15. Гидродинамический шум

15.1. Источники шума

Основными причинами гидродинамического шума являются:

• кавитация и выделение газов (кавитационный шум);

• образование вихрей на элементах гидронасосов, гидромоторов и других устройств – на лопатках, дисках, стенках корпуса, патрубках и пр. (вихревой шум);

• возникновение неоднородностей потока при его прерывании, например вращающимися лопатками.

Кавитация – специфическое явление, связанное с потерей движущейся жидкостью прочности на разрыв при уменьшении в ней давления ниже определенного предела (приблизительно равного давлению насыщенного пара жидкости при данной температуре) и возникновением пузырьков и полостей, заполненных газом или паром. Образующиеся пузырьки резко захлопываются (разрушаются), создается ярко выраженный низкочастотный шум. Схема возникновения и захлопывания пузырьков показана на рис. 15.1.

Рис. 15.1. Возникновение кавитационных пузырьков (4) на обтекаемом профиле (3):

1 – внешнее давление; 2 – давление насыщенных паров

Экспериментально установлено, что вследствие вихреобразования увеличение шума потока может достигать 40 дБ. Спектр шума (например, в насадке) имеет ярко выраженный максимум на частоте, определяемой выражением

, (15.1)

где u – скорость потока при достаточном удалении от тела; d_c – диаметр сопла; σ – показатель кавитации:

. (15.2)

Здесь Р₁ и Р₂ – давление невозмущенного потока и насыщенного пара соответственно (Па); ρ₀ – плотность жидкости или газа.

Звуковая мощность, излучаемая кавитирующей жидкостью за соплом, может быть приближенно вычислена по формуле

, (15.3)

где с₀ – скорость звука в жидкости.

Для того чтобы избежать кавитации, нужно увеличить показатель σ путем снижения скорости u.

Когда на твердое тело набегает поток жидкости, с его поверхности при определенных значениях числа Рейнольдса, характерных для данного процесса, начинается срыв вихрей. Это явление приводит к изменению давления на поверхности тела и тем самым к возникновению вихревого шума. Чем хуже обтекается тело, тем интенсивнее вихреобразование за ним и излучаемый шум. Частота срыва вихрей и, соответственно, частота порождаемого ими звука определяются с помощью соотношения Струхаля (15.4). Число Стухаля для плохо обтекаемых тел

, (15.4)

где Re – число Рейнольдса,

, (15.5)

D_п – максимальный размер препятствия в направлении, перпендикулярном к направлению движения потока; v – кинематическая вязкость жидкости (для воды v = 1 м²/с при t = 20 ^оC). Чем выше число Рейнольдса и турбулентность набегающего потока, тем шире спектр излучаемого шума.

Звуковая мощность вихревого шума, который создается неподвижными цилиндрическими стержнями, обтекаемыми потоком, приближенно выражается формулой

, (15.6)

k – безразмерный коэффициент; с_х – аэродинамический коэффициент лобового сопротивления; l, D – длина и диаметр стержня; ρ₀ – плотность жидкости; с₀ – скорость звука в ней.

Для снижения вихревого шума необходимо улучшить обтекание тела, находящегося в потоке, понизить число Рейнольдса, уменьшить размеры обтекаемого тела и скорость набегающего потока.