Sb95738

треблении мощными механизмами отражаются на вибрации и шуме всего электрооборудования, входящего в состав данной ЭЭС.

Низкочастотные пульсации крутящего момента могут вызвать частотную модуляцию напряжения генератора, если энергия пульсаций сравнима с кинетической энергией вращающего ротора генератора. К появлению амплитудной и частотной модуляций питающего напряжения могут привести недостатки в работе регулятора частоты и напряжения. Низкочастотная модуляция в ЭЭС может значительно влиять на вибрацию электромеханизмов уже при глубинах модуляции в несколько сотых долей процента. В этом случае при спектральном анализе напряжения сети появляются боковые составляющие напряжения с частотами 1 m , где m – круговая частота модуляции.

Провалы напряжения в ЭЭС, которые появляются при пуске мощных электромеханизмов, влияют на вибрацию и шум, однако однократно возбуждаемые импульсные вибрация и шум оказывают слабое воздействие, поэтому этот вид влияния часто не оценивают.

Низкочастотная модуляция напряжения может возникнуть при работе электродвигателей как реакция на периодически изменяющуюся нагрузку, например на мощные объемные насосы и компрессоры.

Наиболее сильно на шум и вибрацию электрооборудования влияет включение в состав ЭЭС нелинейных аппаратов – статических выпрямителей, инверторов и преобразователей частоты. В судовой сети нелинейность напряжения определяется коэффициентом нелинейных искажений:

Высшие гармоники напряжения сети переменного тока создают в ЭМ вращающиеся электромагнитные поля, взаимодействие которых с основной волной электромагнитного поля и между собой приводят к появлению пульсирующих моментов, определяющих уровень вибрации ЭМ на разных частотах. К появлению вращающего поля обратной последовательности в ЭМ приводит и несимметрия фазного напряжения в судовой ЭЭС, обычно обусловленная несимметричным подключением однофазных нагрузок. Создаваемое напряжением обратной последовательности поле, взаимодействуя с полем прямой последовательности, создает пульсирующие моменты с частотой 100 Гц. Заметные значения пульсирующих моментов, вызывающих вибрацию, возникают уже при несимметрии напряжения порядка 1 % и нелинейных искажениях напряжения К = 5 %.

11

Для количественной оценки влияния несимметрии и несинусоидальности напряжения на вибрацию, например АД, рассчитываются соответствующие пульсирующие моменты:

где p – число пар полюсов; 1 – частота напряжения питания, рад/с; U1, U2 – амплитуды составляющих прямой и обратной последовательностей фазного

где U1, U5 – гармонические составляющие фазного напряжения питания, В; I1, I5 , I7 – гармонические составляющие фазного тока, А; Z – комплексное сопротивление упрощенной схемы замещения АД для высших гармоник, Ом.

Методики расчетов амплитуд пульсирующего момента, а также радиальных электромагнитных сил в АД при несимметрии и несинусоидальности

напряжения в СЭЭС приведены в учебном пособии1. Там же приведен расчет ожидаемого уровня вибрации АД возбуждаемой электромагнитными силами.

2.4. Нормирование виброакустических характеристик судна

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

–защита судовой команды от воздействия шума и вибрации, которые могут вызвать дискомфорт, плохое самочувствие, снижение работоспособности, потерю психологической устойчивости, привести к нарушениям слуха, сна, вызвать профессиональные заболевания, ухудшение восприятия команд

идругой рабочей информации;

–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).

1

Карасев А. В. Активные методы борьбы с шумом и вибрацией: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014.

12

Наиболее шумные помещения на судне – естественно, те, где размещены самые шумящие и вибрирующие механизмы, а именно главные двигатели, ходовые и стояночные дизель-генераторы, компрессоры, насосы. Значительные уровни вибрации и шума создают также судовые системы вентиляции и гидравлики (насосы, вентиляторы и арматура).

Помещения в соответствии с их основным назначением классифицируются требованиями по шуму, которые отражены в санитарных нормах, действующих

внашей стране. Они классифицируются следующим образом:

–машинное отделение (защита органов слуха, так как речевое общение не имеет значения);

–производственные помещения (речевое общение ограничено, качественное восприятие информации по судовым системам связи);

–служебные помещения (нормальные условия для общения и работы);

–общественные помещения (нормальные шумовые условия для приема пищи, отдыха, общения и др.);

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

–медицинские помещения с повышенной комфортностью.

Обеспечение необходимых условий для экипажа предполагает соблюдение нормативных требований не только по шуму, но и по вибрации оборудования и местной вибрации. Структурный шум, как правило, служит основным источником воздушного шума. Санитарные нормы на уровни шума и вибрации на судах приведены в официальных источниках.

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 главное условие обеспечения вибрационной прочности конструкций – предотвращение возможности возникновения резонансных колебаний при эксплуатации судна – так называемой ходовой вибрации, частотный диапазон которой обычно ниже границы слухового восприятия человека. Кроме того, при ходовой вибрации возбуждаются колебания нежестко закрепленных судовых конструкций (настилы, кожухи), что проявляется уже в звуковом диапазоне частот.

Допустимые значения внешней шумовой характеристики судов составляют 75 дБА для обычных и до 80 дБА для скоростных судов. Внешний шум, создаваемый судами, измеряется на расстоянии 25 м от борта, и большинство

13

судов соответствуют этим допустимым значениям, кроме катеров, мотолодок, землесосных снарядов и скоростных судов.

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

Акустические испытания обязательны при приемке судов. Различают инспекторские испытания, которые проводятся с целью проверки соответствия уровней звукового давления в контрольных помещениях санитарным нормам и специальные по расширенной программе для головных судов. Программа испытаний должна содержать режимы работы энергетической установки и оборудования, схему контрольных точек измерений уровней звукового давления и параметров вибрации, время проведения испытаний. Основные источники шума испытываются при различных режимах работы судна и его энергетической установки. Результаты измерений оформляют протоколом испытаний.

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

Нормативные требования по шуму, связанные с условиями работы, жизни и отдыха, в разных промышленно развитых странах близки по допустимым уровням и зависят от времени пребывания в этой зоне. Что касается нормирования допустимых уровней воздействия вибрации на человека, то в этом случае можно встретить несколько различные подходы.

3. АКУСТИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Основные задачи акустического проектирования электрооборудования можно сформулировать следующим образом:

–учет акустических характеристик при выборе электрооборудования;

–размещение электрооборудования с учетом требования к акустическим характеристикам помещений (разделение помещений на обычные и те, где шум нежелателен);

–использование пассивных и активных средств акустической защиты. При этом должны быть учтены: трудоемкость, акустическая эффективность, стоимость и некоторые дополнительные факторы, а также возможность использования перспективных средств.

14

Акустические характеристики оборудования, технических средств, помещений, как правило, не являются определяющими и при разработке технического задания на проектирование и изготовление. Однако когда постройка завершена, может оказаться, что эти характеристики не отвечают нормативным документам. Более того, именно они могут стать одними из определяющих при эксплуатации, – например шум в каютах и помещениях для отдыха на судне или вибрация корпуса военного корабля как одна из причин его нежелательного обнаружения. Когда судно уже построено, исправить такие недостатки бывает сложно, дорого, требует много времени или даже невозможно в полном объеме. Задача осложняется еще и тем, что точность расчета и измерения виброакустических характеристик сравнительно низкая, а средства борьбы с шумом и вибрацией достаточно дорогостоящие. Поэтому появилась необходимость рассматривать и решать эти задачи на ранних стадиях проектирования, когда возможно принимать взвешенные и эффективные решения.

Приведем самый простой пример. На стадии технического проекта решается большинство задач общего расположения и мест установки оборудования. Предположим, выбрана стратегия установки оборудования и механизмов как можно ближе к месту их использования. Тогда проявляется экономия на системах связи и обеспечения, но осложняется обслуживание, а виброакустические характеристики будут сравнительно плохими во всех помещениях, где это оборудование будет работать. Для таких помещений придется разрабатывать пассивные средства виброакустической защиты (а иногда и активные). Однако можно изменить стратегию общего расположения и установить оборудование только в тех нескольких помещениях (или в одном – другой крайний случай), где требования к виброакустическим характеристикам сравнительно невысокие. В этом случае усложняются системы связи и обеспечения. Решение задачи заключается в сравнении цены и функциональных характеристик, которые в данном случае являются критериями качества при оптимизации. Она усложняется, если можно использовать механизмы с разными техническими и виброакустическими характеристиками. В отдельных случаях изменения в расположении крупных механизмов и оборудования влияют на расчеты по весовой нагрузке и остойчивости. Важно повторно отметить, что исправления на последней стадии постройки, а особенно после проведения испытаний, как правило, стоят дороже, уступая по качеству.

Рассмотренные особенности обеспечения виброакустических характеристик особенно актуальны в судостроении, где они играют важную роль, причем пассивные средства борьбы с шумом могут совмещаться с теплоизоляцией и декоративной отделкой.

15

3.1. Алгоритм акустического проектирования

Акустическое проектирование имеет следующие общие принципы:

–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;

–виброактивное оборудование в агрегатных сборках должно расходовать свою акустическую энергию на большие механические сопротивления;

–необходим анализ основных источников и пути распространения шума, режимов работы по времени и интенсивности;

–необходимо оценить, что определяет акустическую обстановку в конкретном помещении, и определить наиболее эффективные способы обеспечения требуемого уровня шума при минимальных затратах;

–частоты собственных колебаний фундаментов механизмов или участков корпуса судна не должны совпадать с частотами возмущающих сил, особенно в диапазоне низких частот.

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 также реализовать общесудовые мероприятия акустической защиты.

Общая последовательность действий по улучшению виброакустических характеристик судна может быть следующей: борьба с шумом и вибрацией в источнике, далее в блоке или агрегатной сборке, в помещении и по всему судну.

Акустические требования разного уровня определяют необходимость организации процесса такого проектирования, а также в определенной степени обеспечивают проверку качества строительства судна.

16

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

На этапе эскизного проекта выбираются принципиальные средства технические решения и средства борьбы с шумом и вибрацией:

–виброизоляция главных и вспомогательных двигателей, надстроек;

–виброизоляция конструкций сочленения корпуса;

–виброизоляция гребных винтов;

–общее расположение технических средств, помещений для работ и отдыха экипажа и т. д.

На этапе технического проекта выполняются:

–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 (см. таблицу на с. 6). Причем только последние два этапа являются составной частью воплощения проекта судна на судоверфи. Вся работа завершается заводскими и сдаточными испытаниями судна в целом – по их результатам выявляются допущенные ошибки и недоработки, для устранения которых реализуются дополнительные мероприятия.

3.2. Учет акустических характеристик электрооборудования

Выбор малошумного электрооборудования не может быть самоцелью в процессе акустического проектирования. Необходим сравнительный анализ акустических характеристик электрооборудования при различных стратегиях проектирования, когда определяющими являются: функциональные, акустические или некоторые другие характеристики электрооборудования.

Во-первых, отметим, что преимущества от снижения шума за счет выбора соответствующего оборудования, как правило, превышают эффект применяемых средств борьбы с шумом и вибрацией. Однако при выборе такого оборудования необходимо также учитывать экономические факторы:

17

–неакустические характеристики судна (вес, стоимость и др.);

–эффективность использования малошумного оборудования по сравнению с применением средств акустической защиты;

–вклад такого оборудования в общую шумность помещения.

Если такое оборудование не является основным источником шума, дополнительные расходы могут быть неоправданными. Однако надо иметь в виду, что стандартное оборудование, как правило, недостаточно хорошо с точки зрения виброакустических характеристик, которые могут быть выше на 5…15 дБ, чем аналогичное оборудование для специального судостроения.

Основная акустическая концепция при выборе оборудования – применение малошумных по своей физической природе типов машин и механизмов, однако окончательный выбор определяется общими критериями качества для данного типа судов.

3.3. Особенности распространение шума и вибрации

Воздушным называют шум, распространяющийся в воздушной среде от источника возникновения до места наблюдения. Расчеты уровней звукового давления в свободном звуковом поле позволяют определить уровни воздушного шума, который распространяется от источника. На судне это обычно системы газовыхлопа, выходные патрубки вентиляционных установок, машинные отделения, палубные механизмы, звукосигнальные средства и др. Эти источники считаются ненаправленными. Уровень звукового давления при удалении от источника определяется как

Li Lp 10lg S1 ,

где Lp – уровень звуковой мощности источника, дБ; S – площадь поверхно-

сти, м2 , окружающей источник шума и проходящей через расчетную точку. В помещении кроме прямого шума, распространяющегося от источника,

возникает шум, многократно отраженный от ограждающих конструкций. При рассмотрении процессов формирования звукового поля в помещении используют аппарат статистической акустики. Тогда плотность звуковой энергии в любой точке помещения представляется суммой плотностей в прямой волне Eпр и в отраженном поле Eотр :

E Eпр Eотр

18

Если отношение наибольшего размера помещения к наименьшему не более 3–5 и поверхности, ограничивающие помещения, имеют примерно одинаковый средний коэффициент звукопоглощения ( ср ), уровень звуково-

го давления в любой точке помещения определяется по формуле

где S – площадь поверхности, проходящей через расчетную точку, м2 ; Q –

акустическая постоянная помещения, м2 , характеризующая его способность поглощать звуковую энергию.

Q срSп , 1 ср

где Sп – полная площадь ограждения помещений, м2 .

Наиболее эффективный способ борьбы с шумом и вибрацией на ранних стадиях проектирования – разделение помещений на обычные и те, где шум нежелателен. Поэтому целесообразно стремиться сосредоточить источники вибрации и шума вместе, а также применять целый ряд мер, которые обеспечивают уменьшение шумопередачи:

–широко использовать средства звуко- и виброизоляции и поглощения;

–сокращение числа отверстий (особенно в форме щель) на поверхности раздела между помещениями с источниками шума и соседними;

–специальные средства вибро- и звукоизоляции для транзитных трубопроводов и воздуховодов;

–уменьшить количество оборудования, которое опирается на границу раздела;

–использовать двери с высокими звукоизолирующими свойствами;

–учитывать направленность распространения шума из дымоходов и вентиляционных отверстий.

Корпус подавляющего большинства современных судов металлический

исварной, поэтому сопротивление распространению вибрационных волн различной частоты и направленности незначительное. Следовательно, вопросам установки оборудования на амортизаторы, конструкции фундаментов должно уделяться соответствующее внимание, должны выполняться расчеты

иприниматься технические решения, исключающие возникновение резонансных колебаний. Методика соответствующих расчетов приведена в издании «Шум и вибрация электрооборудования: метод, указания. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012».

19

3.4.Размещение электрооборудования с учетом требований

какустическим характеристикам помещений

По существу речь идет о рациональной компоновке энергетических установок, что, конечно, традиционно, но имеет много особенностей для судов конкретного назначения.

Достаточно давно существует тенденция создания компоновочных узлов на единых платформах, на которые устанавливают главные энергетические установки, вспомогательные и обслуживающие механизмы. Такое компактное исполнение, как правило, экономит объемы помещения, упрощает и ускоряет монтажные работы, оптимизирует обслуживание при эксплуатации. Как оказалось, такое техническое решение эффективно и с точки зрения виброакустических характеристик объекта, поскольку позволяет более эффективно использовать средства снижения шума и вибрации.

Рассмотрим особенности воздействия акустически активного элемента на пассивный объект. В одном крайнем случае источник акустической энергии с малым внутренним сопротивлением воздействует на объект с большим акустическим сопротивлением и в другом (обратном) колеблющийся объект с большим акустическим сопротивлением воздействует на объект с малым акустическим сопротивлением. В типичном случае акустическое сопротивление определяется массой. В принятой терминологии источник акустической энергии в первом случае называют источником силы, во втором – источником скорости.

Первое правило акустического проектирования состоит в том, что вибро-

активное оборудование в агрегатных сборках должно выступать в роли источника силы и расходовать свою акустическую энергию на большие меха-

нические сопротивления (пример – создание фундамента для корабельной энергетической установки, который сочетает хорошую виброизоляцию и уменьшение веса со способностью выдерживать вертикальную ударную нагрузку, деформацию корпуса и тепловое расширение).

Такой же подход относится и к системе «энергетическая установка – корпус судна», т. е. к их местам контактов. В конечном итоге проектирования и строительства чем больше эта конструкция будет соответствовать первому случаю, тем меньшая акустическая энергия будет излучаться корпусом во внешние среды (вода и воздух). Последнее имеет большое значение в военном судостроении.

20