LS-Sb90923

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

__________________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

_____________________________________

А. В. КАРАСЕВ

АКТИВНЫЕ МЕТОДЫ БОРЬБЫ С ШУМОМ И ВИБРАЦИЕЙ

Электронное учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2013

АКУСТИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Введение

Термин «Акустическое проектирование» применительно к любым техническим объектам достаточно необычен, однако по существу отражает современное состояние и тенденции в этой области техники. К сожалению, до сих пор распространена практика, когда на уже готовом техническом объекте начинают проверять уровни шума и вибрации и их соответствие требованиям эксплуатации, как для обслуживающего персонала, так и оборудования. Если речь идет о выполнении только санитарных норм, то решение проблемы обычно сводится к индивидуальной защите персонала или применению средств звукоизоляции и звукопоглощения. Если же, например, не выполняются нормы по уровню вибрации оборудования, то не исключены серьезные изменения в режимах работы и гарантийных сроков эксплуатации. В обоих случаях требуются большие дополнительные временные и финансовые затраты. Многие из возникающих вопросов могут быть решены на ранней стадии проектирования технического объекта в целом, если акустическое проектирование будет его полноправной составной частью.

Данная проблема характерна для проектирования и постройки судов, особенно в последнее время, когда значение стоимости постройки и эксплуатации значительно выросли. Поэтому в дальнейшем вопросы акустического проектирования, пассивные и активные средства виброизоляции и вибропоглощения, звукоизоляции и звукопоглощения в этом разделе будут рассмотрены применительно к судостроению.

Многие вопросы могут быть решены на ранней стадии проектирования судна при решении задач общего расположения, водоизмещения, режимов движения и работы оборудования, выбора необходимого оборудования. По существу, большинство значений уровней шума и вибрации в помещении и акустических характеристик комплексов оборудования могут быть вычислены и смоделированы на уровне эскизного и технического проектирования, задолго до постройки. Применение средств акустической защиты, их выбор и расчет эффективности могут быть последними в этой цепочке принципиальных технических и экономических решений.

С этой точки зрения в первой части пособия кратко освещаются принципы проектирования при выполнении требований по уровню шума и вибрации и современные средства звукоизоляции и звукопоглощения, виброизоляции и вибропоглощения характерные для судостроению. В этой связи следу-

3

ет подчеркнуть, что экипаж и пассажиры находятся на судне с работающими механизмами круглосуточно и часто длительное время, что приводит к более жестким санитарным нормам. С другой стороны к судовому оборудованию предъявляются более жесткие эксплуатационные требования по надежности

идлительности работы в условиях сильных внешних воздействий. Кроме того, все средства защиты должны удовлетворять требованиям пожаробезопасности (не гореть и не распространять огонь), не выделять токсичные вещества при высоких температурах и др.

Следует отметить, что пассивные средства борьбы с шумом и вибрацией во многом себя исчерпали. В то же время только в последние годы появились быстродействующие технические средства по анализу параметров шума

ивибрации и соответствующие адаптивные САУ. Поэтому использование активных методов борьбы с шумом и вибрацией постепенно становится реальностью. Именно таким методам посвящена вторая и третья части пособия.

Таким образом в этой части будут рассмотрены требования к уровням вибрации и шума и порядок акустического проектирования на примере судна.

1. Требования к уровням вибрации и шума на судах

Защита здоровья экипажа, создание условий нормального общения и определенного комфорта в помещениях для отдыха и работы привело к установлению определенных требований к уровню шума и вибрации на судах. В то же время наращивание мощностей энергетических установок при снижении их веса обусловливает рост уровней шума, вибрации, что усложняют эту задачу. Поэтому вопросы контроля шума и вибрации и выполнение существующих требований к их уровню являются специфической функцией при проектирования судна. Для военных кораблей эти требования являются одними из основных тактико-технических показателей качеств боевых судов (в первую очередь подводных лодок).

Внешний шум в атмосфере, подводный шум, воздушный и структурный (вибрация) шум в помещениях называют акустическими полями судна. Основными источниками акустических полей судна являются:

А. Источники механической природы (судовые механизмы, системы, устройства).

Б. Источники гидро- и аэродинамического происхождения:

– взаимодействие воды и движительно-рулевого комплекса;

4

–турбулентный пограничный слой на обтекаемой поверхности корпуса;

–вихревые структуры при обтекании отверстий и выступающих частей;

–кавитация;

–волнообразование.

Основное различие этих полей состоит в зависимости их уровней от скорости хода. На стоянке и при малых ходах, в основном, это источники механической природы, а на большой скорости – основной вклад вносят источники гидро- и аэродинамического происхождения.

Кроме указанных, в формировании акустических полей участвует шум «обитания», который имеет нестационарный характер, и шум специфических источников (например, шум ледокола при движении во льдах). Итак, акустическими полями судна и источниками являются:

–воздушный шум и вибрация в помещениях;

–внешний шум в атмосфере;

–подводный шум.

Основные источники шума и вибрации:

–судовое оборудование (главная двигательная установка, вспомогательные механизмы, системы и устройства);

–гидродинамические источники (движительно-рулевой комплекс, турбулентный пограничный слой, кавитация, волнообразование);

–аэродинамические источники (газовыхлоп двигателей, прием и выброс воздуха систем вентиляции, вихревые структуры);

–специфические источники (шум ломающегося льда, шум швартовки и

др.);

–экипаж и пассажиры (открытие и закрытие дверей, работа радиосети, топот ног и др.).

Рассмотрим более подробно источники шума. В помещениях:

–механизмы (воздушный шум, структурный шум, как первичный, так и вторичный);

–системы вентиляции и кондиционирования (шум аэродинамического происхождения, структурный шум);

–движитель (излучение корпуса при низкочастотной вибрации, излучение корпуса при кавитации);

–обтекание корпуса (излучение корпуса при возбуждении кавитации);

–специфические источники (излучение корпуса и палуб при их возбуждении ударами);

5

–экипаж и пассажиры (излучение внутрикорпусных конструкций). Внешний шум в атмосфере:

–газовыхлоп главных вспомогательных двигателей;

–устройства приема и выброса воздуха систем вентиляции и кондиционирования;

–открытые световые люки машинных отделений;

–носовой и кормовой буруны.

Подводный шум:

–механизмы и системы (излучение корпуса от действия шума и вибрации (структурный шум), гидродинамический шум в системах);

–движитель (звук вращения, профильный шум, резонансное излучение лопастей, корпусный шум, кавитационный шум);

–обтекание корпуса (кавитационный шум, шумы турбулентного пограничного слоя, шумы, создаваемые вихревыми структурами);

–волнообразование (шум носового и кормового бурунов);

–экипаж и пассажиры (излучение корпуса при вибрации трапов, палуб, дверей и т.п.);

–специфические источники;

–аэродинамические источники (прохождение шума через границу воз- дух-вода и т.п.).

Требования к уровням шума и вибрации на судах или их нормирование направлено на решение следующих задач:

–защита судовой команды.

–сохранение нормальной шумовой экологии в воздушной среде (суда внутреннего и прибрежного плавания).

–нормирование низкочастотной вибрации конструкций судна с целью обеспечения их прочности.

–охрана шумовой экологии в воде (условия работы рыбопоисковых и навигационных комплексов).

–минимизация шума в воде (военное кораблестроение).

Требования по шуму классифицируют помещения в соответствии с их основным назначением, которые отражены в санитарных нормах, действующих в нашей стране. Таким образом, помещения классифицируются:

–машинное отделение (защита органов слуха);

–производственные помещения (качественное восприятие информации по судовым системам связи);

–служебные помещения (нормальные условия для работы);

6

–общественные помещения (условия для приема пищи, отдыха, обще-

ния…);

–жилые помещения (комфортные условия для сна и отдыха);

–медицинские помещения (повышенные требования комфортности). Кроме нормирования уровней шума и вибрации, связанного с условиями

работы и жизни экипажа и пассажиров, в судостроении нормируется низкочастотная вибрация корпусных конструкций с целью обеспечения их прочности. При этом главным условием обеспечения вибрационной прочности конструкций является предотвращение возможности возникновения резонансных колебаний при эксплуатации судна. Это, так называемая, ходовая вибрация, частотный диапазон которой обычно ниже границы слухового восприятия человека. Кроме того, при ходовой вибрации возбуждаются колебания не жестко закрепленных судовых конструкций (настилы, кожухи), что проявляется уже в звуковом диапазоне частот.

В настоящее время появляются требования к акустическим характеристикам судна в связи с решением задач шумовой экологии в воде. Речь идет об обеспечении работы собственных рыбопоисковых и гидроакустических комплексов.

Требования по уровням шума и вибрации в военном судостроении связаны со всеми рассмотренными задачами, однако особое значение имеют акустические характеристики шумовой экологии в воде.

Обычно проектирование судна осуществляется поэтапно: эскизный (в отдельных случаях предэскизный) проект, технический проект, рабочий проект. Акустические требования разного уровня определяют необходимость организации процесса такого проектирования, а так же, в определенной степени, обеспечивают проверку качества строительства судна. Рассмотрим общие вопросы, связанные с обеспечением установленных норм по шуму и вибрации на судах, которые решаются на соответствующих этапах проектирования.

На этапе эскизного проекта выбираются принципиальные средства:

–виброизоляция главных и вспомогательных двигателей, виброизоляция надстроек;

–виброизоляция конструкций сочленения корпуса;

–виброизоляция гребных винтов;

–общее расположение технических средств, помещений для экипажа и т. д. На этапе технического проекта выполняется:

7

–расчеты по виброизоляционному креплению главных двигателей, надстроек, элементов сочленения корпуса, гребных винтов;

–разработка чертежей виброизоляционных элементов, средств звукоизоляции и звукопоглощения.

На этапе рабочего проекта разрабатываются соответствующие чертежи для судостроительного завода.

Более подробно алгоритм акустического проектирования судна можно представить состоящим из пяти этапов, которые функционально связаны между собой и охватывает все этапы строительства судна от эскизного проекта до испытания и оформление документации (рис.1.). Причем только последние два этапа являются составной частью воплощения проекта судна на судоверфи. Вся работа завершается заводскими и сдаточными испытаниями судна в целом, по результатам которых выявляются допущенные ошибки и недоработки, для устранения которых реализуются дополнительные мероприятия.

2. Порядок акустического проектирования

Общие принципы акустического проектирования следующие:

–акустическое проектирование является неотъемлемой частью общего проектирования судна;

–акустическая защита – комплексное понятие для всего судна, включающее все акустические источники и все мероприятия, направленные на их ослабление;

–локализация виброакустических полей источников - наиболее эффективное средство их уменьшения.

На начальном этапе проектирования судна принимаются наиболее принципиальные решения, которые определяют технические характеристики судна в целом. Выполнение этой работы без учета акустических мероприятий может не только усложнить выполнение акустических норм, но сделают эту задачу невыполнимой.

Комплексный подход к этой проблеме предполагает создание эффективной акустической защиты для всех основных источников шума и вибрации, которые определяют их общие уровни. При этом необходимо улучшать акустические характеристики источников шума и вибрации, например, при выборе и заказе судового оборудования, а так же реализовать общесудовые мероприятия акустической защиты.

8