах, когда kl^> 0 или когда длина глушителя равна Х/2, X, ЗХ/2 и т. д., образуются стоячие волны, которые увеличивают давление на концах камерной полости. В результате импеданс трубопровода с поперечным сечением S2 также увеличивается от значения рc/S2 до значения mpc/S2, которое в точности равно импедансам входного и выходного трубопроводов, т. е. равно рс/S\. Таким образом, на этих резонансных частотах взаимодействие волн приводит к рассогласованию импедансов и отражению звуковой энергии к

421

Рис. 11.53. Зависимость эффективности глушителя от числа камер и длины соединительной трубы

0 20 4060

1 11 11 11

Шкала, см

200 400 /, Гц

Рис. 11.54. Зависимость эффективности 200 400 / Гц глушителя от длины входного патрубка

источнику шума. На более высоких частотах, когда длина волны X равна или меньше поперечного размера камеры, эффективность будет зависеть от других параметров (теоретически максимум эффективности достигается при разности диаметров d2 — dx = Х/2, ЗХ/2, 5Х/2 и т. д.).

Эффективность е растет с увеличением числа камер и длины соединяющей трубы. Однако уже добавление третьей камеры создает незначительный эффект по сравнению с двумя предыдущими (рис. 11.53).

На рис. 11.54 для сравнения показаны эффективность глушителя, состоящего из двух последовательных камер, и эффективность глушителя из двух камер, но со входом или выходом, введенным в полости камер, и оканчивающимися на середине их длины. Эффективность последнего глушителя выше. Изменяя длину входа и выхода, можно варьировать эффективность и частотный диапазон.

Если в спектре шума присутствуют дисперсные составляющие высокого уровня, то эффективность камерных элементов может оказаться недостаточной. В этом случае применяют реактивные элементы резонаторного типа: кольцевые и ответвления (рис. 11.55). Такой глушитель отличается от предыдущих тем, что поток газа через камеру не протекает, и она подсоединяется к основному трубопроводу че-

422

Рис. 11.55. Схемы глушителей резонансного типа:

а — кольцевые; б — ответвления

рез одно или некоторое количество небольших отверстий или трубок. Этот тип глушителя называют объемным резонатором или глушителем Гельмгольца. Резонансные частоты определяются размерами отверстий и подсоединенным объемом. Предполагается, что линейные размеры подсоединенного объема меньше 1/10 длины волны на всех рассматриваемых частотах. Если это условие нарушается, то надо принимать во внимание движение волн в резонаторе. Ситуация становится похожей на глушитель, рассмотренный выше. Эффективность объемного глушителя

б = 10 lg{l + [а + 0,25]/[а2 + р2(///о -Л/Л2]},

где а = S{z /S0pc — безразмерное активное сопротивление резонатора; Р = S{c/2nf0V— безразмерное реактивное сопротивление резонатора; S{ и S0 — соответственно площадь трубопровода и суммарная пло-

может быть записана в виде

е = 20 lg[(a + 0,5)/а].

При а < 0,25 и при частотах, намного больших или меньших частоты /о,

e=101g{l + l/[4 PV//0-/0//)2]}.

На рис. 11.56 показана эффективность глушителя рассматриваемого типа при a = 0,5р.

Эффективность глушителя, синтезированного из типовых элементов, может быть определена по формуле е = У £ е п где е} — эффек- тивность /-го шумоглушащего элемента.

423

е

8

6

4

2

О

Рис. 11.56. Эффективность резонаторного глушителя при а = 0,5р

Экранирование электромагнитных полей*. Электромагнитное поле имеет зоны индукции и излучения, которые для элементарных излучателей (диполей) в воздухе определяются соответственно неравенствами:

где г — расстояние от источника. Обычно считают, что на расстоянии от источника, не большем длины волны,— зона индукции. Например, для частот 109 и 106 Гц расстояние, которое определяет зону индукции, меньше 0,3 и 300 м.

Для антенн зону излучения обозначают неравенствами: г > 1 2 /Х и г > ЗА,, где / — размер антенны. В зоне излучения поле практически принимает плоскую конфигурацию и распространяется в виде плоской волны, составляющие которой равны:

где с* = £ — уа/со — комплексная диэлектрическая проницаемость

среды; с и ju — абсолютные проницаемости соответственно диэлектрическая и магнитная; а — удельная проводимость среды; комплексное волновое число к* = со ^/jus*.

* Здесь термин «изоляция» заменен термином «экранирование», который обычно используется в специальной литературе.

424

Сравнивая выражения (11.54) и (11.105), видим, что импеданс среды электромагнитному полюсу z = / i. С учетом формулы (11.105) найдем, что для непроводящей

В табл. 11.25 приведены ориентировочные значения волнового числа и импеданса

для металлов. Для вакуума импеданс равен ^ = 1— = 120 7г, Ом, где s0 и — соответст-

V 8о

венно электрическая и магнитная постоянные: s0 = 1/(Зб7г • 109) = 8,85 • Ю-12 ф/м, (л0 = 471 • 10"7 Гн/м. В зоне индукции импеданс среды зависит от источника.

Т а б л и ц а 11.25. Характеристика металлов, применяемых

для экранирования ЭМП

При определении электромагнитного поля сложных источников их разбивают на элементарные, а затем используют принцип суперпозиции полей. Импеданс среды для поля элементарного электрического излучателя

Импеданс среды для поля элементарного магнитного излучателя

Из выражения (11.108) видно, что вблизи источника, т. е. в зоне индукции ( k r « 1), импеданс среды преимущественно электрическому полю

425

Рис. 11.57. Импеданс среды для элементарных излучателей в зависимости от расстояния от источника:

С увеличением расстояния от источника импеданс ^ у м е н ь ш а е т - ся, а импеданс ^увеличивается (рис. 11.57). Оба импеданса будут стремиться к одному значению, которое они достигают в зоне излуче-

Различают экранирование магнитного, электрического и электромагнитного (плоская волна) полей. В большинстве случаев с двух сторон от экрана находится одна и та же диэлектрическая среда — воздух, и эффективность экранирования, пользуясь формулой (11.77), можно записать в виде

Чтобы произвести расчет по этой формуле, кроме толщины экрана h необходимо знать коэффициент распространения к* и импедансы i\ и Z2- Так как экран обычно изготовляют из металла, то с учетом зависимостей (11.64) и (11.107) коэффициент распространения к* и

но определяется импеданс zx. В зоне излучения импеданс диэлектрической среды — воздуха — будет равен (для воздуха ju - ju0, е — е0) Z\ = ZEH = д/ilxj /е 1 ® д/jiio / е 0 ® 377 Ом. Однако в зоне индукции импеданс i\ зависит не только от вида основной составляющей электромагнитного поля [см. формулы (11.110) и (11.111)]. Он определяется также формой конструкции экрана (рис. 11.58). С учетом формы импеданс i\ при экранировании электрического поля записывают в виде

426

Эта эффективность будет большой на низких частотах, а в диапазоне относительно высоких частот е -> 0.

При экранировании магнитного поля необходимо учитывать особенности материала, из которого изготовлен экран. Обычно для магнитных металлов (сталь, пермаллой, феррит) Zi/ZH\> Z\/Zi, а для немагнитных металлов (медь, алюминий, свинец) г \/zi > Zi/Z\. Тогда для защитных устройств из магнитных металлов эффективность эк-

Для защитных устройств из немагнитных металлов е « 10 lg [1 +

т

+ —ы\хх<з2гМ\ Эта эффективность зависит от частоты и при частоте

со ^ 0 тоже стремится к нулю.

В области относительно высоких частот (104 </, Гц < 109) эффективность экранирования удобно определять* по формуле

Из соотношения импедансов следует, что амплитудные коэффициенты [формула (11.75)] для плоского ТП9 цилиндрического Гц и сфе-

* См. выражение (11.77) и комментарий к нему.

427

Рис. 11.59. Колебательный характер эффективности экранирования ЭМП в диапазоне СВЧ:

а — электрическое поле; б— магнитное поле; А, = 0,01 мм; h2 = 0,001 мм; г = 5 мм

рического Гс экранов при Zi > Z2 имеют приблизительно следующее соотношение: Гп : Гц : Гс = 1 : 2 : 3 . Это соотношение справедливо для экранов, изготовленных из одинакового материала и имеющих равную толщину стенок, причем расстояние между параллельными пластинами плоского экрана равно диаметру сферического или цилиндрического экранов (/= 2гили 2р). Таким образом, если эффективность экранирования плоским экраном принять за исходное значение еп = 201g |1/Гп |, то эффективность экранирования цилиндром ец = 201g |1 /Гц = 201g| 1/2Гп| = е п - 201g2 « еп - 6 дБ, а эффективность экранирования сферой ЕС = ЕП — 9,5 дБ. При экранировании магнитного поля магнитными материалами (z2 > ZI) соотношение амплитудных коэффициентов передачи будет иметь обратную закономерность Гп : Гц : Гс = 1 : 1/2 : 1/3. На практике полученными соотношениями пользуются при определении, например, эффективности цилиндрического экрана по формулам плоского.

В области СВЧ, охватывающей дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны (F> 109... 10ю Гц), длина волны X соизмерима с диаметром экрана d, т. е. X > d, и эффективность экранирования носит колебательный характер (рис. 11.59). В этой области импеданс Zi при экранировании магнитного и электрического полей цилиндрическим экраном следует определять по формулам:

428

где Jn(u) и Нп{и) — функции Бесселя* соответственно первого и третьего рода, порядка п (штрихом отмечены производные). С учетом соотношений (11.94) эффективность экранирования рассчитывают по формуле (11.92), при этом надо иметь в виду, что во многих случаях можно принять Z\/z2 « 1 и пренебречь этим слагаемым.

При наличии в экране для радиоэлектронной аппаратуры отверстий или щелей, возникающих вследствие несовершенства его конструкции и технологии изготовления, среднюю эффективность экранирования можно определить по эмпирической формуле

слагаемые А и множитель В = 2nh/l учитывают негерметичность экрана

ккхп

где п - 0,62 И/ 3 — эквивалентный радиус экрана любой геометрической формы (V— внутренний объем экрана); / — наибольший размер отверстия (щели) в экране; кх = со ^/ji0e0 • Формула (11.115) применима в диапазоне частот, пока к{1 <2, / > 0.

Для защиты от ЭМП обычно применяют металлические листы, которые обеспечивают быстрое затухание поля в материале. Однако во многих случаях экономически выгодно вместо металлического экрана использовать проволочные сетки, фольговые и радиопоглощающие материалы, сотовые решетки.

Эффективность экранирования электрического поля при использовании проволочных сеток

е= lOlg \zE/z | + >4 + 8,686С.

*Обычную функцию Щи) находят по формуле Нх(и) = /,(") + jY{u). Чтобы найти

производную, можно использовать соотношение: Q[{u) = 0о(м) — -(?,(«), где 0озна-

и

чает любую функцию Y, Н или любую их линейную комбинацию.

429

Z = 1 /а2Л*, где эквивалентная толщина сетки Л* = nc?/4s.

Всортамент фольговых материалов толщиной 0,01...0,05 мм входят

восновном диамагнитные материалы — алюминий, латунь, цинк. Расчет эффективности экранирования фольговых материалов производится по формулам для тонких материалов. При негерметичности эффективность экранирования электрического поля

где z= 1/сгй.

Радиопоглощающие материалы изготовляют в виде эластичных и жестких пенопластов, тонких листов, рыхлой сыпучей массы или заливочных компаундов. В табл. 11.26 приведены характеристики некоторых радиопоглощающих материалов. В последнее время все большее распространение получают керамикометаллические композиции.

Эффективность экранирования сотовыми решетками зависит вплоть до сантиметрового диапазона от отношения глубины к ширине ячейки.

430