Sb95738

Второе правило – анализ основных источников и пути распространения шума. Необходимо:

–оценить, что определяет акустическую обстановку в конкретном помещении: переизлучаемый шум (вибрация переборок, настилов и др.) или шум установленного оборудования;

–выяснить возможные транзитные источники шума и роль шумящего оборудования соседних помещений на уровни шума в данном помещении;

–определить наиболее эффективные способы (компоновка, конструкция, средства акустической защиты), которые смогут обеспечить требуемые уровни шума конкретного помещения при минимальных затратах.

Третье правило – необходимо учитывать режимы работы оборудования по времени и интенсивности, например режим полного хода или проме-

жуточный. При анализе условий работы и отдыха экипажа в первую очередь необходимо рассматривать длительные режимы. Кроме того, на различных режимах источники шума и вибрации в одном и том же помещении могут быть разными, и поэтому, принимая конкретные решения по конструктивным изменениям, необходимо проводить всесторонний анализ.

Очень важно, чтобы частоты собственных колебаний фундамента или участков корпуса судна не совпадали с частотами возмущающих сил, в первую очередь для низких частот, где борьба с вибрацией наиболее сложна.

Напомним, что общее правило при проектировании энергетической установки и вспомогательного оборудования – это выбор машин и механизмов с наилучшими акустическими показателями

Общая последовательность действий, направленных на улучшение виброакустических характеристик судна, следующая: борьба с шумом в источнике (выбор соответствующего оборудовании), затем – в пределах блока или агрегатной сборки, далее – в пределах данного помещения, и, наконец, по всему судну, что наиболее сложнее всего. На всех этих этапах должна быть учтена

экономическая целесообразность и взаимосвязь принимаемых решений с функциональной точки зрения.

3.5. Использование пассивных средств акустической защиты

Наиболее эффективное средство снижения вибрации судового оборудования – это применение амортизаторов. Основные положения их эффективного использования следующие:

21

–как для первого (внутреннего), так и для второго (внешнего) каскада промежуточная рама и фундамент конструкции должны быть достаточно тяжелыми и жесткими;

–резонансные частоты промежуточной рамы и фундаментных конструкций должны быть отстроены от спектра частот возмущающих сил;

–собственные частоты амортизирующего крепления должны быть отстроены от частот возмущающих сил, которые действуют со стороны амортизируемого оборудования или корпуса судна;

–должны учитываться все связи механизма (опорные и неопорные);

–виброизолирующее крепление механизма (блока) должно проектироваться с учетом всех направлений вибрационных колебаний;

–желательно создавать симметричные конструкции с минимальной высотой расположения центра ее инерции относительно фундамента и обеспечить совпадение центров инерции машины и жесткости амортизирующего крепления (по крайней мере, чтобы они располагались на одной вертикали);

–к сожалению, требования по эффективности амортизирующего крепления и противоударной защите, как правило, противоречивы.

В настоящее время широко используются виброзадерживающие пассивные устройства, антивибраторы и виброизолирующие элементы (массы и упругие прокладки). Их смысл заключается в создании местного высокого механического сопротивления в определенном диапазоне частот. Такие устройства обычно называют вибропоглощающими конструкциями.

Вибропоглощение предполагает также преобразование колебательной энергии в тепловую. Такие материалы (жидкие и сыпучие) используют как наполнители пустот и внутренних объемов вибрирующих конструкций. Особую группу вибропоглощающих материалов составляют конструкционные материалы, из которых непосредственно изготовляют элементы и детали конструкций и механизмов. Это сплавы и композитные материалы типа стеклопластиков.

Все средства акустической защиты, используемые в судостроении (это практически все современные средства и методы), можно классифицировать следующим образом.

1. Конструктивно-компоновочные решения:

–блочное (агрегатное) исполнение оборудования;

–отстройка собственных частот колебаний несущих конструкций от частот возмущающих воздействий;

22

–разработка систем многокаскадной виброизоляции. 2. Виброизоляция:

–амортизаторы;

–виброизолирующие рукава, патрубки, подвески трубопроводов;

–виброзадерживающие устройства.

3. Вибропоглощение:

–слоистые конструкции;

–вибропоглощающие покрытия;

–наполнители;

–сплавы и неметаллические конструкционные материалы. 4. Средства снижения шума в помещении:

–звукоизолирующие экраны, кожухи, кабины, покрытия. Эффективность использования этих средств характеризуется коэффициентами звукопоглощения и звукоизолирующей способностью конструкций.

5. Средства снижения аэрогидродинамического шума в системах:

–акустическая настройка трактов;

–глушители воздушного шума;

–глушители в жидкостных трубопроводах.

ристых материалах.

На рис. 3.1 показан эффект применения одного каскада амортизации агрегатной сборки, что обеспечивает резкое уменьшение вибрации фундамента.

Основные способы снижения шума в помещении, которые практически применяются в настоящее время, могут быть представлены тремя схемами на рис. 3.2, где приняты следующие обозначения: а – звукоизоляция самого источника (кожух, капот); б – звукоизоляция стенкой; в – звукоизоляция кабины

23

рабочих мест. Эффективность средств экранирования рассчитывается с учетом коэффициента размеров источника

a

б

в

Рис. 3.2. Способы сниженияв шума в помещении

При этом надо учитывать, что воздушные, паровые и жидкостные тру-

в

бопроводы являются по сути акустическими передающими цепями с определенной мощностью и частотными характеристиками передаваемого ими акустического сигнала.

Достаточно распространенные глушители по принципу действия разделяют на реактивные, резонансные и интерференционные. Принципы их действия основывается на переотражении звуковой волны, наличием специальных резонаторов и обходных каналов соответственно.

24

4.АКТИВНЫЕ СРЕДСТВА АКУСТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ

4.1.Принцип действия

Внастоящее время в результате быстрого развития средств вычислительной техники (в данном случае их быстродействия) и адаптивных систем автоматического управления системы активного гашения шума и вибрации имеют хорошую перспективу реального применения в ближайшем будущем.

Вотдельную группу средств акустической защиты выделены методы активного гашения шума и вибрации, которые основаны на эффектах плоской или пространственной интерференции. Принцип их действия – подавление первичного акустического поля с помощью переизлучения акустического сигнала вторичными источниками. Реализация такой идеи требует не только дополнительных источников вибрации или шума, но и адаптивных систем автоматического управления для эффективного управления, как частотой, так и мощностью такого излучения. Все активные методы борьбы с шумом и вибрацией можно представить как

– виброгашение и виброизоляцию,

– гашение шума в звуковом диапазоне частот,

– балансировку механизмов.

Структура таких систем должна включать приемники сбора информации об исходном акустическом поле, систему автоматического управления для обработки этой информации и управления соответствующих вторичных излучателей по выбранным критериям качества и алгоритмов.

ФОС

Рис. 4.1. Система активного гашения виброакустического сигнала

Примерная блок-схема такой системы представлена на рис. 4.1, где приняты следующие обозначения: ПИС – приемник исходного сигнала; ПУ – усилитель; Ф – перестраиваемый фильтр; ФКН – формирователь критерия настройки; Процессор – микропроцессор-оптимизатор, реализующий алгоритм управления; УМ – усилитель мощности; ФОС – формирователь опорного сигнала; ИМ – исполнительный механизм. В качестве критерия качества может быть выбран среднеквадратичный уровень звукового давления (для данной схемы в точках установки микрофонов), приведенная величина звуковой мощности в помещении, уровни вибрации и др. Реализация таких систем обычно не носит универсального характера.

25

4.2. Системы активного гашения шума в звуковом диапазоне частот

Специалисты говорят, что на Земле трудно найти место, где не будет посторонних звуков в течение 20 мин. Речь идет о звуковом диапазоне частот.

В настоящее время для борьбы с шумом в основном применяются пассивные средства: ограждения, специальные покрытия, глушители и др., эффективность которых определяется отражением и поглощением звуковой волны. Эти средства имеют хороший коэффициент ослабления звуковой энергии в широком диапазоне частот. Их недостаток – большие габариты и неэффективность на низких частотах. В ряде случаев пассивные средствамогут создавать дополнительное аэродинамическое сопротивление.

Активный метод снижения шума основан на эффектах одномерной (плоской) или пространственной интерференции. Происходит уменьшение исходного звукового давления при наложении на него компенсирующего звукового поля, которое создается специальными излучателями. Естественно, активный метод предполагает, что для обеспечения «компенсации» излучателями расходуется энергия.

Сам принцип подавления колебаний за счет создания действующего в противофазе компенсирующего источника с использованием дополнительной энергии известен давно. Причем этот принцип применялся не только для подавления шума или вибрации. Вероятно, первые патенты на приборы на основе идеи активной компенсации шума интерференцией со звуковой волной, которая находится в противофазе, были получены в тридцатые годы прошлого столетия. Но в то время эти идеи не могли быть реализованы технически. Первые опытные системы по уменьшению звукового давления недалеко от микрофона в области низких частот были созданы в 1950 г.

Практические системы с использованием активной компенсации шума появились в 1980-е гг. после появления быстродействующих систем адаптивной цифровой обработки сигналов. Были получены патенты на соответствующие устройства и алгоритмы активной компенсации шума в разных каналах. Несмотря на значительное количество статей по этой тематике говорить о массовом использовании таких систем рано.

Следует отметить, что эти системы не могут носить универсального характера и зависят от характеристик шума: узкополосный он или широкополосный. Кроме того, большое значение имеет геометрия пространства распространения звуковой волны (воздуховод, большой или малый закрытый объем, свободное пространство).

26

Для подавления (создания противошумового сигнала – антишума) широкополосного шума необходимо иметь непрерывную информацию о первичном шуме для его анализа. Узкополосный шум, как правило, имеет периодический характер, поэтому информацию о его частотной характеристике можно получить косвенным путем, например с тахометра, который измеряет частоту вращения генератора шума. Частотная характеристика такого шума соответствует основной частоте вращения машины. Особенность системы – ее независимость от посторонних звуковых сигналов, например для транспортных средств. Эффективность работы систем, создающих антишум, определяется точностью фазы генерируемого шума и амплитудой. Активное гашение шума особенно эффективно в закрытом корпусе и на низких частотах

(до 600 Гц).

Системы активного шумоподавления – по сути современные системы автоматического управления. С этой точки зрения их можно классифицировать следующим образом:

–системы управления с прямой (широкополосная одноканальная, узкополосная одноканальная, многоканальная) и обратной связью;

–системы активного гашения шума с адаптивным фильтром.

Основное принципиальное отличие активных систем гашения шума от обычных САУ состоит в том, что каналы связи в них не только электриче-

ские, но и акустические. Таким образом, временные характеристики прохождения сигнала существенно различаются, а в местах соединения каналов естественно возникает положительная обратная связь в основном канале.

В качестве примера рассмотрим структуру многоканальной системы акустического контроля. Аналогичная САУ, но для относительно узкого и длинного воздуховода, в котором поток воздуха, как правило, турбулентный, будет одноканальной. Такой шум характерен для вентиляционных каналов и выхлопных труб.

Принцип работы этой системы следующий. Информационный сигнал с входных микрофонов или неакустического датчика поступает на контроллер, в котором вырабатывается управляющий сигнал равной амплитуды, но противоположный по фазе. В этом случае громкоговорители производят подавляющий шумовой сигнал, похожий на измеренный шум на входных микрофонах. Для успешной работы такой системы необходима временная задержка, обусловленная расстоянием и скоростью распространения звука от датчиков (входных микрофонов) до управляемых источников (громкоговорите-

27

лей). Кроме того, пространство на участке, где установлены элементы системы управления, должно быть непрерывным и не содержать элементов, способных изменить структуру шума. Микрофоны ошибки измеряют сигнал для настройки адаптивного фильтра контроллера. Принципиальная схема такой системы приведена на рис. 4.2, где приняты следующие обозначения: ИШ – источник шума; НД – неакустический датчик; МВ – микрофоны входные; МО – микрофоны ошибки; КД – компенсирующие динамики; У – усилитель; W – адаптивный фильтр; С – фильтр информационного сигнала; LMS – фильтр; К – контроллер.

Рис. 4.2. Многоканальная система акустического контроля

На этом примере хорошо видно, какая информация о регулируемых параметрах, управляющих сигналах и т. п. передается по проводам в форме электрического или акустического сигнала, распространяемого в объемах разной конфигурации и размера.

Кроме отмеченных активных систем гашения шума следует упомянуть о системах подавления аэродинамических и гидродинамических шумов в трубопроводах. Отдельную большую и многообразную группу представляют аэродинамические глушители. Их эффективность определяется:

–многократным переотражением акустической энергии;

–противофазным сложением акустических сигналов;

–преобразованием акустической энергии в тепловую;

–поглощением энергии в специальных пористых материалах.

При этом надо учитывать, что воздушные, паровые и жидкостные трубопроводы являются по существу акустическими передающими цепями с определенной мощностью и частотными характеристиками передаваемого ими акустического сигнала.

28

Достаточно распространенные глушители разделяют на реактивные, резонансные и интерференционные по принципу действия, который основывается на переотражении звуковой волны, наличии специальных резонаторов и обходных каналов соответственно.

4.3. Системы активного виброгашения и виброизоляции

Системы активного виброгашения (САВ) значительно более разнообразны по принципу действия и могут быть разделены на следующие типы:

–компенсационные системы с дополнительными специальными источниками вибрации, которые устанавливаются на механизмы или конструкции (активные виброгасители):

–системы, управляющие возмущающими силами в источнике (например, встроенные системы автоматической балансировки роторов электрических машин);

–системы, управляющие статической и динамической жесткостями амортизаторов (активная виброизоляция);

–системы, управляющие собственной частотой резонансных средств виброгашения (управляемые виброгасители);

–системы, состоящие из двух одинаковых виброактивных механизмов, связанные блоком синхронизации.

Из этих САВ реальные результаты достигнуты в компенсационных системах и виброизоляции.

В качестве примера на рис. 4.3 представлена активная виброзащитная система с дополнительной массой, которая колеблется в противофазе с основным объектом, где приняты следующие обозначения: 1 – объект виброзащиты; 2, 3 – измерительные устройства; 4 – корректирующее устройство; 5 – регулятор; 6 – исполнительный механизм; 7 – дополнительная масса.

Идея конструкции подобных систем известна давно, более того, имеется некоторый опыт их использования. По существу, представленная САУ повторяет методы подавления акустического сигнала в звуковом диапазоне частот. Однако введение дополнительной колеблющейся массы далеко не всегда практически возможно из-за массогабаритных ограничений и надежности всей конструкции при аварийных ситуациях.

Кроме того, в соответствии с исполнительным механизмом можно назвать электрогидравлические, электропневматические, магнитоэлектрические, пьезоэлектрические и электромагнитные САВ. В качестве примера рассмотрим электрогидравлическую САВ с силовым цилиндром двойного действия.

29