книги из ГПНТБ / Борьба с шумом в черной металлургии

цией 0,2%. Подобный показатель — очень грубый ориентир, так как зависимость демпфирующей способности от напря­ жения широко изменяется при переходе от одного металла к другому.

Из обзора демпфирующих металлических конструк­ ционных материалов [4] видно, что многие легкие сплавы на основе алюминия и особенно магния обладают хорошими демпфирующими свойствами.

Демпфирующую сбособность сплавов можно повы­ сить соответствующей обработкой, предварительным на­ клепом или постоянно действующей нагрузкой. Последнее наиболее часто встречается на практике, поскольку на движущиеся детали действуют силы инерции.

В неферромагнитных сплавах (например, сплавы алю­ миния и магния) по сравнению с ферромагнитными сплавами увеличение потерь при механической нагрузке менее за­ метно.

Исследованы демпфирующие свойства конструкционных материалов, распространенных в различных отраслях отечес­ твенного машиностроения: алюминия, Мгі, сплавов на основе алюминия, магния и меди (АЛ9, АЛ19, Д16, АМц, МЛ-5), бронзы (Бр. АЖ9-4), латуни (ЛК-80-ЗЛ, Л62, Л062-1, ЛС59-1), сталей конструкционных углеродистых (сталь 10 и 45), среднелегированной (ЗОХГСА) и нержавеющих мартенситного и аустенитного классов (1X13, 3X13, Х17Н2, 1Х8Н9Т, 25Х18НВ2) [66].

Для некоторых конструкционных материалов исследо­ вано также влияние на демпфирующие свойства анодиро­ вания, оксидирования, гальванических покрытий. Демп­ фирующие свойства литейных сплавов на основе алюми­ ния мало различаются. Анодирование и оксидирование алюминиевых и магниевых сплавов практически не отра­ жаются на их демпфирующих свойствах. Гальванические покрытия увеличивают демпфирующую способность основ­ ного материала, и тем сильнее, чем больше толщина слоя осажденного металла. Наивысшей среди исследованных сталей демпфирующей способностью обладают стали 1X13 и 3X13 в отожженном состоянии.

Звукоизлучение сплавов на основе железа — наиболее распространенных конструкционных матералов — изучено очень мало. — ~

143

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА ШУМ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН

Уровень звукового давления и частотный спектр шума механического происхождения определяются величиной возмущающей силы, частотой и гармониками ее, средой, в которой происходят колебания, размерами, формой, спо­ собом крепления материала, из которого изготовлены кон­ струкции и их отдельные элементы.

Сцелью снижения шума механического происхождения,

атакже предотвращения или ослабления вибраций и струк­ турного шума для изготовления конструкций и отдельных элементов рекомендуется применять незвучные материалы. Однако известные незвучные материалы (резина, текстолит, вулколан, стеклопластики и пр.) обладают незначитель­ ной прочностью, покиженнной износостойкостью, ограни­ ченным температурным диапазоном применения. Кроме того, изготовление деталей из подобных материалов с вы­ сокой точностью затруднительно. Часто заменить металл незвучным неметаллическим материалом невозможно. По­

этому практически важное значение для снижения шума и вибраций приобретают металлы и сплавы, обладающие пониженным звукоизлучением.

При исследовании шума зубчатых передач [82] уста­ новлено, что при замене стальных колес чугунными общий

тых колес, и сделал вывод, что снижение шума зубчатых передач может быть достигнуто при применении металла с высокими демпфирующими свойствами. Так, изготовле­ ние центров зубчатых колес из чугуна способствовало сни­ жению шума редуктора на 5 дб. Зубчатые колеса из чугуна создают в процессе работы значительно меньший шум, чем стальные, однако нагрузочная способность их ограничена.

Описаны данные применения для изготовления зубча­ тых колес сплава марганца с медью (60.или 80% Мп, осталь­ ное— медь) [111]. Обнаружена высокая способность гасить резонансные колебания у сплава, содержащего 72% Мп, 10% Ni, 18% Си.

Периодические деформации шариков и роликов под­ шипников, возникающие при перекатывании, сопровож­ даются ударами о кольца и сепаратор. Излучение воз-

144

пикающего таким образом шума происходит частично с колеблющихся деталей подшипника и, в значительно большей мере, с сопряженных с ним конструкций. Вслед­ ствие этого важное значение приобретает выбор конструк­ ционных материалов для изготовления деталей подшипника и подшипниковых опор. В подшипниках наряду с наиболее распространенными стальными штампованными сепарато­ рами применяют массивные сепараторы из латуни, алю­ миния, металлокерамических материалов (железные и брон­ зовые порошки). Показано, что материал шариков под­ шипников влияет на шум подшипников [69].

Шум двигателей внутреннего сгорания можно снизить путем рационального выбора металла для изготовления деталей и, главным образом, блока и головки цилиндров двигателя [49].

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЗВУКОИЗЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

При ударе возмущение, порожденное в точке соударе­ ния, распространяется в телах с конечной скоростью, и его отражение от граничных поверхностей вызывает коле­ бание соударяемых тел. Отношение энергии возбужденных колебаний Е2 к начальной энергии Ег удара можно выразить формулой:

где ѵ0 — скорость удара, сх — скорость распространения звука в теле.

Колебания и звук, возникшие при действии единич­ ного силового импульса на механическую систему, зату­ хают в результате рассеяния энергии. Рассеяние энергии при механических колебаниях обусловлено внутренними и внешними потерями [65]. К внутренним относят потери, обусловленные внутренним трением в металлах и сплавах. Внешние потери возникают вследствие трения в сочленениях отдельных элементов механической системы, т. е . 'в по­ движных (подшипники, направляющие) и неподвижных

(болтовые, шлицевые, заклепочные) соединениях, трения о среду, в которой происходит колебание системы (воздух, газы, вода, масло, расплавы и т. п.).

Вследствие сложности характера звукоизлучения меха­ нических систем при исследовании используют упрощен­ ные модели — стержни, пластины, диски. Это облегчает анализ зависимостей между характеристиками излучае­ мого при колебаниях звука и физико-механическими свой­ ствами колеблющейся системы. Практическое значение имеют исследования характеристик звука, возникающего при поперечных колебаниях, так как они являются причиной интенсивного звукоизлучения и переносят основную долю энергии при распространении колебаний по металличе­ ским конструкциям.

При рассмотрении процесса возникновения ударного шума была выбрана в качестве источника звука пластина, возбуждаемая ударом [109]. При этом пластина предпола­ галась двухмерной.

Основные положения звукоизлучения пластин рассмот­ рены в работах [6, 11, 50, 59, 113, 119].

Мощность излучаемого звука. Мощность звука Р, излу­ чаемого бесконечной пластиной при возбуждении колеба­ ний нормальной сосредоточенной силой F, можно опреде­ лить по формуле [119]:

звуковой волны в воздухе, м; с — скорость звука в воздухе, иісек; Кг — переменная.

Значение ѵ (Кг). определяют, используя зависимость звукового давления от скорости колебаний поверхности пластины, выраженную следующим уравнением:

146

соответствовала бы выходной механической мощности при

т. е. потери звуковой энергии будут расти по мере умень­ шения Кв-

Влияние потерь на звуковую мощность учитывают пу­ тем введения комплексного модуля упругости и, следова­

При подстановке в уравнение (86) значения v (Кг), определенного из формулы (87), а также используя фор­ мулу (89), получают мощность звукового излучения с учетом потерь энергии [6]:

стоянная, зависящая от материала пластины и окружающей

частота, при которой фазрвая скорость распространения свободных изгибных волн в пластине равна скорости звука в окружающей среде, гц.

Так как величина 8]/mD представляет входной импе­ данс пластины, находящейся в вакууме, без диссипации

энергии колебаний, то FV16]/mD соответствует мощности, вводимой в пластину сосредоточенной силой F. Коэффи-

без потерь. Мощность звука, излучаемого пластиной при отсутствии потерь,

Р0 = F" . (91)

Существенная часть упругой энергии теряется в мате­ риале, из которого изготовлена пластина. Подобный вид потерь определяется внутренним трением. Причина повы­ шенного интереса к потерям, вызываемым внутренним трением, обусловлена необходимостью получения метал­ лов и сплавов, обладающих большой демпфирующей спо­ собностью и относительно высокой прочностью. У металлов внутреннее трение сравнительно невелико, и если характе­

Определим влияние внутреннего трения на мощность звука, излучаемого пластиной. При этом, считая основными потери на внутреннее трение в металле пластины, уравнение (90) можно записать следующим образом:

(93)

С целью определения влияния внутреннего трения на мощность звука в диапазоне низких частот разлагаем в ряд

Ѳ

по — подынтегральное выражение (93). Ограничившись двумя первыми членами для диапазона низких частот, по­ лучаем

148

На частотах выше критической (у > 1), воспользовав шись представлением для о-функции

рен. Исследования показали, что относительное различие уровней звукового давления в частном спектре для слу­ чаев возбуждения колебаний периодической и ударной силой проявляется, в основном, на средних частотах (рис. 76) 150].

Согласно приведенным данным, длительность механи­ ческого импульса оказывает влияние на среднечастотную область спектра.

Так как продолжительность контакта соударяемьіх тел оказывает влияние на частотный спектр звука, рассмотрим

149

можно пренебречь и продолжительность удара значительно превосходит период наиболее медленных собственных коле­

величину звукоизлучения тонких прямоугольных плит предложен способ расчета [35], основанный на законе изме­ нения во времени силы взаимодействия между свободно падающим ударником и поверхностью. В результате полу­ чена простая формула, учитывающая снижение уровней звукового давления в зависимости от частоты колебаний и длительности контакта при ударе:

(99)

где /о= 0,465/х— частота, с которой начинает проявляться влияние контактных явлений, гц; г — длительность кон­ такта при ударе, сек; f — частота колебаний пластины, гц.

Длительность контакта при ударе определяется на осно­ вании теории местных деформаций Герца. Однако распростра­ нение теории Герца на случаи контакта металлических тел несколько ограничено. Наиболее удовлетворительным в случае пластических деформаций при контакте металличе­ ской сферы и плоской металлической поверхности является статическое соотношение [129]:

го характера, смятие и диаметр остаточного кратера могут быть связаны зависимостью а2 = 2Ra, причем предполага­ ется, что деформации в плоской поверхности вне области контакта отсутствуют.

Процесс соударения недеформирующейся сферы с менее твердой металлической поверхностью характеризуется прос­ тым соотношением:

d2a

17*

150

или

Решение уравнения (101) записывается следующим обра­ зом:

Пренебрегая трением в момент соударения, можно вместо величины давления текучести взять численное значение пре­ дела текучести и, учитывая уравнения (103) и (99), опреде­ лить частоты, с которых начинает проявляться влияние местного смятия.

По результатам наблюдений Д. У.Рэлея [76], непосред­ ственно после того как камертону сообщили удар, еще мож- І но слышать, помимо основного тона, более высокие тоны, которые быстро затухают. Эти высокочастотные составляю­ щие не смешиваются с основным тоном вследствие того, что они относительно высокой частоты и не принадлежат к гар­ монической шкале камертона. В камертонах, исследован­ ных Гельмгольцем, первые из этих обертонов имели частоту

в5,8—'6,6 раз больше частоты основного тона.

Вработе Ф. Морза Пэ5] также отмечено, что при возбуж­ дении ударом стержня таким образом, что в его колебаниях будут содержаться обертоны значительной амплитуды, воз­ никают четко различимые, наряду с основной частотой, высо­ кочастотные составляющие, которые, однако, быстро зату­ хают.

Фиксация параметров подобных составляющих, воз­ никающих при ударах по камертону, стержню, пластине, затруднительна, так как их длительность невелика.

151

Возникновение высокочастотных составляющих объясняется, очевидно, местными деформациями при соударении сферы с плоскостью. При ударах большой интенсивности кристал­ лические свойства металлов и сплавов нарушаются, упру­ гие волны переходят в пластические и возникающие явле­ ния можно выразить или описать нелинейными уравнения­ ми [62].

Продолжительность звучания и скорость затухания звуко­ вых колебаний. Амплитудные, временные и частотные харак­ теристики звука, излучаемого в процессе колебаний меха­ нической системы, зависят от ее демпфирующей способности и определяются величиной и точкой приложения возбуж­ дающей силы, ее гармониками, средой, в которой происхо­ дят звуковые колебания, а также размерами, формой, спо­ собом соединения, материалом, из которого'изготовлены кон­ струкция и отдельные ее элементы.

Продолжительность звучания Т0, вызванного меха­ ническим импульсом, например ударом, можно определить по формуле:

где Т — продолжительность колебаний, сек. Продолжительность звучания количественно охаракте-

ризовывают скоростью затухания звука d, т. е. изменением уровня звукового давления в единицу времени после пре­ кращения действия силы, вызвавшей колебание. Скорость затухания звуковых колебаний

в среде и поглощения звука ограждающими поверхностями, дб/сек; m — коэффициент поглощения, дбім; А — эквива­ лентная площадь, м2; V—объем, в который происходит звукоизлученне, м3; с — скорость звука в воздухе, місек.

Продолжительность звуковых колебаний после прекра­ щения действия возбуждающей силы соответствует времени затухания резонансного колебания:

152