Sb95738

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

А. В. КАРАСЕВ

АКУСТИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2017

УДК 621.45.026.8:629.5.015.6 (07)

ББК З 261-012я7+ Ж.н6 К21

Карасев А. В.

К21 Акустическое проектирование электрооборудования: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 32 с.

ISBN 978-5-7629-2061-2

Последовательно рассматриваются этапы проектирования сложных технических объектов на примере судна и его электрооборудования, требования к уровням шума и вибрации на судах. Представлен общий алгоритм акустического проектирования, рассматриваются принципы выбора и размещение электрооборудования с учетом требований к акустическим характеристикам помещений, даны примеры использования пассивных и активных средств акустической защиты в качестве адаптивных систем автоматического управления

Рассмотрение всего цикла проектирования сложных инженерных объектов на примере судна при выполнении современных технических и экологических требований к уровням шума и вибрации позволяет понять необходимость акустического проектирования электрооборудования, системного подхода к созданию пассивных и активных средств борьбы с шумом и вибрацией и сформулировать требования к их конструкции.

Предназначено студентам кафедры САУ.

УДК 621.45.026.8:629.5.015.6(07)

ББК З 261-012я7+ Ж.н6

Рецензенты: кафедра электрооборудования судов СПбМТУ; д-р техн. наук, проф. А. Б. Майзель.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Введение

Термин «акустическое проектирование» применительно к любым техническим объектам достаточно необычен, однако по существу отражает современное состояние и тенденции в этой области техники. Дело в том, что акустические характеристики оборудования и технических средств, как правило, не являются определяющими при разработке технического задания на проектирование и постройку инженерного объекта (например, судна). 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 по звукоизоляции и звукопоглощению. Если же, например, не выполняются нормы по уровню вибрации оборудования, то не исключены серьезные изменения в режимах работы, гарантийных сроков эксплуатации или даже замены отдельных механизмов. Нормативные требования по вибрации корпуса военного корабля (одна из причин его нежелательного обнаружения) относятся к определяющим при эксплуатации. Их выполнение на поздних этапах постройки может привести к большим дополнительным временным и финансовым затратам. В то же время многие из возникающих вопросов могут быть решены на ранней стадии проектирования технического объекта в целом, если акустическое проектирование будет его полноправной составной частью.

Например, затраты при строительстве (достаточно высокие) на обеспечение выполнения норм по уровню шума в служебных и жилых помещениях судна и при его модернизации могут отличаться в два раза.

В последнее время данная проблема характерна для проектирования и постройки судов, когда акустическим полям судна в атмосфере, под водой и в помещениях уделяется серьезное внимание. Поэтому в дальнейшем вопросы акустического проектирования, пассивные и активные средства виброизоляции и вибропоглощения, звукоизоляции и звукопоглощения будут рассмотрены применительно к судостроению.

Выполнение нормативных требований по уровню шума и вибрации может быть обеспечено на ранней стадии проектирования судна при решении задач общего расположения, режимов движения и работы оборудования, а также выбора соответствующих моделей. По существу, большинство значе-

3

ний 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 при акустическом проектировании.

С этой точки зрения в пособии кратко освещаются принципы проектирования при выполнении требований по уровню шума и вибрации и современные средства звукоизоляции и звукопоглощения, виброизоляции и вибропоглощения, характерные для судостроения. В этой связи следует 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, и 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, в последние годы появились быстродействующие технические средства анализа параметров шума и вибрации

исоответствующие адаптивные САУ и, следовательно, активные методы борьбы с шумом и вибрацией постепенно становятся реальностью. Таким методам посвящена заключительная часть пособия.

1. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА

Обычно проектирование судна осуществляется поэтапно: эскизный (в отдельных случаях, связанных с большим объемом новых технических решений, возможен предэскизный) проект, технический и рабочий проекты, испытания и сдача объекта-судна.

Акустические требования разного уровня определяют необходимость организации процесса акустического проектирования в соответствии с существующими принципами проектирования судна, что вполне естественно.

Рассмотрим вопросы, связанные с обеспечением установленных норм по шуму и вибрации на судах, решаемые на соответствующих этапах проектирования.

4

оформления документации (см. таблицу). Подробнее он будет рассмотрен далее. При этом только последние два этапа являются составными частями воплощения проекта на судоверфи.

Алгоритм (последовательность) акустического проектирования

Вся работа завершается заводскими и сдаточными испытаниями судна и подписанием соответствующих документов. По их результатам выявляются допущенные ошибки и недоработки, для устранения которых (если это возможно) реализуются дополнительные мероприятия или, наоборот, фиксируются превышения отдельных параметров технического задания.

Следует специально подчеркнуть, что все этапы проектирования и строительства гражданских судов контролируется Морским Регистром РФ в соответствии с действующими международными соглашениями.

2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЯМ ШУМА И ВИБРАЦИИ НА СУДАХ

Необходимость защиты здоровья экипажа, создание условий для нормального общения, отдыха и работы привели к установлению критериев (санитарных норм) по уровню воздушного шума и вибрации в помещениях различного назначения. Увеличение мощностей энергетической установки, скорости хода при снижении веса оборудования приводит к росту уровней шума на судах, усложнению выполнения современных требований. В результате контроль уровней воздушного шума и вибрации и выполнения существующих норм стал специфической функцией в процессе проектирования. Особое значение такие требования имеют в военном судостроении, где они стали одними из основных тактико-технических показателей, в первую очередь для подводных лодок.

2.1. Основные определения

Уровни воздушного шума и вибрации могут определяться в различных полосах частот. Это может быть общий уровень в октавных полосах со средними частотами 16, 31.5, …, 1000, …, 16 000 Гц. Шум с широкополосным спектром часто анализируется с помощью третьоктавных фильтров, а также в узких полосах частот.

6

Воздушный и структурный шум определяется уровнем звукового давления или акустической и вибрационной мощностью, создаваемой источником. Уровень звукового давления в газах и жидкостях Lp измеряется в логарифмических

единицах децибелах (дБ) и определяются по формуле

Lp 20lg p , p0

где p – эффективное значение реального звукового давления; p0 – пороговое значение, эталонное и одинаковое в любой газообразной или жидкой среде. Среднее значение (на частоте 1000 Гц) порога слышимости составляет p0 = 2 105 H/м. Мерой акустической мощности источника служит уровень звуковой мощности, определяемой в децибелах как

Lw 10lg W ,

W0

где W – акустическая мощность, Вт, созданная акустическим источником;

W0 1012 Вт – пороговое значение звуковой мощности для источников воздушного шума. Звуковая мощность W0 является эталонной, одинаковой для любых газообразных или жидких сред на любой частоте.

Вибрация, как и шум, измеряется в логарифмических единицах, причем в зависимости от задач могут измеряться параметры, характеризующие уровень колебаний – смещение, скорость, ускорение и т. п. Для каждого из них есть свое пороговое значение, т. е.

где x0 , x0 , x0 – пороговые значения смещения, скорости и ускорения соответственно. В установлении пороговых значений использовалась связь пульсации давления в воздухе на частоте 1000 Гц с параметрами упругих колебаний частиц воздуха. Тогда пороговое значение скорости колебаний

Поскольку рассматриваются гармонические колебания, то смещение, скорость и ускорение связаны соотношениями

7

В соответствии с этими соотношениями получим пороговые значения для частоты 1000 Гц:

Это пороговые значения при измерении вибрации в децибелах на любой частоте, поэтому измерения уровней вибрации смещения, скорости и ускорения на частоте 1000 Гц совпадают.

При измерении шума и вибрации их уровни, как правило, определяются в стандартных полосах частот, границы которых находятся в определенной пропорции. Наиболее часто используются октавные, полуоктавные и треть-

fс 42 fг.н 1.19 fг.н .

В практических задачах часто рассматриваются шум или вибрация, возникающие от нескольких источников и попадающие в одну измеряемую полосу частот. При этом общий уровень для суммы n разных источников определяется выражением

j1

2.2.Акустические поля судна, основные источники шума и вибрации

Какустическим полям судна относятся воздушный шум и вибрация в помещениях; подводный шум; внешний шум в атмосфере.

Основные источники этих полей условно можно разделить на две группы: источники механической природы и источники гидро- и аэродинамического происхождения. Обобщающая структура основных источников акустических полей судна приведена в таблице.

С точки зрения интенсивности различие этих полей состоит в зависимости их уровней от скорости хода. На стоянке и при малых ходах это, в основном, источники механической природы, а на большой скорости основной вклад вносят источники гидро- и аэродинамического происхождения. В то же время на быстроходных судах стоит более мощное механическое оборудова-

8

ние – как правило, и более шумное. Практически на всех современных транспортных средствах повышение скорости движения приводит к повышению уровня шума.

Основные источники (шума и вибрации) акустических полей судна

В формировании акустических полей судна участвует также шум обитания, который, как правило, имеет нестационарный характер. Кроме того, у судов специального назначения могут быть дополнительные источники шума и вибрации, например шум и вибрация ледокола. Уровни акустических полей судна могут существенно зависеть и от условий эксплуатации.

Любые действующие механизмы формируют две составляющие шума. Первая – излучение звуковой энергии непосредственно в воздушную среду (воздушный шум) в виде прямой звуковой волны с последующим переотражением от ограждающих поверхностей и механизмов. Вторая составляющая связана с возбуждением вибрации (структурный шум). В зависимости от природы возбуждения вибрации различают первичный и вторичный структурный шум. Первичный обусловлен возбуждением вибрации конструкций динамическими усилиями, передаваемыми от механизмов через опорные связи, а также трубопроводы, кабель и др. Уровни первичного структурного шума зависят от вибрации самого механизма, характеристик фундаментов, эффективности средств акустической защиты. Вторичный структурный шум возникает вследствие возбуждения вибрации конструкций воздушным шумом механизма.

Воздушный и структурный шум существенно ослабевает по мере удаления от источника. Наиболее шумные помещения на судне – те, где размещены наиболее шумящие и виброактивные механизмы: главные двигатели, ходовые и стояночные дизель-генераторы, компрессоры и насосы. Значительные уровни вибрации и шума создают судовые системы вентиляции, кондиционирования и гидравлики (вентиляторы, насосы, арматура).

9

Рассмотрим более подробно источники шума в помещениях:

1.Механизмы: воздушный шум; структурный шум, как первичный, так

ивторичный.

2.Системы вентиляции и кондиционирования: шум аэродинамического происхождения; структурный шум.

3.Движитель: излучение корпуса при низкочастотной вибрации; излучение корпуса при кавитации.

4.Обтекание корпуса: излучение корпуса при возбуждении кавитации; излучение корпуса при действии вихревых структур.

5.Специфические источники: излучение корпуса и палуб при их возбуждении ударами.

6.Экипаж и пассажиры: излучение внутрикорпусных конструкций. Внешний шум в атмосфере создают:

1.Газовыхлоп главных и вспомогательных двигателей.

2.Устройства приема и выброса воздуха систем вентиляции и кондици-

онирования.

3. Открытые световые люки машинных отделений.

4. Носовой и кормовой буруны.

Подводный шум создают многочисленные источники:

1.Механизмы и системы: прохождение шума через корпус; излучение корпуса (структурный шум); гидродинамический шум в системах.

2.Движитель: звук вращения; профильный шум; резонансное излучение лопастей; корпусный шум; кавитационный шум.

3.Обтекание корпуса: кавитационный шум; шумы турбулентного пограничного слоя; шумы, создаваемые вихревыми структурами.

4.Волнообразование: шум носового и кормового бурунов.

5.Экипаж, пассажиры (излучение корпуса при вибрации трапов, палуб, дверей и т. п.).

6.Специфические источники.

7.Аэродинамические источники (прохождение шума через границу воз- дух-вода и др.).

2.3. Влияние флуктуации энергии в ЭЭС на шум и вибрацию

Мощность электроэнергетической системы, например судовой, ограничена и сравнима с мощностью ряда потребителей электроэнергии. Поэтому любые флуктуации энергии при ее генерировании, преобразовании или по-

10