Введение к работе
Актуальность. Среди глобальных проблем развития современной цивилизации шум относятся к числу наиболее важных. Неблагоприятное воздействие шума в той или иной степени ощущает на себе каждый второй человек на планете. Он отрицательно влияет на производительность труда и здоровье людей. Энергетические установки, такие как двигатель внутреннего сгорания, являются основными источниками шума в окружающей среде. Уже сейчас, например, передовые страны расходуют на борьбу с шумом транспортных средств около одного процента своего бюджета. Вместе с тем, учитывая тенденцию, с одной стороны, к повышению энергонасыщенности вновь разрабатываемых машин, а с другой стороны, к необходимости снижения их шума, следует ожидать, что проблема снижения шума машин будет становиться все более острой.
В связи с этим становится очевидным, что создание машин с пониженным уровнем вибрации и шума представляет собой важную научно-техническую проблему, требующую серьезных фундаментальных исследований. К основным источникам шума энергетических установок является газодинамический шум выпускной системы. Проблема снижения этого шума решается с помощью применения эффективных глушителей.
До настоящего времени не разработано единой методики расчета глушителей шума. Проектирование глушителей на большинстве предприятий, специализирующихся на их производстве, проводится на основе проведения экспериментальных работ, связанных со значительными материальными затратами, когда разработчик, основываясь на своем опыте, изготавливает несколько опытных вариантов глушителей, проводит их стендовые испытания, и на их основе выбирает лучший вариант. Такой подход далеко не всегда приводит к желаемому результату, вследствие чего подготовленные к производству глушители в большинстве случаях нуждаются в дальнейшей доработке.
Эффективность работ, связанных с разработкой глушителей шума может быть существенно повышена с использованием модульного принципа расчета и проектирования, что позволяет оперативно выявлять рациональные пути снижения шума до допустимых норм. В настоящее время многие вопросы, связанные с модульным проектированием глушителей шума, были рассмотрены поверхностно или вообще не рассматривались, что существенно снижает расчетных методов.
В связи с этим весьма актуальной является задача разработки методов расчета глушителей шума, которые бы позволяли не только адекватно описывать результаты экспериментальных исследований, но и давали возможность проектировать глушители с заданной акустической эффективностью, при удовлетворении требованиям на гидравлическое сопротивление, габаритные размеры.
Целью настоящей работы является создание современных методов расчета автомобильных глушителей шума, позволяющих на стадии проектирования определять конфигурацию и параметры глушителя с требуемыми акустическими характеристиками.
Научная новизна:
-
Разработана математическая модель распространения звуковых волн в каналах с учетом вязкости и теплопроводности среды при числах Прандтля близких к , позволяющая оценивать потери при распространении звука, как в канальных элементах глушителей шума, так и в звукопоглощающем материале.
-
Разработаны математические модели типовых элементов глушителей шума и получены матрицы передачи этих элементов в безразмерном виде с привязкой к диаметру их патрубков, что позволяет реализовывать модульный принцип проектировании глушителей шума с использованием глушителей-прототипов.
-
Предложен новый метод измерения акустических характеристик звукопоглощающих конструкций в импедансной трубе с использованием нелинейной регрессии, позволяющий повысить точность измерений.
-
Проведена теоретическая и экспериментальная оценка акустических характеристик звукопоглощающего материала на основе базальтового волокна, использование которых в расчетных моделях диссипативных глушителей и последующее сравнение результатов расчетов с результатами измерений, показало достоверность полученных данных.
-
Впервые для оценки акустической эффективности глушителей предложен интегральный показатель, так называемые обобщенные потери передачи, и показана возможность его использования для оптимизации камерных глушителей шума.
-
Разработана методика выбора по заданным исходным данным геометрических параметров резонаторных глушителей шума, в частности резонаторов Гельмгольца, позволяющая с учетом поставленной целевой функции сделать такой выбор однозначным.
-
Теоретическое и экспериментальное исследование системы активного гашения периодических составляющих шума, как системы с деструктивной интерференцией, реализуемой методом синтез гасящей волны, позволили получить диаграмму устойчивости такой системы и показать эффективность ее работы.
-
Разработана методика оптимизации путей снижения внешнего шума автомобиля до требуемых норм и показано ее применение при снижении внешнего шума большегрузного автомобиля.
-
Создана конечно-элементная модель излучения шума выпускной системой автомобиля, позволившая, с одной стороны, оценить влияние на характеристики излучения параметров газового потока, а с другой стороны, показать, что использования специальных насадок на срезе выпускной трубы может быть весьма эффективным средством для дополнительного снижения шума выпуска.
-
Разработана математическая модель для оценки излучения выпускной системой автомобиля в расчетной точке над подстилающей поверхностью, и показана необходимость использования в этом случае при пересчете шума из одной расчетной точки в другую дополнительной поправки на подстилающую поверхность.
-
Впервые для оценки эффективности установки глушителя в выпускную систему автомобиля предложен интегральный критерий: обобщенные вносимые потери.
-
Разработана методика расчета и проектирования глушителей шума для систем выпуска автомобиля, основанная на использовании спектра незаглушенного шума выпуска и интегрального критерия вносимых потерь.
Практическая значимость.
Состоит в том, что полученные результаты позволяют на стадии проектирования определять конфигурации глушителей шума с требуемыми характеристиками, тем самым способствуя решению проблемы создания автотранспортных средств с пониженным уровнем шума.
Внедрение результатов работы. Разработанная методология расчета и проектирования автомобильных глушителей шума была внедрена на ведущем отечественном предприятии по производству глушителей шума ООО «НТЦ МСП». Это позволило сократить сроки повысить качество разработки и испытаний опытных глушителей шума, которые в дальнейшем стали производится серийно и поставляться на ведущие заводы автомобильной промышленности: КАМАЗ, ГАЗ, ЗИЛ, УАЗ.
Кроме того, результаты работы используется на кафедре экологии и промышленной безопасности МГТУ им. Н.Э. Баумана при обучении студентов по направлению «Техносферная безопасность».
Апробация работы. Результаты данной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы фундаментальных наук» (Москва, 1991); Всероссийской конференции «Внешний и внутренний шум автомототехники (Дмитров, 1993); Second International Symposium «Transport Noise and Vibration» ( St.-Peterburg, 1994); Международной научно-технической конференции «100 лет российскому автомобилю» (Москва, 1996); III Всероссийской научно-технической конференции «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1998); IV Всероссийской научно-технической конференции «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1999); Sixth International congress on sound and vibration (Copenhagen, 1999); Всероссийской конференции ААИ (Дмитров, 1999); 5-th International Symposium «Transport Noise and Vibration» (St.-Peterburg, 2000); XI сессии Российского акустического общества (Москва, 2001); Международной конференции «Машиностроение и техносфера ХХI века» (Севастополь, 2004); Международной конференции «Образование через науку» (Москва, 2005); XVI сессии Российского акустического общества (Москва, 2005); XIХ сессии Российского акустического общества (Москва, 2007); XХ сессии Российского акустического общества (Москва, 2008); II Всероссийской научно-практической конференции «Защита населения от повышенного шумового воздействия» (Санкт-Петербург, 2009); конференции к 100-летию А.В. Римского-Корсакова (Москва, 2010); семинар "Акустика неоднородных сред" (Москва, 2011); III Всероссийской научно-практической конференции «Защита населения от повышенного шумового воздействия» (Санкт-Петербург, 2011).
Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала Высшей школы» (регистрационный номер 2.1.2/6509).
Публикации. Общее количество работ, опубликованных по теме диссертации – 52, в том числе по перечню, рекомендуемому ВАК, – 26.
– математические модели и расчетные схемы:
а) типовых элементов глушителей шума и соответствующие им безразмерные матрицы передачи;
б) излучения на срезе выпускной трубы с различными резонаторными насадками и при наличии подстилающей (отражающей) поверхности;
в) двигателя внутреннего сгорания как источника шума выпуска автомобиля;
– результаты теоретических исследований:
а) распространения звука в каналах с учетом вязкости и теплопроводности среды, а так же при наличии в каналах неоднородностей;
б) прохождения звука через типовые элементы глушителей шума;
в) устойчивости и быстродействия систем активного гашения шума;
– результаты экспериментальных исследований:
а) акустических характеристик волокнистых звукопоглощающих материалов;
б) акустических характеристик типовых элементов глушителей шума;
в) акустической эффективности активной системы гашения шума;
– интегральные показатели эффективности глушителей шума:
а) обобщенные потери передачи;
б) обобщенные вносимые потери;
– разработанные методики:
а) оптимизации конфигурации камерных глушителей шума;
б) выбора геометрических параметров резонаторных глушителей шума в канале;
в) оценки акустических характеристик звукопоглощающих материалов в импедансной трубе;
г) оптимизации пути снижения шума автомобиля до требуемых норм;
д) учета влияния на результаты измерения шума выпуска подстилающей поверхности при пересчете ;
е) проектирования глушителей шума выпуска автомобилей с требуемыми характеристиками;
– результаты практических работ по доводке глушителей шума для систем выпуска ряда автомобилей.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка литературы, приложений и содержит 373 страницу основного текста, 7 таблиц, 170 рисунков, список использованных источников включает 685 наименований, из них 519 иностранных.
