книги из ГПНТБ / Хорошев Г.А. Шум судовых систем вентиляции и кондиционирования воздуха

§ 12. Установки для определения заглушающей способности арматуры и глушителей шума

В настоящее время нет общепринятой методики определе­ ния заглушающей способности арматуры, элементов систем вен­

в одних и тех же точках вблизи выходного отверстия системы или глушителя, до и после включения их в установку. Исследуемый глушитель или арматуру в этом случае заменяют прямым патруб­ ком с внутренним сечением, равным эффективной площади сечения исследуемого элемента.

В качестве установки для проведения исследований заглушаю­ щей способности арматуры и глушителей шума может быть ис­ пользована любая из установок, описанных в § 10 и 11. Поскольку скорости воздуха в арматуре и глушителях сравнительно велики (20—50 м/с) и, следовательно, может иметь место дополнительное шумообразование [19], заглушающую способность арматуры и глу­ шителей шума обычно определяют без потока воздуха с ис­ пользованием искусственного источника шума. При таком способе значительно упрощается процесс измерения звукового поля внутри проточных каналов арматуры и глушителей, так как не требуется защита микрофона или акустического зонда от набегающего по­ тока воздуха.

Искусственный источник шума представляет собой блок дина­ миков, возбуждение на которые подается через усилитель мощ­ ности от электронного генератора шумовых сигналов. Динамики, входящие в этот блок, должны быть тщательно отфазированы и размещены по сечению воздухопровода так, чтобы на входе в ис­ следуемый элемент системы имело место диффузное поле.

В связи со сложным характером акустического поля в канале с поглощающими стенками, каким является глушитель шума, тре­ буются исследования не только суммарных характеристик ослабле­ ния шума (эффективности) глушителя, но и структуры звукового поля в различных его сечениях. Для этих целей может быть ис­ пользован акустический зонд, который вводят в глушитель через специальные отверстия в стенках.

С помощью таких измерений можно определить также величину затухания звука в глушителе на единицу его длины (на один ка­ либр) .

Оценка погрешностей при определении заглушающей способ­ ности арматуры систем вентиляции и кондиционирования воздуха и глушителей шума, выполненная Н. Ф. Егоровым применительно к судовым системам различных типов, показала, что эти погреш­ ности обычно не превышают 3—4 дБ.

41

§ 13. Аппаратура для проведения акустических исследований систем вентиляции и кондиционирования воздуха

Для измерения воздушного шума и вибраций систем вентиля­ ции и кондиционирования воздуха применяют в основном аппара­ туру, предназначенную для акустических измерений механизмов, машин и оборудования. Подробное описание виброакустической измерительной аппаратуры можно найти в монографиях [9, 36]. Здесь же рассмотрим лишь некоторые основные приборы, исполь­ зуемые при измерениях.

Для измерения шума вентиляторов, кондиционеров, отдельных элементов и систем вентиляции и кондиционирования воздуха в це­ лом в заглушенных, реверберационных камерах и в судовых по­ мещениях обычно пользуются стандартной аппаратурой, включаю­ щей в себя в общем случае микрофон, измерительный усилитель и частотный анализатор.

Микрофоны в зависимости от типа приемного элемента подраз­ деляются на пьезокристаллические, электродинамические и конден­ саторные. При измерениях шума систем вентиляции и кондициони­ рования воздуха на заводских стендах и судах широко применя­ ются электродинамические микрофоны. Их основным достоинством является большой динамический диапазон измерений (20—140 дБ) при сравнительно низкой неравномерности (5—8 дБ) амплитудночастотной характеристики в широком диапазоне рабочих частот

(50—15000 Гц).

В Советском Союзе изготовляют микрофоны следующих марок:

МД-35, МД-38, МД-38Ш, МД-45, МД-55, МД-57, МД-59. Стоимость таких микрофонов сравнительно невысока и обращение с ними, в отличие от конденсаторных микрофонов, не требует особой осто­ рожности.

К числу основных недостатков микрофонов этого типа отно­ сятся влияние внешних магнитных полей и возможность загрязне­ ния пылью чувствительного элемента микрофона. Поэтому при из­ мерениях шума в судовых помещениях с высокими уровнями элек­ тромагнитных полей (помещения электростанций, главного распре­

ства, позволяющие измерять звуковые давления в динамическом диапазоне 10— 190 дБ. Неравномерность их частотной характерис­ тики в рабочем диапазоне частот (20—40 000 Гц) составляет в среднем ± 3 —5 дБ. Для стендовых лабораторных исследований шума систем вентиляции и кондиционирования воздуха можно ре­ комендовать конденсаторные микрофоны отечественного производ­ ства марок МИК-5, МИК-бс, МК-5А, МК-7, 19А-1 и зарубежных фирм, в частности, датской фирмы Брюель и Къер типов 4131,- 4132, 4133, 4135 и др. Все эти микрофоны подключают к измери-

42

тельному усилителю через предусилитель (катодный повторитель). С ними следует бережно обращаться и хранить в специальных футлярах.

При измерениях шума систем в заглушенных камерах рекомен­ дуется применять микрофоны типов 4133, 4135 и 4145. Микрофон последнего типа позволяет измерять очень низкие уровни звука, а микрофоны 4133 и 4135 предпочтительны при измерениях интен­ сивных звуковых полей.

Микрофоны типов 4132, 4134, 4136 и 4138 с конусными нако­ нечниками следует применять для измерений в реверберационных камерах.

Для измерения низкочастотных составляющих воздушного шума фирма выпускает специальный микрофон типа 4146. Если

Рис. 21. Микрофон в специальном насадке для снижения низкочастотных помех.

/ — насадок; 2 — микрофон.

при измерениях шума из-за стесненности судовых помещений нельзя избежать обдува микрофона потоком воздуха, применяют специальные ветрозащитные экраны. При скоростях воздуха 3— 5 м/с следует устанавливать экраны из пористой полиуретановой губки или нейлоновой ткани, уменьшающие уровни ветровых по­ мех на 10—12 дБ, а при скоростях выше 5—10 м/с — конусные наконечники. Эти средства ветрозащиты имеют существенный не­ достаток, связанный с высокими уровнями низкочастотных помех, обусловленных аэродинамическими пульсациями воздуха при об­ текании конического насадка микрофона.

Г. А. Хорошевым и Ю. И. Петровым разработана специальная конструкция насадка к микрофонам (рис. 21), позволяющего на 5—8 дБ уменьшать помехи в диапазоне частот 50—300 Гц. Дости­ гается это тем, что между насадком и обтекателем микрофона по­ ток воздуха движется с положительным градиентом скорости, при котором происходит резкое снижение низкочастотных пульсаций давления в пограничном слое на поверхности обтекателя микро­ фона. Уменьшение пульсаций давления приводит к снижению аэро­ динамических помех (рис. 22), воспринимаемых микрофоном.

43

Для исследования акустического поля внутри глушителей шума, в воздухопроводах и элементах систем вентиляции и кондициони­ рования воздуха применяются специальные акустические зонды, представляющие собой трубки с внутренним диаметром 0,5—4 мм и длиной до 250 мм. Фирма Брюель и Къер выпускает набор типа UA 0040, состоящий из четырех зондов, надеваемых на капсуль полудюймового микрофона типа 4133, 4134 или 4148. Амплитудночастотная характеристика таких зондов линейна до 1000 Гц с по­ следующим снижением в среднем на 1,5 дБ в диапазоне до 10 кГц на октаву. При использовании акустических зондов требуется их систематическая контрольная калибровка.

Рис. 22. Спектрограмма воздушного шума при измерениях микрофоном, расположенным в по­ токе воздуха.

/ — микрофон без насадка; 2 — микрофон с насадком.

Измерительный усилитель служит для определения интеграль­ ного уровня воздушного шума. Если в его комплект входит микро­ фон и предусилитель, то такой прибор называют шумомером. Оте­ чественные шумомеры [9, 36] типов Ш-63, ПІ-ЗМ, МИУ, Ш-52 в комплекте с электродинамическими микрофонами позволяют из­ мерять уровни шума от 25 до 150 дБ в диапазоне 40—10 000 Гц. Лучшим из отечественных шумомеров сейчас является ИШВ-1, имеющий диапазон рабочих частот 22—12 000 Гц.

Из приборов иностранных фирм могут быть рекомендованы шу­ момеры, выпускаемые фирмой Брюель и Къер, типов 2203, 2205, 2206, фирмой RFT, (ГДР) типов PSI-101, PSI-102, фирмой Дэйв

(Англия) — типа 1400 Е и др.

При измерениях шума в судовых помещениях особенно удобны портативные прецизионные шумомеры 2203, 2205 и 2206 (рис. 23).

Подробное описание шумомеров отечественного и зарубежного производства, их характеристики и указания по применению при­ ведены в работах [9, 36].

44

Выбор типа частотного анализатора зависит от задач данного экспериментального исследования. При контроле и нормировании шума вентиляторов, кондиционеров и систем вентиляции и конди­ ционирования воздуха применяют полосовые октавные фильтры ти­ пов 1612 (фирмы Брюель и Къер), OF-101 (RFT), 1464А (фирмы

Рис. 23. Портативный шумомер.

Дэйв и др.). В процессе исследования источников шумообразования вихревого происхождения обычно используют анализаторы с более узкой полосой пропускания частот: полуоктавные фильтры ПФ-1 (СССР) с рабочим диапазоном частот 50—9000 Гц, третьоктавные фильтры типа 1612 фирмы Брюель и Къер на диапазон частот 25—40 000 Гц и фильтры типа 1463 фирмы Дэйв на диапа­ зон частот 25—22 400 Гц. При исследовании дискретных составляю­ щих в спектре шума вентиляторов и кондиционеров применяют анализаторы с еще более узкой полосой пропускания частот.

Наиболее удобны для измерений отечественные анализаторы

45

спектра АС-3 с полосами пропускания 1,5, 3 и 10% в диапазоне частот 20—60 000 Гц, АСЧХ-1 с полосами пропускания 12 Гц в диа­ пазоне частот 20—500 Гц, 60 Гц в диапазоне 60—2000 Гц, 100 Гц в диапазоне 100—5000 Гц и 400 Гц в диапазоне 400—20 000 Гц. Из зарубежных анализаторов с узкой полосой пропускания приме­ няют анализатор с 6%-ной полосой типа 2107 фирмы Брюель и Къер на диапазон 20—60000 Гц, анализатор типа 760В фирмы GRC (США) с 2%-ной полосой в диапазоне 25—7500 Гц, анализа­ тор типа 302А фирмы Хевлет с полосой 7 Гц в диапазоне 20—1 50000 Гц и анализатор типа 1400С фирмы Дэйв с 3%-ной полосой пропускания частот в диапазоне 25—8000 Гц.

В настоящее время широко применяются фильтровые устрой­ ства, переключение фильтров в которых происходит автоматически. Это отечественные спектрометры СВЧ с шириной полосы пропуска­ ния 7з октавы в диапазоне 50—20 000 Гц, СИ-1 с полосой V3 ок­ тавы в диапазоне 2—45000 Гц, датский третьоктавный спектро­ метр типа 2112 на диапазон 22—45000 Гц, анализатор с полосой пропускания частот 5, 6, 8, 12, 16, 21 и 29% фирмы Брюель и Къер типа 2107 на диапазон 22—40 000 Гц и др.

Для записи спектральных характеристик шума q целью дли­ тельного хранения информации или последующей ее обработки применяются различные самописцы и магнитофоны. Наиболее упо­ требительны отечественный самописец Н-110, самописцы типов 2304 и 2305 фирмы Брюель и Къер, 1406С и 1406Д фирмы Дэйв. ' Комплектование приборов в измерительный тракт, предназна­ ченный для решения поставленной задачи, производят с учетом их входных и выходных сопротивлений. В работе [73] приведены схемы различных излучающих и приемных трактов с использованием описанной в данном параграфе аппаратуры.

Все применяемые при акустических измерениях приборы дол­ жны быть допущены к работе органами Госкомитета стандартов мер и измерительных приборов и иметь свидетельство о поверке. Акустическая контрольно-измерительная аппаратура проходит го­ сударственную поверку один раз в два года. При этом все рабочие приборы проверяют по государственному эталону через образцо­ вые средства измерения.

Для более строгого описания акустических полей механизмов и машин, в том числе вентиляторов и кондиционеров, приходится об­ ращаться к использованию методов теории случайных процессов. В настоящее время в СССР и за рубежом выпускаются приборы для определения статистических характеристик распределения сиг­ налов во времени, в полосах частот и коэффициентов корреля­ ции [46].

§14. Контроль уровня шума систем вентиляции

икондиционирования воздуха на судах

Измерения и контроль воздушного шума и вибраций систем вентиляции и кондиционирования воздуха обычно производят в следующих помещениях:

46

—обслуживаемых системами вентиляции и кондиционирования воздуха;

—в помещениях, через которые проходят транзитом воздухо­ проводы;

—в помещениях, где установлены обслуживающие системы вентиляторы и кондиционеры.

В большинстве случаев характер звукового поля в этих поме­ щениях существенно отличается от свободного и диффузного зву­ ковых полей, в связи с чем описанные в § 9 наиболее точные ме­

тоды измерения акустических характеристик здесь неприменимы. В судовых помещениях объемом не менее 60 м3 с уровнями шума по крайней мере на 4 дБ ниже соответствующих уровней шума при работе системы вентиляции или кондиционирования воз­ духа можно рекомендовать метод измерения воздушного шума с помощью образцового источника шума [48]. В каютах экипажа, обычно загроможденных койками и мебелью, в помещениях, близко расположенных к главной энергетической установке, или в других помещениях, имеющих высокие уровни помех, рекоменду­ ется применять метод измерения шума на фиксированном расстоя­ нии. В тех случаях, когда требуется произвести сопоставление уров­ ней шума в судовых помещениях с санитарными нормами, изме­ рения производят без разделения прямого и отраженного от стен и предметов звука, т. е. измеряют спектральный состав и общий

уровень шума в нескольких точках помещения или на посту. Метод измерения шума с помощью образцового источника ос­

нован на сравнении характеристик звукового поля образцового источника шума, откалиброванного в свободном звуковом поле, и шума исследуемого механизма в одних и тех же точках помеще­ ния. При измерениях этим методом необходимо выполнять следую­ щие условия:

— все механизмы и устройства в помещениях, где производят измерения или контроль шума, должны быть выключены или за­ крыты звукоизолирующими кожухами; в небольших судовых поме­ щениях, где установка кожухов может привести к искажению зву­ кового поля из-за дополнительных отражений, наружную поверх­ ность кожухов следует покрывать звукопоглощающим материалом;

— воздухопроводы и трубопроводы должны быть соединены с вентиляторами и кондиционерами с помощью эластичных патруб­ ков и прикреплены к корпусным конструкциям упругими подвес­ ками;

— уровни шума в исследуемых полосах частот должны отли­ чаться от уровней шума системы не менее чем на 8—10 дБ.

Необходимо, чтобы спектр шума образцового источника был широкополосным и более или менее равномерным во всем диапа­ зоне частот. Источник не должен иметь резко выраженной направ­ ленности и тональных составляющих в спектре шума. Точки изме­ рений выбирают так же, как и при измерениях в свободном звуко­ вом поле. Если микрофон не имеет ветрозащитных устройств, он не должен обдуваться воздухом:

47

Уровни звуковой мощности исследуемой системы во всех поло­ сах частот определяют по формуле

ния воздуха на судах с помощью образцового источника не нашел широкого применения в связи с дополнительными погрешностями, появляющимися из-за значительного искажения звукового поля об­ разцового источника в низких судовых помещениях, загроможден­ ных оборудованием и имеющих высокий уровень шума. Однако там, где выполняются основные требования этого метода или име­ ется область ограниченного звукового поля, его применение может дать наиболее точные результаты. Во всех остальных случаях сле­ дует пользоваться методом измерения шума на фиксированном расстоянии. Зарубежные стандарты допускают его применение при контроле шума судового оборудования, поставляемого зарубеж­ ными фирмами.

хораспределительного устройства с таким расчетом, чтобы разница уровней звукового давления в соседних точках не превышала 5 дБ. В каждой измерительной точке, в соответствующих полосах частот, определяют уровни звукового давления. Расчет средних уровней звукового давления на опорном радиусе гоп производят по фор­ муле

этом меньшие значения принимают для небольших и малошумных машин. Уровни звуковой мощности могут быть определены по фор­ муле (5).

Для проверки стабильности создаваемого системой вентиляции или кондиционирования воздуха воздушного шума измерения не­ обходимо повторять не менее трех раз после остановки и повтор­ ных запусков всей системы.

Контроль уровней шума, создаваемого в помещениях системами вентиляции и кондиционирования воздуха, на соответствие их са­

48

нитарным нормам следует производить во время стоянки судна при подаче электроэнергии с берега. Это исключает влияние по­ сторонних источников шума на результаты измерений шума си­ стем.

ГЛАВА III

ИСТОЧНИКИ ШУМА ВЕНТИЛЯТОРОВ

§ 15. Пульсации давления в турбулентном потоке

За выходными кромками лопаточного аппарата вентиляторов, где происходит слияние струй воздуха, вытекающих из межлопа­ точных каналов, наблюдается повышенная турбулентность потока воздуха, которая является источником воздушного шума. В соот­ ветствии с теорией Лайтхилла такая турбулентная область будет излучать широкополосный шум, амплитуда звукового давления ко­ торого равна

зз

г — расстояние от некоторой точки области Ѵтдо точки (хі, х2, х3), в которой определяются пульсации дав­ ления;

с — скорость звука в данной среде;

т— время;

Тц ~ р ѵ /ѵ / — тензор напряжения;

ѵъ і — пульсационная составляющая скорости; р — плотность среды.

Из уравнения (20) видно, что для определения амплитуды зву­ кового давления необходимо произвести интегрирование интенсив­ ности квадруполей по всему объему турбулентной области. Для оценки интегральных вкладов от всей турбулентной области сле­ дует принять во внимание статистические свойства турбулентного течения. Известно, что если источники коррелированы, то их ам­ плитуды складываются линейно. Для некоррелированных источ­ ников линейно складываются интенсивности энергии. Измерения в турбулентном течении, произведенные в соседних точках, хорошо коррелированы, в удаленных — слабо или вовсе не коррелированы. Вследствие этого поле турбулентности можно разбить на такие области, где квадрупольные источники внутри каждой области вполне коррелированы, а в точках, принадлежащих различным об­ ластям, не коррелированы. При этом протяженность каждого не­ зависимого распределения квадруполей представляет собой при­ близительно размер типичного вихря, излучающего энергию.

Обозначим объем такого вихря через ѵе. Если размер вихря мал по сравнению с длиной волны излучаемого звука, то измене-

49

нием времени запаздывания внутри вихря объемом ѵе можно пре­ небречь. Тогда интенсивность звуковой энергии будет определяться выражением, полученным Е. В. Власовым,

&Тц

дх2

записана в виде kQ(рТц)г, где / — характерная частота пульсации вихря. В этом случае звуковая мощность, излучаемая единицей объема турбулентной области, будет равна

Как видно из выражения (23), для вычисления акустической мощности, излучаемой на единицу объема турбулентной области, необходимо знать все три составляющие пульсационных скоростей потока, корреляцию между ними, объем характерного вихря и частоту пульсаций.

Оценим величину акустической мощности, излучаемой турбу­ лентной областью за выходными кромками лопаток, на примере решетки профилей со следующими параметрами: густота решетки

т = 1,5; кривизна профиля /= //6 = 0,15; угол атаки t=+Ö °; хорда профиля 6 = 60 мм; высота лопатки /=100 мм; относительная тол­

щина профиля d = d/b = 0fi8. Из рассмотрения этих параметров сле­ дует, что решетка обтекается с отрывом потока, т. е. в области за выходными кромками будет иметь место интенсивная турбу­ лентность потока. Исследование характеристик турбулентности на выходе из решетки наиболее удобно проводить на плоских ре­ шетках профилей с помощью установки, описанной в § 10.

Измерив характеристики турбулентности в среднем сечении по высоте лопаток, а затем, рассчитав шум турбулентности с уче­ том зависимости (23), можно сравнить его с замеренным шумом решетки и оценить вклад этого источника в суммарную звуковую мощность, излучаемую решеткой профилей.

На рис. 24—27 приведены схемы плоской решетки профилей Ц15-8-1,5* и полученные экспериментальным путем характерис­ тики турбулентности, которые ниже будут использованы для рас­ чета акустической мощности, излучаемой струями, вытекающими

* Условное обозначение решетки профилей: буква Ц означает, что в качестве симметричного профиля принят профиль ЦАГИ [67], первые цифры указывают кривизну профиля, вторая цифра — относительную толщину профиля, третья цифра — густоту решетки.

50