автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка и внедрение методики акустического расчета реактивных глушителей шума транспортных средств

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИ ИТ)

^! ^ ^ ^ На правах рукописи

г г сен 1383

УДК 628.517.2

ТКАЧЕНКО ЮРИЙ ЛЕОНИДОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДИКИ АКУСТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА РЕАКТИВНЫХ ГЛУШИТЕЛЕЙ ШУМА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

05.26.01 - Охрана труда

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана на кафедре "Промышленная экология и безопасность"

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

В. В. Тупов

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Б. Н. Нюнин - доктор технических наук Л. Ф.Лагунов

Ведущая организация - Научный центр социально-производственных проблем охраны труда (г. Москва)

Защита диссертации состоится " /Р. в>щл1998 г. в "/9 час, на заседании диссертационного совета К 114.05.04 в Московском государственном университете путей сообщения по адресу: 101475, ГСП, Москва, А-55, ул. Образцова, 15, ауд. 2404. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 1998 г

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

С. П. Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Реактивные глушители широко применяются для снижения шума систем впуска и выпуска газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств. Разработке этих устройств посвящены работы Старобннского Р. Н., Тупова В. В., Бутакова Г. В., Осипова Б. И., Ежова С. П., Луканина В. Н., Нюннна Б. Н„ Кугищева М. А., Кане А. Б., Клюкина И. И.

Актуальность темы. В настоящее время в промышленности распространены эмпирические подходы к проектированию глушителей шума. Такая ситуация вызвана недостаточной универсальностью существующих аналитических методик для акустического расчета глушителей широкого спектра конструкции ДВС и низкой точностью результатов, получаемых при использовании этих методик в проектных расчетах. Последнее вызвано тем, что известные методики не учитывают в полной мере ряд факторов, характерных для систем выпуска (впуска), таких как высокоскоростной газовый поток, изменение энтропии и температуры, потерн звуковой энергии на местных сопротивлениях и за счет трения и теплопроводности среды.

Поэтому актуальна задача разработки аналитической методики акустического расчета, применимой для глушителей шума широкой гаммы ДВС и обладающей достаточной для проектных расчетов точностью.

Цель работы: разработать и апробировать методику акустического расчета применительно к проектированию и модернизации реактивных глушителей шума выпуска и впуска для широкого класса конструкций ДВС.

Задачи работы:

- провести унификацию и классификацию конструкций реактивных глушителей для представления их в виде набора типовых элементов;

- разработать математические модели типовых элементов и создать на их основе методику акустического расчета реактивных глушителей шума;

- оценить точность разработанной методик» путем ее экспериментальной проверки в реальных условиях эксплуатации глушителей;

- провести компьютерное и лабораторное исследование основных шумоглушащих ячеек, составленных из типовых элементов, с пелыо повышения акустической эффективности;

- внедрить разработанную методику в конструкторскую практику.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- проведена унификация расчетных схем, отражающих основные принципы работы элементов реактивных глушителей;

- разработаны математические модели типовых элементов, позволяющие учесть при расчетах скорость движения газовой среды, изменение энтропии и температуры, потерн звуковой энергии на местных сопротивлениях н за счет трения и теплопроводности среды;

- получены математические выражения для расчета импеданса излучения звука концевыми отверстиями глушителей шума выпуска и впуска с учетом газового потока.

Практическая ценность работы. Разработанная методика дает проектировщику возможность рассчитать несколько вариантов конструкции глушителя н выбрать наиболее эффективную. При расчетах разработчик может изменять геометрию проектируемого или модернизируемого глушителя, поднимая тем самым его эффективность до тре-

буемого уровня, что позволяет свести к минимуму объем экспериментальных работ по доводке глушителя.

Методы исследования. Для математического моделирования использован матричный метод эквивалентных четырехполюсников. Для экспериментальной проверки разработанной методики использованы данные акустических измерений по методикам отраженного и свободного звукового поля. При лабораторных исследованиях использовалась экспериментальная установка, разработанная на основе акустического интерферометра.

Область внедрения и применения результатов работы - предприятия и организации, связанные с проектированием, производством, ремонтом и модернизацией железнодорожного подвижного состава, автотранспорта и средств механизации, оснащенных ДВС.

Разработанная методика акустического расчета внедрена в Научно - исследовательском тракторном институте (НАТИ) и в ОАО "Мотопром".

Апробация полученных результатов. Основные положения работы докладывались и обсуждались на:

Научно-технической конференции "165 лет МГТУ им. Н. Э. Баумана".- Москва: МГТУ им.Н.Э.Баумана, 21-23ноября 1995г.;

Международном конгрессе "Молодежь и наука - третье тысячелетие".- Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГУ им. М. В. Ломоносова, 28 января - 2 февраля 1996 г. Доклад отмечен дипломом 1 степени;

VI сессии Российского акустического общества "Акустика на пороге XXI века".- Москва: АКИН, МГУ, РАО, 14-16 октября 1997 г.;

Научно-технической конференции "Двигатель - 97".- Москва: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 14-16 октября 1997 г.;

Научно-практическом семинаре "Проблемы горной механики и транспорта" в рамках "Недели горшка",- Москва: МГГУ (Горный университет), 2-6 февраля 1998 г.;

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ и зарегистрирован 1 отчет о НИР.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и двух приложений. Работа содержит 148 страниц, 31 рисунок. Список литературы включает 67 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выбранной темы. Поставлена цель и сформулированы задачи работы.

В первой главе проведен анализ известных работ в области акустических расчетов глушителей шума. Показаны достоинства и недостатки существующих подходов к математическому моделированию глушителей. Разработан ряд типовых элементов (ТЭ) реактивных глушителей шума (рис.1). Для теоретического описания глушителей шума выбран матричный метод эквивалентных четырехполюсников. В рамках данного метода акустические характеристики глушителей могут быть рассчитаны на основе его матрицы передачи (МП) размером 2x2.

Во второй главе выбраны характеристики акустической эффективности глушителей шума, выведены формулы для их расчета на основе матричного метода. Рассмотрены физические и геометрические факторы, учитываемые в разрабатываемых математических моделях типовых элементов.

ы

1. Камерные неперсрори романные элементы

/V

2.Элементыi с персрорйци ей

цилиндрическая mppSa

1.1.

2.1

внезапное расширение

1.2.

внезапное сужение I-1

1.3.

м, JU

Ms-

>5'

8$еЗенная i%Wíf mpph

1Л.

ts.

расширение cpeipcupotfamet-,

16.

введенная йтускния тру$а

п_

/-'Ft

Мд

Ж2

сужение с реверсированием

1.7. *М1 ъ

'—*t— 3 Г7 L4

*Ml г

Концентрическии резонатор " %г

X

-б

Са

¿пуск с перегородкой

U.

& туск с перегородхоа

2.3.

•<Л

г;

П.1

Ht,l\>

Biycx с реберcupoSaтем

-ОС

U.

" М1,1 Mt, г

I

h

1шуск с pe8?pcupcíame/i

2.5.

-5

Mi, 2 Mtf

Jb

Рис. I. Ряд типовых элементов реактивных глушителей шума

Для описания акустической эффективности глушителей шума на основе анализа литературы были выбраны 2 параметра: вносимые потери (1Ь) и потери передачи (ТЬ). Первый характеризует эффективность снижения шума в окружающей среде, достигаемую в результате установки глушителя на источник шума ("эффект установки"). Вносимые потери зависят от характеристик источника шума и излучающего отверстия глушителя:

Тдгг + Тв + + То)

V Ые^г)

(I)

ЪгО + Ъъ

где: 7л - импеданс излучения звуковой энергии концевым отверстием глушителя шума; ZrO - импеданс излучения звуковой энергии концевым отверстием системы выпуска (впуска) без глушителя; Та - акустический импеданс источника шума; Ле - обозначает действительную часть комплексного импеданса; Та, Тв, Тс, То - комплексные коэффициенты матрицы передачи глушителя.

Потери передачи характеризуют эффективность глушителя безотносительно параметров источника шума и нзлучаюшего отверстия:

ТЬ = 20 1ё

0.5

2м

(2)

где: Zhl и Ъы - характеристические импедансы соответственно входного и выходного патрубков глушителя.

Вносимые потери являются основным показателем эффективности при проектиропании глушителей, а потери передачи - при лабораторных исследованиях и сравнении межпу собой эффективности различных конструкций глушителей.

Определение импеданса источника 1л, и импеданса излучения £г, входящих в формулу (I), представляет собой отдельную задачу. Импе-

дане источника возможно определить экспериментально. Для расчета импеданса отверстия были получены выражения для расчета действительной и мнимой части: выпуск

Re(Zr) = [(1 - |R|»)/Yi ] - (2MJ P„c)/S; Im(Zr) = (2|R|sinF) / Yi;

где: Yi = S[(l - |R|cosF )l + (|R|sinF )г] I {PBc). впуск

i-мУ"

Re(Zr) = [1 - |Rji ^YTl^J */Yi; 1т(7'г) = 12М1гП^;

/j_My» /'J-MV"

где: Y:= S|(1 -|R| (j^j cosF )i + (|R¡ [^J einF )'J!(A>c).

_ [(0.5кг)* + (0.6кг)2 - + (1.22кг)г = (0.5 кг)4 + 0.86 (кг)3 + 1 ;

Р= Я - агс1й(1.22 кг);

г - радиус отверстия; Рв и с - средняя плотность газа и скорость звука в нем; М -число Маха скорости газового потока; 8 - площадь из-

2л {

лучающего отверстия; к = -- волновое число; Г - звуковая частота.

с

Эти выражения справедливы при выполнении условия одномерного распространения плоских звуковых волн.

Матричный метод позволяет представить любую конструктивную схему глушителя в виде последовательного соединения п-го числа различных составляющих элементов. Каждый элемент в свою очередь описывается соответствующей матрицей передачи. Тоща результирующая МП всего глушителя в целом получается путем перемножения МП отдельных составляющих ТЭ. Поэтому, имея матрицы передачи всех ти-

повых элементов, возможно рассчитывать эффективность практически любых требуемых конструкций глушителей шума.

В третьей главе приведен подробный вывод матриц передачи всех типовых элементов.

При разработке матриц передачи типовьи элементов было обосновано принятие следующих допущений:

1. Возможно использование линейной акустики.

2. Осредненная скорость газового потока задается равномерной в плоскости поперечного сечения элемента и стационарной во времени.

3. Частотный диапазон ограничен условием одномерного распространения плоских звуковых волн.

4. Изменение температуры задается дискретно при переходе от элемента к элементу. В границах каждого ТЭ температура принимается постоянной.

5. Стенки элементов абсолютно жесткие и отсутствует передача звуковой энергии по конструкции глушителя.

На основе перечисленных допущений были записаны уравнения неразрывности, движения и состояния для цилиндрической трубы (ТЭ № 1.1). Путем преобразования записанных выражений получено одномерное волновое уравнение:

^ + и0 ^

д\ 0 ¿х

= О,

д1г 0 дт} дхг где: 1)о - осредненная скорость потока; р - акустическое давление; Р - коэффициент потерь энергии колебаний на 1 м длины трубы вследствие трения и теплопроводности среды; 4 - время;.

Решая это уравнение с использованием преобразования Фурье, получаем матричное уравнение для отрезка трубы:

Р\ Б и,

= ехр(- jkc М Ь)

ТА тв Тс V

Рг Б и

г.

ри_

где: Та = сс«(кс Ь)х ^ 5т(к0 Ь);

Тс = 0/2'ь)8т(ксЬ);

х ^

кс = к + ТГ^Тл

Тв = )г|,8т(кс Ь);

, Р М

То = со8(кс Ь)+ —£— 81П(кс 1-); ; -Ро ® - площадь нопе-

(1 + М)'

речного сечения трубы. Верхний знак используется при расчетах глушителей выпуска, нижний - впуска.

Для элементов с внезапным изменением поперечного сечения (ТЭ № 1.2 -1.7, рис. I) можно пренебречь распределенными потерями за счет трения и теплопроводности ввиду их малости. Для этих элементов записываются уравнение расхода, уравнение Бернулпи, уравнение сохранения количества движения в алгебраической форме на основе перечисленных выше допущений.

Эти уравнения, выраженные через параметры на входе и выходе элементов № 1.2 - 1.7, принимают следующий вид (членами, содержащими квадрат акустической колебательной скорости, пренебрегается ввиду их малости):

(А +Ц)=(^, +А)Зз('Лз+из)+(рАи2);

(/V +/>.)+ 0-5Яо(им + и,)г=(рм+Л)+0^0(ио,,+ )2 +

+ к(0.5А(ио>3+и3)^

(Ро. 1 + +(ро + />.)31(и01, + и,)2 +

+ ч.

Где: Ро,\> Ръ,\-> Рг> Рг\ и и^и^и, - соответственно сред-

ине давления, акустические давления и колебательные скорости на входе и выходе элемента, а так же в тупиковой области элементов № 1.4 -1.7; 1Ь,1 и и«- осредненные скорости потока на входе и выходе элементов;/?, - переменные составляющие плотности газа при акустическом возмущении; Яь вг, Бз - площади поперечного сечения каналов н тупиковой области (кольцевой для № 1.4 - 1.5 и цилиндрической для №1.6 - 1.7); К - коэффициент потерь динамического напора; 41 и (¡2 - постоянные.

Искомые МП могут быть получены путем выражения величин

Р\ и и, в виде комбинации Рз и иэ • Для этого используются уравнения связи:

где: £ - изменение энтропии при переходе плоскости скачка по-

Рг =

с

где: Т - температура газовой среды. МП элементов № 1.2-1.7 имеют следующий вид:

Я

Б, и,

ТА Тв рз

Тс тЛ_83и,]'

с

(3)

где: Тд =1-[КМ}Д1 - М])]; Тв = К Ъы М,/(1 - М|):

- - 1)КМ М;))]};

тп = р|з|[гикм,/(1.м5)]+я18,гим,[1.((у-1)км;/(1-м?))]-

_ ср

У " ; Ср и Су - теплоемкость газа при постоянном давлении и и у

постоянном объеме; Z2 = с^ёО^О/^з ; верхний знак относится к

сужению, нижний - к расширению.

Для простого внезапного расширения и внезапного сужения поперечного сечения (ТЭ № 1.2-1.3) соответствующие коэффициенты матрицы передачи можно получить, положив в уравнении (3)

V = 0; Чз = 0.

Анализ ТЭ с перфорацией (№ 2.1-2.5 на рис.1) показал, что в их основе лежит секция (рис.2), состоящая из внутреннего и наружного каналов, связанных между собой через импеданс перфорации Хр. МП такой секции имеет размер 4x4. Концентрическая секция согласно допущению 3 может быть заменена плоской расчетной схемой. Для определения коэффициентов МП разделяем секцию на сегменты двух типов (рис.3): сегменты - акустические проводимости и сегменты в виде отрезков каналов, разделенных жесткой стенкой. Первые сегменты имеет бесконечно малую толщину и обозначает зону обмена между каналами.

0

! ми \ ' / Мц Мк \ ' / Ир М4з , » о • •• Мр-Г % Ни' • е © М1/Н

/Л к,

1 2 ь . . . Л/-4

Рис.З. Сегментация расчетной схемы секции

Для получения МП этого сегмента используем систему описанных выше алгебраических уравнений газовой динамики, применяемую для каждого из каналов. При этом добавляем уравнение связи каналов:

- (рз.ъ)]

Ы =

где: {р\, ь),, {рг, ь)^ (иь)|- акустические давления в первом и во втором каналах и колебательная скорость в плоскостного сегмента; Zp) = N 2р; N - количество сегментов данного типа. МП сегмента имеет вид:

'(Р,)ц 0|а 01, (р

3,(и,)н о*, О'» о13

М М °зз 01 (^з)м

о1« о{2 «¿з 01

Сегмент в виде отрезков каналов аналогичен двум параллельным элементам № 1.1. Для получения МП этого сегмента используем описанную выше для ТЭ № 1.1 систему дифференциальных уравнений газовой динамики, применяемую для каждого из каналов:

'Мы

Мы

и;, н;2 н',з н;4 Щ| Щг Н'м

ЭДи,)^,

Н'з, Н'32 Н'зз Н'34 ( Р])ц-1

Матрица передачи секции получается путем последовательного перемножения соответствующих матриц передачи сегментов:

ГГ*п]= Гп][Н]1[0^,„], п = ш = 4.

Г=1

/

МП ТЭ с перфорацией находим из МП секции путем связывания двух из четырех значений акустического давления и колебательной скорости через соответствующие граничные импедаисы.

Например, для концентрического резонатора: (р 2)1 / (л) 1 = ^м; (111)1 / (ц 2)1 =

}1ы с^(кЦ); 2,1,1= - \Ъы с1в(к1ь)-Тд=Тц+(Т1зг2^+Т14)Е1/Ез; Тв=Тп+(Тпг2,2+Тн)Е2/Ез;

Тс=Ти+(Т»эгад+Тм)Е|/Е» То=Тп+(Т»г,и+Т1<)Е1/Еу,

Е1=Т41?у1,1-ТЗ1; Ег=Т«Х2,1-Тзг; Ез=(Тз4+ТззХ2,1-Т4зХ2,1X2,2-744X2,1).

Аналогично получены МП и для всех остальных ТЭ с перфорацией.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальной оценки точности разработанной методики и сравнение точности результатов, получаемых по разработанной методике и по другим известным методикам. Проведено лабораторное исследование шумоглу-шащих ячеек, состоящих из типовых элементов, с целью повышения их акустической эффективности. Приведены результаты апробации и внедрения разработанной методики.

Оценка точности методики акустического расчета проводилась путем сравнения 1/3-октавных спектров вносимых потерь, полученных экспериментально в реальных условиях эксплуатации глушителя и рассчитанных по предлагаемой методике. Исследовался глушитель шума выпуска двухтактного карбюраторного двигателя с рабочим объемом 175 см5. Расчетная схема глушителя состоит из ТЭ: №№ 1.5, 1.4, 1.5, 1.4, 1.5, 2.1. Двигатель работал на стенде, система торможения - индукторная. Измерения уровней звукового давления (УЗД) проводились по методике ГОСТ 12.1.027-80 в отраженном звуковом поле испытательного бокса с помощью аппаратуры "Брюль и Къер" 3347. Шум помех был достаточно снижен. Погрешность измерения УЗД шума выпуска соот-

ветствовала II классу точности в 1/3-октавных полосах свыше 250Гц (не более ± 1.0 дБ с надежностью 0.95). Графики расчетных и измеренных вносимых потерь для различных скоростных режимов работы двигателя приведены на рис.4. Максимальное расхождение не превышает по модулю 4.5 дБ во всем скоростном диапазоне работы двигателя.

Результаты сравнения точности результатов, получаемых по разработанной методике и другим методикам, представлены на рис.5. Исследование проводилось для глушителя шума выпуска двухтактного карбюраторного двигателя с рабочим объемом 250 см3. При расчетах использовались ТЭ № 1.5,2.1, 1.4, 1.1 и 1.5. Измерения УЗД проводились по описанному выше способу.

С целью разработки рекомендаций по синтезу эффективных схем глушителей было проведено компьютерное и лабораторное исследование наиболее распространенных шумогпушащих ячеек, состоящих из типовых элементов. В качестве характеристики акустической эффективности использовалась величина потерь передачи. Измерения УЗД проводились в условиях стационарного равномерного потока на лабораторной установке с использованием микрофонной тележки акустического интерферометра "Брюль и Къер" 4002 и анализатора спектра 2010. Озвучивание установки производилось динамическим громкоговорителем (12 Вт), питаемым через усилитель от генератора звуковой частоты "Брюль и Къер" 1022. Характеристики установки: УЗД, создаваемые во впускном патрубке исследуемого глушителя до 140 дБ на чистых звуковых тонах; погрешность измерения УЗД не более ± 0.5 дБ; частотный диапазон определяется поперечными размерами исследуемого глушителя; скорость газового потока до 0.3 числа Маха; погрешность измерения потока не более 5 %.

1и. ДБ

11-, дБ

во

55 50 45 40 35 30 25 20 15

*

к \ :5С 00 ии

1 А. \

// // \

// 1 /

/ Л II II V

\ V /

250 400 »-, ДБ

взо

1000

1600 2500 Тер, Гц

во 55 50 45 40 35 30 25 20 15

1

2 > 40 оо

V

¡1 V у

¡1 11 Ч . \ \\

ч . „__

'1

250

400

взо

1000

1800 2500 Гц

1- Экспериментальные данные; 2 - Расчет.

60 55 50 45 40 35 30 25 20 15

<

г 1 \ /7= 50 ОО /м

Г- /' ч\ ч\

/ 1 \ N / /

/ \ г ( // /у

/1 к N

У 1

60 55 50 45 40 35 30 25 20 15

250 400

Ш дБ

взо

1000

1800 2500 ^р, Гц

1 -- \ У)* = 60 00 1Н

у \\

_2_ ¡1 // / ч \ \ ----

/ и \ \ \

1 1 и

11 ¡1

V

250

400

630

1000

1600 2500 *ср, Гц

Рис. 4. Оценка точности разработанной методики

1 - Эксперимент; Расчеты: 2 - по разработанной методике;

3 - по методике, не учитывающей потери энергии; + - по методике, не учитывающей потери и поток газа

Рис.5 Сравнение точности методик расчета

Исследовались: простая расширительная камера; камера с введенной впускной трубкой; камера с введенными впускной и выпускной трубками; концентрический резонатор и ячейка в виде комбинации ТЭ № 2.2 и 2.3. В результате установлены оптимальные геометрические соотношения, позволяющие добиться максимальной акустической эффективности исследуемых шумоглушащих ячеек в присутствии газового потока.

Разработанная методика акустического расчета была использована при проектировании глушителя шума выпуска двигателя Д-144, которым оснащается вилочный автопогрузчик разработки НАТИ. Автопогрузчик предназначен для механизации работ на грузовых складах железнодорожных станций. Требуется, чтобы глушитель шума, дополнительно устанавливаемый в систему выпуска серийного двигателя Д-144, снизил внешний шум до уровня, обеспечивающего соблюдение Санитарных норм СН 2.2.4 I 2.1.8. 562 - 96 (или ГОСТ 12.1.003 - 83* ) на рабочих местах, расположенных внутри грузового склада. Расчетная схема глушителя включает ТЭ N 1.5,2.2, 2.3, 1.2, 1.3, 2.1, 2.2. Октавный спектр УЗД в 0.25 м от излучающего шум отверстия системы выпуска после установки дополнительного глушителя, полученный с использованием предлагаемой методики сравнивался с окгавным спектром УЗД, измеренным экспериментально. Точность методики подтвердилась (максимальное расхождение составило 4.2 дБ; по шкале "А" соответственно 3.0 дБА). Измерения УЗД проводились по методике свободного звукового поля согласно руководящему документу НАМИ (РД37.001.025 - 85). Микрофон неподвижно закреплялся на системе выпуска. Погрузчик равномерно двигался по прямолинейному участку при скорости вращения вала двигателя 2000 об/мин.

Расчеты и проведенные измерения выявили недостаточную акустическую эффективность глушителя в октавной полосе 2000 Гц. Упоминавшиеся результаты лабораторных исследований шумошушащих ячеек позволили разработать рекомендации по повышению акустической эффективности глуииггеля. Впускная трубка была введена в полость расширительной камеры на половину длины камеры, уменьшены завышенные коэффициенты перфорации, соотношение (^перфорированных участков внутренней трубки концентрического резонатора было сделано равным 2:1. Все указанные изменения позволили повысить эффективность глушителя в целом на 7.5 дБА. Расчет спектральной акустической характеристики 1Ь глушителя показал, что повышение эффективности произошло в основном именно в области частот 2000 Гц.

Разработанная методика акустического расчета реактивных глушителей шума внедрена в конструкторскую практику в Научно-исследовательском тракторном институте (НАТИ) г. Москва и ОАО "Мотопром" г.Серпухов, о чем составлены соответствующие акты внедрения.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработанная методика акустического расчета обеспечивает решение важной прикладной задачи - проектирование реактивных глушителей шума.

2. Разработанный ряд типовых элементов позволяет представить большинство конструкций реактивных глушителей шума в виде комбинации расчетных схем элементов, удобной дня проведения расчетов.

3. Экспериментальная проверка в реальных условиях эксплуатации глушителей показала достаточную точность методики (максимальное расхождение расчетных и экспериментальных значений не превышает по модулю 4.5 дБ в широком скоростном диапазоне ра-

боты двигателя), что подтверждает правильность основных теоретических положений методики.

4. Разработанная методика и результаты компьютерных и лабораторных исследований позволяют не только рассчитывать акустические характеристики глушителей шума, но и рекомендовать изменения в расчетной схеме глушителя, повышающие его акустическую эффективность без промежуточных доводочных работ опытных образцов глушителей.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

1. Тупов В. В., Комкин А. И., Ткаченко Ю. Л. Математическое моделирование глушителей шума поршневых машин / Тезисы докладов научно-технической конференции "165 лет МГТУ им. Н. Э. Баумана".-Москва: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 21-23 ноября 1995 г. - с. 102.

2. Ткаченко Ю. Л. Акустический расчет глушителей шума поршневых машин / Тезисы докладов научной конференции "XXII Гагарин-ские чтения", вып.7 секция "Промышленная экология".- М.: МГАТУ им.К. Э. Циолковского, 1996. - с. 28-29.

3. Ткаченко Ю. Л. Математическое моделирование элементов глушителей шума энергетических установок / Тезисы докладов научно-технической конференции "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве", секция 'Экология". - Москва: МЭИ, 26-27 февраля 1997 г.-с. 168.

4. Ткаченко Ю. Л. Расчет спектра акустической эффективности глушителей шума транспортных машин / Тезисы докладов первой московской экологической конференции. - Москва: МГТУ (Горный университет), 24 апреля 1997 г. - с. 14-15.

5. Ткаченко Ю. Л. Расчет акустической эффективности глушителей шума ДВС матричным методом с учетом характеристик источника и окружающей среды /Деп. рук. ВИНИТИ № 1845-В97 от 05.06.97 г.

(реферат в б/у "Депонированные научные работы № 8.- 1997г., б/о №349) - 8с.

6. Ткаченко Ю. Л. Ряд типовых элементов для синтеза реактивных глушителей шума /Деп. рук. ВИНИТИ № 1846-В97 от 05.06.97 г. (реферат в б/у "Депонированные научные работы № 8.-1997г., б/о №355) - 7с.

7. Ткаченко Ю. Л. Матрицы передачи типовых элементов глушителей с перфорацией, учитывающие движение и физические параметры газовой среды /Деп. рук. ВИНИТИ № 1847-В97 от 05.06.97 г. (реферат в б/у "Депонированные научные работы №8,- 1997г., б/о №338)- 17с.

8. Ткаченко Ю. Л. Расчет акустического импеданса излучения шума выпускными системами с учетом движения газовой среды / Труды VI сессии Российского акустического общества "Акустика на пороге XXI века". - Москва: АКИН, МГУ, РАО, 14-16 октября 1997 г. - с.291-293.

9. Ткаченко Ю. Л., Тупов В. В. Расчет спектра акустической эффективности глушителей шума впуска и выпуска ДВС с учетом движения газовой среды / Тезисы докладов научно-технической конференции "Двигатель - 97". - Москва: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 14-16 октября 1997 г.-с. 94-95.

Ткаченко Юрии Леонидович

_

Разработка и внедрение методики акустического расчета реактивных глушителей шума транспортных средств

Специальность: 05.26.01 - Охрана труда

Сдано в печать: /У, 08.9<$> Формат бумаги: 60 х 84/16

Объем печати: 1,5 пл. Заказ\39{, Тираж: 90 экз.

Типография МИИТ, 101475, ГСП, Москва, А-55 ул. Образцова, 15

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н.Э. Баумана - МГТУ -----

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДИКИ АКУСТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА РЕАКТИВНЫХ ГЛУШИТЕЛЕЙ ШУМА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Специальность 05.26.01 - Охрана труда

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент Тупов В.В.

На правах рукописи

ТКАЧЕНКО ЮРИЙ ЛЕОНИДОВИЧ

Москва - 1998

- 2 -СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ......................... 5

ГЛАВА 1. Принципы разработки методики акустического расчета глушителей шума

1.1. Обзор работ по акустическому расчету глушителей шума......................8

1.2. Универсальный подход к составлению расчетных схем глушителей................17

1.2.1. Анализ конструкций реактивных глушителей шума -

1.2.2. Формирование ряда типовых элементов реактивных глушителей шума.........22

ГЛАВА 2. Основы акустического расчета реактивных глушителей шума 2.1. Требования к глушителям шума выпуска и впуска..26 2.1.1. Необходимое снижение шума

(акустическая эффективность).........26

2.1.2. Требования к гидравлическим характеристикам глушителя..................27

2.1.3. Требования к массе и габаритам глушителей. . 29

2.2. Показатели акустической эффективности глушителей

2.2.1. Вносимые потери...............29

2.2.2. Потери передачи...............34

2.3. Расчет основных показателей акустической эффективности в рамках матричного метода. . . .38

2.4. Импеданс излучения звуковой энергии.......44

2.5. Акустический импеданс источника шума......47

- 'S -

2.6. Физические параметры газовой среды.......50

ГЛАВА 3. Разработка матриц передачи типовых элементов

3.1. Обоснование допущений, принимаемых при теоретическом описании глушителей.......51

3.2. Цилиндрическая труба..............54

3.3. Элементы с внезапным изменением поперечного сечения каналов................60

3.4. Элементы с перфорацией.............70

3.4.1. Расчетная схема перфорированной секции и способ ее сегментации............72

3.4.2. Матрица передачи сегмента в виде акустической проводимости..........75

3.4.3. Матрица передачи сегмента в виде отрезка каналов с жесткими стенками.........85

3.4.4. Полная матрица передачи перфорированной секции общего вида..............87

3.4.5. Матрицы передачи типовых элементов с перфорацией.................87

3.4.5.1. Концентрический резонатор.........88

3.4.5.2. Перфорированный впуск с перегородкой и перфорированный выпуск с перегородкой . . .89

3.4.5.3. Элементы, реверсирующие газовый поток. . . 93

3.4.6. Импеданс перфорации.............96

ГЛАВА 4. Экспериментальная проверка и практическое использование разработанной методики 4.1. Оценка точности методики акустического расчета

и сравнение с точностью существующих методик...99

4.1.1. Постановка задачи исследования........99

4.1.2. Методика экспериментального исследования. . 100

4.1.3. Проверка диффузности звукового поля испытательного бокса............103

4.1.4. Определение точности измерений.......105

4.1.5. Исследование сходимости экспериментальных данных и результатов расчетов........107

4.1.6. Сравнение точности разработанной и существующих методик акустического расчета, базирующихся на методе четырехполюсников____110

4.2. Исследование шумоглущащих ячеек, состоящих

из типовых элементов.............113

4.2.1. Экспериментальная установка.........113

4.2.2. Ячейки, состоящие из камерных неперфорированных элементов.........117

4.2.3. Ячейки, состоящие из элементов с перфорацией.................122

4.3. Расчет дополнительного глушителя шума выпуска дизельного двигателя Д-144..........126

4.4. Рекомендации по совершенствованию дополнительного глушителя шума выпуска двигателя Д-144.. .131

4.5. Результаты внедрения разработанной методики...135

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.....................136

ЛИТЕРАТУРА........................137

Приложение 1. Эскиз дополнительного глушителя шума

выпуска двигателя Д-144..........145

Приложение 2. Акты внедрения результатов работы.....146

ВВЕДЕНИЕ

Защита от шума в настоящее время является одной из актуальных научно-технических проблем. Рост энерговооруженности транспортных средств, повышение рабочих скоростей приводит к заметному возрастанию шума. Борьба с шумом включает две большие задачи - защита обслуживающего персонала (машинистов, водителей, операторов) и защита окружающей среды.

Низкий уровень шума - один из важных эргономических и экологических критериев, определяющих техническое совершенство данной модели транспортного средства. Соблюдение международных стандартов на акустические характеристики транспортных средств повышает конкурентоспособность продукции на мировом рынке.

Для снижения шума транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания (ДВС) широко применяют реактивные глушители шума систем выпуска и впуска. Однако в настоящее время в промышленности распространены эмпирические подходы к проектированию глушителей, требующие дорогостоящих промежуточных испытаний и доводок опытных образцов глушителей. Такая ситуация вызвана недостаточной разработанностью методов акустического расчета глушителей. Существующие методики акустического расчета недостаточно универсальны для разработки глушителей шума широкого класса конструкций ДВС и обладают низкой для проведения проектных расчетов точностью. Последнее вызвано тем, что известные методики не в полной мере учитывают ряд факторов, характерных для систем выпуска (впуска), среди которых высокоскоростной газовый поток, из-

- б -

менение энтропии и температуры, потери звуковой энергии на местных сопротивлениях и за счет трения и теплопроводности газовой среды.

Поэтому задача разработки методики акустического расчета реактивных глушителей шума является актуальной. Исходя из изложенного, определилась цель работы: разработать и экспериментально проверить методику акустического расчета, применительно к проектированию и модернизации реактивных глушителей шума впуска и выпуска ДВС транспортных средств, удобной для инженерного применения и обладающей точностью, достаточной для проектных расчетов.

Задачи работы:

- Провести унификацию конструкций реактивных глушителей для представления их в виде набора типовых элементов.

- Разработать математические модели типовых элементов и создать на их основе методику акустического расчета реактивных глушителей шума.

- Оценить точность разработанной методики путем ее экспериментальной проверки в реальных условиях эксплуатации глушителей.

- Провести компьютерное и лабораторное исследование основных шумоглушащих ячеек, составленных из типовых элементов, с целью повышения акустической эффективности.

- Внедрить разработанную методику в конструкторскую практику.

Решению этих задач посвящена настоящая работа, выполненная на кафедре "Промышленная экология и безопасность" МГТУ им. П.Э.Баумана под руководством к.т.н., доцента В.В.Тупова.

- ? -

Результаты настоящего исследования опубликованы в работах 120, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 48].

Материалы настоящей работы докладывались и обсуждались

на:

1. Научно-технической конференции "Студенческая научная весна -94".- Москва: МГТУ им.Н.Э. Баумана, 18-22 мая 1994 г.

2. Научно-технической конференции "165 лет МГТУ им.Н.Э. Баумана".- Москва: МГТУ им.Н.Э.Баумана, 21-23 ноября 1995 г.

3. Международном конгрессе "Молодежь и наука - третье тысячелетие". - Москва: МГТУ им.Н.Э. Баумана, МГУ им.М.В.Ломоносова, 28 января - 2 февраля 1996 г. Доклад отмечен дипломом 1 степени.

4. Научно-технической конференции "XXII Гагаринские чтения", секция "Промышленная экология".- Москва, МГАТУ им.К.Э. Циолковского, 2-6 апреля 1996 г.

5. Научно-технической конференции "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве", секция "Экология".-Москва: МЭИ, 26-27 февраля 1997 г.

6. Первой московской экологической конференции.- Москва: МГГУ (Горный университет), 24 апреля 1997 г.

7. VI сессии Российского акустического общества "Акустика на пороге XXI века".- Москва: АКИН, МГУ, РАО, 14-16 октября 1997 г.

8. Научно-технической конференции "Двигатель-97".- Москва: МГТУ им.Н.Э. Баумана, 14-16 октября 1997 г.

9. Научно-практическом семинаре "Проблемы горной механики и транспорта" в рамках "Недели горняка".- Москва: МГГУ (Горный университет), 2-6 февраля 1998 г.

ГЛАВА 1. Принципы разработки методики акустического расчета глушителей шума

1.1.Обзор работ по акустическому расчету глушителей шума

Имеющиеся многочисленные работы в области разработки глушителей шума систем впуска и выпуска различных газодинамических установок в той или иной степени затрагивают вопросы акустического расчета проектируемых глушителей. Среди публикаций, посвященных созданию глушителей шума ДВС различных типов необходимо в первую очередь отметить работы Юдина Е.Я. [23, Бутакова Г.В. [3], Тупова В.В. [45,473, Старобинс-кого Р.Н. [331, Кутищева М.А. [213, Кане А.Б. [17], Клюкина И.И. [183.

Первые работы по расчету акустических характеристик реактивных глушителей шума были выполнены Г.Стюартом [643 и М.Клуге [583. Ими был применен математический аппарат теории линейных электрических цепей с использованием принципа электроакустических аналогий при описании процессов распространения звуковых волн. При этом акустическое давление рассматривается как электрическое напряжение, а акустическая колебательная скорость - как электрический ток, что и дает возможность использовать при расчетах глушителей теорию электрических цепей.

Подобный подход к акустическим расчетам оказался весьма распространенным, так как обеспечивал удовлетворительное совпадение с данными лабораторных исследований глушителей на установках без газового потока. На основе метода электро-

- у

акустических аналогий были проведены работы Шапиро Б.К. [49] Андреева H.H. [1], Инзеля Л.И. [161, Фукуды М. [553, Дэвиса Д.Д. [54]. В настоящее время метод электроакустических аналогий положен в основу матричного метода эквивалентных четырехполюсников.

Этот метод расчета акустических характеристик глушителей позволяет связать звуковое давление и колебательную скорость частиц среды (линейную, объемную или массовую) на входе глушителя со звуковым давлением и колебательной скоростью на выходе через матрицу передачи глушителя, рассматриваемого как эквивалентный четырехполюсник:

Р

J

и,

L

ТА Тв

Тс Тъ

Рг

и,

, а о

где: уОу ^ - акустическое давление и объемная колебательная скорость частиц среды на входе в глушитель; - то же на выходе из глушителя;

Та Тв Тс ТЬ ~ коэффициенты матрицы передачи звуковых волн глушителей шума.

Свойства любого глушителя шума полностью описываются его матрицей передачи, размером 2 на 2, состоящей из комплексных коэффициентов Та, Тв /с и Вычислив значения этих коэффициентов, можно рассчитать на их основе в том числе и акустическую эффективность глушителя в виде спектральных характеристик. К тому же, матричный метод обладает важным преиму-

щеетвом перед другими расчетными методами, заключающимся в следующем. В то время как остальные расчетные методы в основном рассматривают глушитель целиком, матричный метод позволяет представить любую конструктивную схему глушителя в виде последовательного соединения /7 -го числа различных составляющих элементов. Каждый элемент в свою очередь описывается соответствующей матрицей передачи. Тогда результирующая матрица передачи всего глушителя в целом будет представлять собой произведение матриц передачи отдельных составляющих элементов:

Тк Те Т Ъ

Наиболее полное обобщение матричного метода проведено Р.Н.Старобинским [331. В работе рассмотрены вопросы синтеза реактивных глушителей для систем впуска и выпуска газов ДВС. Для расчета акустической эффективности синтезируемых конструкций предложен матричный метод, и на основе газодинамических уравнений получены матрицы передачи для некоторых элементов глушителей. Среди них: трубы постоянного сечения, простые расширительные камеры, расширительные камеры с перфорированными перегородками, концентрические резонаторы, резонаторы Гельмгольца, конические диффузоры и конфузоры. Коэффициенты матриц передачи рассчитываются с учетом мод высшего порядка (собственных форм звуковых колебаний в волноводах) . Движение газовой среды не учитывается. Из физических

Taj 7S/ ТА 2 !в2. ТА/?

Тс, Hi Тсг • • • Tch Ъи

. (<2)

параметров среды используется плотность газа. В заключительных разделах работы показано влияние осредненного газового потока и потерь акустической энергии вследствие вязкости газа и пристеночного трения течения на экспериментальные результаты определения акустической эффективности глушителей. Несомненным достоинством работы является ее направленность на решение практических вопросов синтеза промышленных конструкций глушителей и оценка влияния акустических элементов друг на друга. Однако предлагаемая модель учитывает лишь высшие моды акустических колебаний и не отражает движение газовой среды в глушителях. В то время, как многие экспериментальные работы показывают, что именно газовый поток значительно влияет на эффективность глушителей. Таким образом, математическую модель представляется целесообразным усовершенствовать посредством учета в ней движения газовой среды и других физических факторов, характерных для систем выпуска (впуска) ДВС, что и выполнено в данной работе.

Известна также диссертационная работа Б.И.Оеипова [271, в которой использован матричный метод, но предлагается записывать не матрицу передачи, а матрицу импедансов в виде:

Р*

2

С

И 7) Ы 2

где:АА

- акустическое давление на входе и выходе глуши-

- 12 -

теля соответственно; ¿¿г - акустическая колебательная скорость частиц на входе и выходе глушителя соответственно; комплексные коэффициенты матрицы импедансов глушителя.

Матричная теория пассивных четырехполюсников позволяет пересчитать коэффициенты матрицы импедансов в коэффциенты матрицы передачи выражения (1.1). Автором получены эмпирические выражения для расчета ^е, матриц трех компонентов глушителей: отрезка цилиндрической трубы, расширительной камеры с перфорированной перегородкой и камеры с перегородкой, имеющей щелевые отверстия. Движение газовой среды было учтено. Опытный характер коэффициентов матриц импедансов, а также ограниченность описываемых компонентов глушителей делают результаты работы специализированными для конкретных конструкций глушителей, что суживает возможность их использования в инженерной практике. Основным достоинством работы Осипова Б.И. является экспериментальная направленность на решение вопросов лабораторных исследований и доводочных испытаний (в том числе и дорожных) опытных образцов глушителей шума автомобильных двигателей.

В плане развития инженерных методов расчета глушителей интересной представляется работа [46]. В ней представлена модель универсальной шумоглушащей камерной ячейки, рекомендуемой к использованию в системах впуска мотоциклетных двигателей. Составлена программа расчета акустической эффективности этой ячейки на основе метода матриц передачи. Однако, так как на первом месте стояла задача разработки системы впуска, то автор не учитывал движение газовой среды, что яв-

ляется оправданным, как показано в его более ранних работах. Вязкостью газа пренебрегалось, температура принималась постоянной, что характерно для впуска. Ввиду относительной малости поперечных размеров использовалась теория плоских волн. На основе разработанной программы проведено исследование отдельных шумоглушащих камерных ячеек. Результаты работы предполагается использовать в виде программного пакета САПР "Мотоцикл", предназначенной для проектирования мотоциклетных двигателей. Данная работа явилась первым шагом во внедрении инженерной методики расчета глушителей в области отечественного мотоциклостроения.

В области акустических расчетов за рубежом значительные результаты представлены в работах Муньяла М.Л. В статье [61] автор получил аналитические выражения для матриц передачи нескольких камерных элементов глушителей шума на основе теории плоских звуковых волн, с учетом движения газовой среды в виде осредненного потока. Резонансные глушители были представлены только резонатором Гельмгольца и четвертьволновым резонатором.

При выводе матриц передачи автор полагал, что прохождение звуковой волной внезапных скачков поперечного сечения каналов является изоэнтропическим процессом и не учел потери акустической энергии за счет различных физических механизмов. Позднее Альфредсон и Дэвис [51] экспериментально доказали, что только прохождение звуком внезапного сужения поперечного сечения может с большим допущением рассматриваться как изоэнтропический процесс, прохождение расширения поперечного сечения всегда является адиабатическим процессом,

в ходе которого возможно изменение энтропии. Поэтому расчеты акустической эффективности глушителей по модели Муньяла дают существенное расхождение с экспериментальными значениями, полученными в реальных условиях эксплуатации глушителей. Очевидно, что в модели камерных элементов желательно рассматривать все �