§ 10. Расчет глушителей шума автомототранспорта

Расчет глушителей включает три этапа: определение спектра уровней звуковой мощности шума впуска и выпуска двигателя без глушителя; расчет требуемого снижения шума этих источников в октавных полосах частот; расчет глушителей впуска и выпуска, обеспечивающих необходимое шумопоглощение. В табл. 10.1 в качестве примера приведены ориентировочные значения уровней звуковой мощности в октавных полосах частот L_ршума впуска и выпуска без глушителей, а также шума, излучаемого поверхностью корпуса двигателя некоторых моделей автомобилей и мотоциклов при измерениях по методике ГОСТа 19358-74 [8].

Таблица 10.1

Проектирование глушителей впуска и выпуска проводится в такой последовательности:

1. Определяем ожидаемые уровни звукового давленияLнезаглушенного впуска или выпуска двигателя в октавных полосах частот при испытаниях по стандартной методике [8]

где R– расстояние от измерительного микрофона до проезжающего транспортного средства (R7,5); ПН – показатель направленности излучения шума на впуске и выпуске двигателя (ПН0).

2. Исходя из допустимого уровня общего шума транспортного средства L_{А доп}, находим допустимые уровни звукового давления в каждой октавной полосе частот

(10.2)

L_{А доп}определяем по ГОСТу 19358-74,Hнапример, для легковых автомобилей

L_{А доп}=82 дБА; для грузовых автомобилей и автобусов – 84, 89 или 91 дБА в зависимости от массы транспортного средства и мощности двигателя; для мотоциклов – 82, 84, 85 или 85 дБА в зависимости от рабочего объема двигателя;_Асоставляет 26, 16, 9, 3, 0, -1, -1 и 1 дБ соответственно при 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц;;m– число октавных полос, принимаемых в расчет.

3. Определяем требуемое снижение октавных уровней звукового давления шума впуска и выпуска

(10.3)

n– количество основных источников шума транспортного средства, обычноn=3.

Если рассчитанная L_трокажется отрицательной, то ее следует брать равной нулю.

4. Выбираем принципиальную схему построения глушителей.

Глушитель впуска должен содержать воздухофильтр, который является одновременно шумоглушащим элементом с последовательной фрикцией. Его следует располагать на входе воздуха в глушитель. Кроме него, в схему глушителя могут быть включены реактивные элементы: резонаторные – параллельно, и камерные – последовательно воздушному потоку. Камерный элемент целесообразно размещать на выходе воздуха из глушителя. Иногда для повышения эффективности на средних и высоких частотах применяют абсорбирующие элементы глушения с параллельной фрикцией.

Глушитель выпуска представляет собой комбинацию камерных и резонаторных элементов шумопоглощения, настроенных таким образом, чтобы их области заглушения перекрывали весь частотный диапазон требуемого снижения шума.

Таким образом, любые по сложности глушители могут быть синтезированы из типовых элементов шумоглушения: абсорбционных – с последовательной или параллельной фрикцией и реактивных – камерного или резонаторного типа.

5. Определяем акустическую эффективность типовых элементов глушителя:

а) Эффективность абсорбционного элемента с последовательной фрикцией ориентировочно можно определить

где H_- суммарное падение давления в глушителе, содержащем абсорбционный элемент, Па;H– падение давления в глушителе без абсорбционного элемента, Па.

Гидравлическое сопротивление глушителя может быть рассчитано по справочным данным [12].

б) Эффективность абсорбционного элемента с параллельной фрикцией приближенно рассчитаем по формуле

PиF– периметр, м, и площадь, м², проходного сечения канала, облицованного звукопоглощающим материалом;l– длина облицованного участка канала, м;() равна 0,5; 0,65; 0,9; 1,2; 1,6; 2; 4 при соответствующих значениях коэффициента звукопоглощения облицовки0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1.

в) Акустическую эффективность реактивных элементов определяем, исходя из теории линейной акустики, для частотного диапазона существования плоских волн. Этот диапазон для элементов круглого сечения ограничен частотой

_гр=0,586с/DГц, (10.6);c=20,4(10.7) – скорость звука в шумоглушащем элементе, м/с; Т – температура газов, К;D– наибольший диаметр элемента, м.

Рис. 10.1. Камерные шумоглушащие элементы.

Пренебрегаем влиянием скорости газового потока и считаем полным отражение волн от открытого конца выходного канала шумоглушащего элемента. При этих допущениях эффективность камерного элемента, изображенного на рис. 10.1а, рассчитывается по формуле

- частота звука, Гц; S_kиS_T– площади поперечного сечения камеры и трубопроводов. Остальные обозначения указаны на рисунке.

Высокие результаты шумоглушения получаются при условии, что

l₁=l₂=l;l₃=0 иl_Т=2l. Тогда

г) Эффективность камерного элемента, представленного на рис. 10.1б, рассчитываем по формуле

m=S_K/S_T. Остальные обозначения указаны на рисунке.

Наиболее широкая полоса заглушения достигается при l₁=l₂=l.

В этом случае

Рис. 10.2. Резонаторные шумоглушащие элементы.

д) Эффективность реактивного элемента резонаторного типа (рис. 10.2) рассчитываем по формуле

гдеV– объем резонаторной камеры;F– площадь проходного сечения трубопровода;f_Р– резонаторная частота;K– проводимость горла резонатора.

Для ответвленного резонатора (см. рис. 10.2а)

d,lиS– диаметр, длина и площадь проходного сечения горла резонатора.

Для кольцевого резонатора (см. рис. 10.2б)

n₀иd– количество и диаметр отверстий перфорации;- глубина отверстий (толщина стенки трубопровода);a– расстояние между центрами соседних отверстий перфорации;

6. Находим суммарную акустическую эффективность глушителя на заданной частоте

L_i– акустическая эффективностьi-го элемента шумоглушения на данной частоте, которая может быть определена по одной из формул (10.4…10.20);N– количество элементов, входящих в состав глушителя.

7. Проверяем в каждой полосе частот выполнение условия

Если в каком-либо частном диапазоне соотношение (10.22) не выполняется, то, варьируя размерами и количеством шумоглушащих элементов, добиваемся необходимого увеличения акустической эффективности на этих частотах согласно формул (см. 10.4…10.21).

Например, для повышения эффективности камерных элементов следует в первую очередь увеличивать параметры иm(10.8…10.15). При использовании резонаторных элементов следует увеличиватьKиVи уменьшатьF– (10.16).

Пример.Рассчитать глушители шума впуска и выпуска двигателя легкового автомобиля. Уровни звуковой мощности шума незаглушенного впуска и выпуска, а также корпусного шума в октавных полосах частот, полученные при стандартных испытаниях автомобиля [8], приведены в табл. 10.2. Диаметр проходного сечения впускного трубопроводаd_ВП=60 мм, а выпускного –d_ВЫП=50 мм, толщина его стенки=1,5 мм. Допустимые размеры глушителя впуска: 200200300 мм, а глушителя впуска - 150200150 мм. Цилиндрический бумажный воздухофильтр имеет размеры: диаметр 150 мм и длину 80 мм.

Решение.Определяем по формуле (10.1) октавные уровни звукового давления незаглушенного шума впуска и выпуска, а также корпусного шума. Затем по формуле (10.2) находим допустимые уровни звукового давления в октавных полосах. По (10.3) вычисляемL_грдля впуска и выпуска в каждой полосе частот.

Требуемое снижение шума впуска и выпуска невелико, поэтому возьмем цилиндрический однокамерный глушитель, схема которого приведена на рис. 10.1б. Исходя из заданных габаритов, выбираем D_k=200 мм иl_k=100 мм. Для получения большего эффекта заглушения беремl_T=l_K= 100 мм,d_T=d_ВП=60 мм. Примем температуру воздухаT=293К. Тогда с=343 м/с иf_ГР=1006 Гц (см. 10.7 и 10.6). По формулам (10.12) и (10.15) находимиL_ВПдля частот, которые даны в табл. 10.2 и не превышаютf_ГР. СравниваяL_ВПсL_{тр вп}, убеждаемся, что глушитель обладает достаточной эффективностью. Результаты расчета сводим в табл. 10.2. Пример конструктивного исполнения рассчитанного глушителя дается на рис. 10.3.

Требуемое снижение шума выпуска достигает больших значений и занимает широкий частотный диапазон. Поэтому глушитель следуем выполнить из двух элементов: камерного и резонаторного. Для обеспечения высокой звукоизоляции корпус глушителя берем цилиндрическим с диаметром 150 мм. Для получения наибольшей эффективности шумоглушения построим камерный элемент по схеме, показанной на рис. 10.1а, при условии, чтоl₁=l₂=l=100 мм;l₃= 0;l_Т=2l=200 мм иd_T=d_ВЫП=50 мм.

Рис. 10.3. Глушитель шума впуска.

Примем температуру отработавших газов в камере Т=673 К. Тогда с=520 м/с и f_ГР=2031 Гц. Используя формулу (10.31), определяемL_КАМ. СравнениеL_КАМсL_ВЫПпоказывает, что эффективность глушителя недостаточна в полосах частот 125, 250 и 500 Гц. Поэтому резонаторный элемент, аналогичный изображенному на рис. 10.2б, настраиваем на частотуf_ГР=150 Гц. Исходя из заданных габаритов, берем длину резонатора равной 300 мм;V=0,004712 м³. Примем в резонаторе Т=723К. Тогда с=539 м/с. По (10.17) К=0,0144 м. Выбираемd=5 мм,(d/a)1. С помощью (10.19) определяемn₀, а затем по (10.16)L_РЕЗдля частот, указанных в табл. 10.2. Суммарная эффективность камерного и резонаторного элемента

L_{ ВЫП}>L_{ТР ВЫП}во всех полосах частот.

Результаты расчета приведены в табл. 10.2.

Пример конструкции рассчитанного глушителя приведен на рис. 10.4.

Рис. 10.4 Глушитель шума выпуска.

§ РАСЧЕТ И СНИЖЕНИЕ ШУМА ПРИ ИСПЫТАНИЯХ

ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Общий уровень звуковой мощности, создаваемый турбореактивным двигателем, может достигать 160…175 дБ, поэтому для испытаний ТРД необходимо создавать специальные защищающие устройства. В противном случае для обеспечения нормативных значений шума на территории жилой застройки пришлось бы увеличить расстояние от испытательного бокса до жилых зданий до 8…10 км.

Типовая схема испытательного бокса приведена на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Схема испытательного бокса: 1 – глушитель шахты всасывания; 2 – глушитель шахты подсоса; 3 – глушитель шахты выхлопа; 4 – эжектор; 5 – двигатель.

Шумоглушащие устройства должны снижать шум до допустимых уровней на территории жилого, защищаемого от шума района и в близлежащих производственных корпусах предприятия. Допустимые уровни звуковой мощности источника шума определяют по формуле

ЗдесьR – расстояние от источника шума до защищаемого объекта, м; L_ДОП – допустимые уровни звукового давления на территории защищаемого объекта [9];  - затухание шума в атмосфере, дБ/км. Она принимает следующие значения в зависимости от среднегеометрической частоты.

Далее определяют требуемую эффективность шумоглушащих устройств.

гдеL_{Р ИСХ} – исходные октавные уровни звуковой мощности источника шума.

Принимаем, что основной источник шума ТРД – реактивная струя, шум от которой достигает атмосферы по трем каналам (см. рис. 11.1): через шахту выхлопа, шахту всасывания и шахту подсоса. Уровни звуковой мощности шума L_{Р ИСХ}, проникающего в каждую из шахт – в общем случае различные и, следовательно, различной оказывается требуемая величина заглушения. Определим исходные спектры звуковой мощности для каждого из каналов.

Источник шума для глушителя выхлопа – шум струи, поэтому вначале рассчитаем общий (суммарный) уровень звуковой мощности шума струи L_Р по формуле

Здесь V_с – скорость истечения газа из сопла, м/с; _с – плотность струи в выходном сечении сопла, кг/м³; F_с – площадь сопла, м².

Для определения октавных спектральных составляющих шума струи L_{Р ОКТ} используют относительный спектр звуковой мощности, изображенный на рис. 11.2, который представляет собой зависимость величин

от безразмерного параметра – числа Струхаля

где d_С – диаметр сопла, м. Задаваясь последовательно значениями среднегеометрических частот , находят соответствующие значения числа Струхаляsh. По нему из графика на рис. 11.2 определяют значение величины L_р, а затем по формуле (11.4), так как значение величиныL_Р уже было определено расчетом, находят искомые значения величин L_{Р ОКТ}, которые и представляют собой исходный спектр для подбора глушителя выхлопа.

Источник шума для глушителей шахты всасывания и подсоса – отрытый участок выхлопной струи (см. рис. 11.1), расположенный между срезом сопла двигателя и эжектором. Поэтому шум, поступающий в шахту всасывания и подсоса, определяется той частью звуковой мощности струи, которая излучается в бокс. Расчет начинают с определения общего (суммарного) уровня звуковой мощности L_Р, излучаемого в бокс.

Значение этой величины зависит от значения отношенияx/d_С, где х – расстояние среза сопла до эжектора. Расчет проводится по формуле

Величину принимают равной 10 дБ при x/d_С=1 и равной 7 дБ при x/dС1,5. Обычно расстояние х не превышает 1,5 диаметра сопла.

Октавные спектральные составляющие уровней звуковой мощности L_{Р ОКТ } шума, излучаемого в бокс, определяют по относительному спектру звуковой мощности, который приведен на рис. 11.3. Он по своей структуре аналогичен относительному спектру, изображенному на рис. 11.2. Величины L_{Р ОКТ } определяют из соотношения

в котором значение относительных величин L_{Р } находится предварительно из графика на рис. 11.3 в зависимости от числа Струхаля, подсчитанного для каждого значения среднегеометрической частоты стандартных октавных полос.

Определяем спектр шума, излучаемого через шахту всасывания по формулам: для необлицованных боксов

для боксов со звукопоглощающей облицовкой стен и потолка

Здесь B – постоянная помещения, м², определяется по методике, изложенной в работе [28]; S_K – площадь входного сечения шахты всасывания.

Исходный спектр шума, излучаемого через шахту подсоса, определяется по формуле

где r – расстояние от средней точки на оси открытой части струи (см. рис. 11.1) до входного сечения шахты подсоса, м; S_ПОДС – площадь входного сечения подсоса, м².

Пример. Рассчитать исходный спектр шума выхлопа ТРД для подбора глушителя шахты выхлопа, если типовой двигатель имеет следующие параметры: V_С=670 м/с, _С=0,325 кг/м³, F_С=0,375 м². Испытания проводятся в течение восьмичасового рабочего дня. Расстояние до защищаемой жилой застройки R=1,5 км.

Решение. По формуле (11.3) находим суммарный уровень звуковой мощности струи L_Р=166 дБ. Зная F_С, находим диаметр сопла d_С=0,59 м и подсчитываем число Струхаля для каждой среднегеометрической частоты . По графику на рис. 11.2 и по формуле (11.4) определяем искомые спектральные составляющиеL_{Р ОКТ} исходного спектра. Результаты расчета сводим в табл. 11.1.

По нормам [9] находим допустимые значения уровней звукового давления L _ДОП на территории жилой застройки. Затем по формуле (11.1) находим допустимые уровни звуковой мощности L_{Р ДОП} источника и по формуле (11.2) – искомую величину требуемого заглушения шума выхлопа L_{ТР ВЫХ} в каждой октавной полосе частот. Результаты расчетов сводим в табл. 11.1.

Пример 2. Рассчитать исходный спектр шума, создаваемого при испытаниях ТРД, для подбора глушителя шахты всасывания и определить требуемое заглушение шума всасывания, если площадь сечения шахты всасывания S_ВС=32 м², а x/d_С=1. Параметры двигателя, длительность проведения испытаний и расстояние до защищаемой жилой застройки взята из примера 1. Дополнительно известна постоянная помещения бокса В.

Решение. По формуле (11.5) найдем суммарную звуковую мощность, излучаемую в бокс открытым участком струи при x/d_С=1, т.е. L_Р=156 дБ. Определим октавные уровни звуковой мощности L_{Р ОКТ} шума, излучаемого в бокс по графику на рис. 11.3. По формуле (11.7) рассчитываем составляющие исходного октавного спектра для подбора глушителя. По формуле (11.2) определяем требуемую величину заглушения шума всасывания L_{ТР ВС}. Допустимые уровни звуковой мощности были рассчитаны в предыдущем примере. Результаты расчетов сводим в табл. 11.2.

Пример 3. Рассчитать спектр шума на входе в шахту подсоса и определить требуемую величину заглушения для подбора глушителя шахты подсоса. Условия испытаний и параметры бокса приведены в примерах 1 и 2. Площадь поперечного сечения шахты подсоса 32 м². Расстояние (см. рис. 11.1) от средней точки открытого участка струи до входного сечения шахты подсоса равняется 10 м.

Решение. Расчет L_{Р ОКТ ПОДС} проводим по формуле (11.9). Спектральные составляющие уровней звуковой мощности L_{Р ОКТ } шума, излучаемого в бокс, были найдены в примере (2), а остальные величины, входящие в формулу (11.9), заданы в условии. По формуле (11.2)

находим требуемую величину заглушения шума подсоса . Все расчеты сводим в табл. 11.3.

Из табл. 11.1, 11.2, 11.3 видно, что для снижения шума до допустимых значений необходима установка специальных глушителей для всех трех каналов, излучающих шум при стендовых испытаниях ТРД.

Подбор глушителей для испытательных станций ТРД основывается на результатах экспериментальных исследований с использованием некоторых теоретических сведений. Широкое применение для испытательных станций нашли глушители секционные вертикальные (СВ) и пластинчатые глушители [21,28] .

В табл. 11.4 приведены частотные характеристики эффективности заглушения (дБ) некоторых глушителей типа СВ при исходных общих уровнях и звуковой мощности порядка 165 дБ, при скорости газовоздушного потока 20...25 м/с, нашедших применение при снижении шума выхлопа на станциях испытания ТРД.

При подборе глушителей для испытательных станции ТРД следует иметь в виду, что заглушение шахт всасывания и подсоса достигается

более простыми средствами [21], поэтому на практике обычно при-

меняют такие средства заглушения, которые снижают уровни звуковой мощности для этих источников на 8... 10 дБ ниже соответствующих уровней шума выхлопа. При соблюдении такого соотношения снижение шума выхлопа до величин, равных , можно обеспечить для всей испытательной станции на территории защищаемого объекта, до санитарных норм.

Пример 4. Подобрать глушители шума для шахт выхлопа, всасывания и подсоса бокса для испытания ТРД. Условия испытаний и расстояние до защищаемой территории жилой застройки приведены в примерах 1...3. Дополнительно задано, что допустимые скорости потоков в глушителях всасывания, подсоса и выхлопа соответственно равны 15, 15 и 20 м/с.

Решение. Для заглушения выхлопных систем обычно применяют глушители типа СВ, поэтому воспользуемся данными из табл. 11.4, из которой следует, что рассчитанной величине удовлетворяют два глушителя СВ-3 и СВ-4. Выбираем глушитель СВ-3, так как он имеет меньшие габариты. Для заглушения шахт всасывания и подсоса используем пластинчатые глушители (см. табл.7.4 ), имеющие свободное проходное сечение 33%, толщину щитов 200 мм, шаг щитов 100 мм и длину щитов 2 м.