Содержание к диссертации
Введение
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
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
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 - з 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
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 обшего вида 87
3.4.5. Матрицы передачи типовых элементов с перфорацией
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 - 4 -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 шумоглушащих ячеек, состоящих
из типовых элементов 113
4.2.1. Экспериментальная установка 113
4.2.2. Ячейки, состоящие из клмерных неперфорированных элементов 117
4.2.3. Ячейки, состоящие из элементов с перфорацией
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
- Анализ конструкций реактивных глушителей шума
- Требования к гидравлическим характеристикам глушителя
- Элементы с внезапным изменением поперечного сечения каналов
- Проверка диффузности звукового поля испытательного бокса
Введение к работе
Реактивные глушители широко применяются для снижения шума систем впуска и выпуска газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств. Разработке этих устройств посвящены работы Старобниского Р. Н., Тупова В. В., Бутакова Г. В., Осипова Б. И., Ежова С. П., Луканина В. Н., Нюннна Б. Н., Кутишева 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 реак
тивных глушителей для представлення их в виде набора типовых эле
ментов;
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. 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 и 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 и выбрать наиболее эффективную. При расчетах разработчик может изменять геометрию проектируемого или модернизируемого глушителя, поднимая тем самым его эффективность до іре-
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 н 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 горняка",- 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.
Анализ конструкций реактивных глушителей шума
В области акустических расчетов за рубежом значительные результаты представлены в работах Муньяла М.Л. В статье С613 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 Дзвис С51] 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 процессы распространения звуковых волн и течения газа как адиабатические, в ходе которых происходит возрастание энтропии, а следовательно, и превращение акустической энергии и кинетической энергии движущейся среды в теплоту. К сожалению, Альфредсон и Дэвис теоретически не обобщили свои исследования.
Исследованием резонансных глушителей с перфорацией занимались Саллйван и Крекер. В работе [65] ими предложена математическая модель, позволяющая аналитически рассчитать эффективность концентрического резонатора с учетом движения газовой среды. Другие типы элементов с перфорацией не рассматривались. К тому же представленная модель не учитывала изменения потока в трубе и камере вдоль перфорированного участка. Очевидно, это и послужило причиной того, что авторы не рекомендовали свою методику к широкому использованию и не провели экспериментальной проверки модели в условиях газового потока. Все измерения акустической эффективности концентрических резонаторов были выполнены Салливаном и Крекером на лабораторных экспериментальных установках без потока.
Для расчетов глушителей шума также применяется метод цепных дробей. Наиболее полно этот метод изложен в С34]. Согласно методу цепных дробей элементы выпускной системы и трубки и камеры глушителя заменяются комбинациями эквива - 15 лентных стойкостей и податливостей, характеризующих инерционные и упругие свойства элементов. Расчеты акустической эффективности производятся на основе вычисления последовательности дробных членов, образованных величинами стойкостей и податливостей элементов глушителя.
Метод цепных дробей не учитывает движение газовой среды и другие упоминавшиеся факторы, в связи с чем обладает недостаточной для проектных расчетов точностью, на что указывает й.И.Клюкин в С18]. Этот метод рекомендован для использования в предварительных расчетах характеристик глушителей с последующим экспериментальным определением эффективности опытных образцов. К тому же метод цепных дробей не позволяет рассчитать глушители с перфорацией. Поэтому метод цепных дробей неуниверсален и применяется в основном для расчета камерных глушителей впуска и выпуска судовых двигателей.
Проведенный обзор показывает, что большие погрешности методик акустического расчета для реальных условий эксплуатации глушителей вызваны пренебрежением влияния важных физических процессов. Акустические исследования, проведенные на работающем двигателе показывают, что в системах выпуска происходят сложные процессы взаимодействия звуковых волн с высокоскоростным газовым потоком, сопровождающиеся изменением энтропии и температуры, потерями акустической энергии на местных сопротивлениях, а так же за счет трения и теплопроводности газовой среды. Частично эти процессы характерны и для систем впуска.
Требования к гидравлическим характеристикам глушителя
Анализируя формулу (2.11) отметим, что потери передачи зависят только от свойств глушителя: коэффициентов матрицы передачи и характеристических импедансов его входного и выходного патрубков.
При переходе акустических волн из оконечного патрубка глушителя в окружающую среду неизбежно возникает отражение звуковой энергии от границы раздела, которой является плоскость среза излучающего отверстия. Условия отражения зависят от соотношения характеристического импеданса выходного акустического канала 2:/7 и импеданса излучения в окружающую среду Нт. Отраженная и падающая волны связаны между собой через комплексный коэффициент отражения Я который имеет следующий вид: где: R.- модуль коэффициента отражения звуковой волны; F - фаза коэффициента отражения звуковой волны. Импеданс излучения определяется из соотношения : \l-\R.\exp(/F)J Обычно рассматривают нормированный безразмерный импеданс излучения:
Таким образом, необходимо определить модуль и фазу коэффициента отражения звуковых волн для конкретного вида излучающего патрубка глушителя или источника шума. Теоретической разработке вопроса посвящены работы ряда исследователей,среди которых следует отметить С.Н.Ржевкина [29], и Л.Я.Гутина [10]. В результате была построена математическая модель отражения звука от излучающего отверстия. Их работы продемонстрировали высокую точность и хорошую сходимость величин, рассчитанных теоретически и измеренных экспериментально. Но данная модель включала лишь случай неподвижной газовой среды. Л.Я.Гутин в работе [10] вывел формулы для определенияft и г при отражений плоских звуковых волн от концевого отверстия цилиндрической бесфланцевой трубы с внутренним диаметром 2. % при отсутствии газового потока: ШшЖсоМФфШ ) (o,skr) +QS6(kt)z4- -і волновое число.
Результаты измерений ft и F y представленные Ингардом и Сингалом в [56], позволили автору настоящей работы получить аналитические выражения для расчета Z c в зависимости от скорости газового потока в излучающем патрубке, задаваемой числом Маха / Для выпуска: Осредненный газовый поток снижает величину действительной части Z" пропорционально М так, что: Яе(2r)=[(i-\R0/Yil-ZM2; (г.п) где: X=Ci-\R-\cosF)z + (\R\ F)z FU(Z-r) обозначение действительной части комплексного нормированного импеданса излучения; 1т (Z-г) - обозначение мнимой части этого импеданса; М - число Маха осредненного газового потока; Я и f - модуль и фаза коэффициента отражения звуковой волны от концевого отверстия, определяемые по формулам Гутина (2.13) для неподвижной газовой среды.
Для систем впуска, в которых звук распространяется навстречу всасываемому потоку, 2 t повышается, по сложной зависимости от числа Маха:
Итак, зная размеры излучающего патрубка, физические параметры газовой среды и число Маха осредненного потока, сна - 4? -чала рассчитываем я1иГ для неподвижной газовой среды по формулам Гутина (2.13), а затем подставляем полученные значения \R.\И F, известное значениеМ в формулы (2.14) и (2.15) для систем выпуска или (2.16) и (2.17) для систем впуска поршневых машин и вычисляем значение И. «г на интересующей нас частоте. Определив характеристический импеданс Е/} выразим окончательную величину импеданса излучения 2-г из формулы (2.12), которое может быть использовано в формуле (2.10) при расчете вносимых потерь глушителя шума.
Определение величины импеданса источника шума Zg, входящего в формулу (2.10), представляет собой трудную задачу. Известны лишь отдельные публикации результатов измерений значений импеданса конкретных конструкций ДВС [63, 67]. Теоретические методы определения импеданса источников шума впуска и выпуска поршневых машин проработаны в еще меньшей степени. Можно предположить, что источник создает на выходе или постоянное акустическое давление или постоянную объемную скорость. Тогда для расчетов по формуле (2.10) задают вытекающие из этих моделей значения - Источник постоянной объемной скорости: Zs - - Источник постоянного акустического давлении:Zу- О .
На рис.2.5 изображены схемы указанных акустических источников. В схеме рис.2.5а импеданс источника 2-5 включен параллельно входному сопротивлению Н вх глушителя. Объемная скорость на входе глушителя:
Элементы с внезапным изменением поперечного сечения каналов
Для математического моделирования глушителей и их элементов примем следующие допущения:
Данное допущение основано на том, что амплитуды звуковых волн существенно ослабевают на участке системы выпуска, предшествующем глушителю. Для мотоциклетных двигателей, у которых глушитель присоединяется к выпускному окну двигателя патрубком небольшой длины, это допущение может быть принято лишь в первом приближении. Для транспортных средств, у которых длина выпускной системы до глушителя значительна (причем глушителю обычно предшествуют одна-две расширительных камеры), допущение более строгое. При этом амплитуды акустического давления первых гармоник шума выпуска снижаются, по данным [12] с 50 кПа (185 дБ) непосредственно на выпуске до 20-30 кПа (177-180 дБ) во впускном патрубке глушителя.
Экспериментальными исследованиями установлено [59], что линейная акустика справедлива для описания волновых процессов в элементах типа расширительных камер и трубок вплоть до амплитуд акустического давления 46 кПа (184 дБ).
Осредненная скорость газового потока задается равно мерной в плоскости поперечного сечения элемента и стационар ной во времени. В газодинамике широко распространен подход, когда реаль - 52 ный профиль скоростей газа внутри канала заменяется идеализированным равномерным профилем.
Описание потока как стационарного вызвано большой сложностью теоретического описания реальных временных зависимостей скоростей газового потока в элементах глушителей. Данный подход широко применяется в газовой динамике при изучении потоков со сложными временными зависимостями, в Ш приводится широкий набор методов осреднения, позволяющих заменить реальный пульсирующий поток идеализированным стационарным потоком.
Данное допущение накладывает определенные условия на базовые уравнения, описывающие распространение звука совместно с потоком газа. Одномерными уравнениями можно пользоваться в частотном диапазоне, ограниченном сверху значениен иrpм При оеееимметричном возбуждении звука в цилиндрическом канале с круговым поперечным сечением диаметром clf тГр определяется по формуле: С frp = 0,S86 j- ( 3. 1) При jrp в глушителе распространяются только плоские звуковые волны (моды нулевого порядка), описываемые одномерными моделями.
Таким образом частотный диапазон одномерных математических моделей ограничен наибольшими поперечными размерами элемента. Условие (3.1) во многих случаях выполняется до значительно высоких частот (2-4 кГц) для большинства конструкций -глушителей шума малолитражных ДВС транспортных средств и средств малой механизации.
Начиная с frp в элементах глушителя происходит возбуждение мод высшего порядка. Виды собственных колебаний определяются геометрией каналов глушителей и в меньшей степени условиями течения и физическими параметрами газовой среды. После возбуждения первой моды высшего (больше нулевого) порядка картина акустического поля становится неоднородной в плоскости продольного сечения каналов глушителей. Это распределение для крупногабаритных (500 мм - 1 м в диаметре) глушителей необходимо учитывать уже на достаточно низких частотах (400-200 Гц).
Изменение температуры задается дискретно, при переходе от элемента к элементу. В границах каждого элемента глушителя температура принимается постоянной. Данное допущение вытекает из существующих методик теплового расчета систем выпуска. Ввиду большой сложности распределения температур внутри элементов системы выпуска, рассчитывают среднюю температуру для определенного замкнутого объема (расширительной камеры, трубки). Предполагается, что изменение температуры происходит при переходе в последующий элемент.
Допущение выполняется достаточно точно, так как глушители выпуска обычно выполняются из жаростойких, нержавеющих сталей и конструктивными мерами можно обеспечить достаточную звуконепроницаемость корпуса глушителя.
Проверка диффузности звукового поля испытательного бокса
Задачей оценки точности является установление расхождения значений акустической эффективности глушителя, рассчитанных с использованием разработанной методики и полученных экспериментально в реальных условиях эксплуатации глушителя.
Определяемой характеристикой акустической эффективности являются вносимые потери. Для сравнения между собой используются 1/3 октавные спектры вносимых потерь. Выбор 1/3 ок-тавных спектров обоснован простотой их получения с помошью 1/3 октавного анализатора спектра в реальном времени "Брюль и Къер" 3347. Для получения 1/3 октавного спектра вносимых потерь измеряется спектр уровней звукового давления (УЗД), создаваемый системой выпуска при отсутствии глушителя (спектр 1) и после установки глушителя (спектр 2). Спектр вносимых потерь получается путем последовательного вычитания УЗД спектра 2 из спектра 1 в 1/3 октавных полосах частот.
Разработанная методика позволяет рассчитывать характеристики акустической эффективности глушителей на любой интересующей частоте. Поэтому для получения 1/3 октавного спектра вносимых потерь необходимо провести измерение каждой гармоники спектра УЗД выпуска с помощью узкополосного частотно - 100 -го анализатора "Брюль и Къер" 2010. Вычитая из этого спектра значения вносимых потерь, рассчитанные для частоты каждой гармонической составляющей, получаем теоретический спектр УЗД после установки глушителя. Данный спектр пересчитывается в 1/3 октавный спектр путем энергетического суммирования уровней гармонических составляющих в соответсвуующих 1/3 ок-тавных полосах. Таким образом, если последовательно вычесть из экспериментального спектра 1 теоретический 1/3 октавный спектр УЗД выпуска после установки глушителя, получим 1/3 октавный спектр вносимых потерь, представляющий результаты расчетов по разработанной методике. Теперь этот спектр можно сравнивать с экспериментально полученным спектром вносимых потерь.
Такая сложная процедура вызвана тем, что недопустимо энергетически суммировать составляющие спектральной характеристики вносимых потерь без учета гармонических составляющих УЗД источника шума.
Для создания реальных условий эксплуатации глушителя измерения проводились при работе двигателя на газу на испытательном стенде. Так как ставилась задача исследования в широком диапазоне ходовых режимов двигателя, то на стенде применялась индукторная система торможения, позволяющая легко задавать требуемый скоростной режим работы двигателя.
Измерения УЗД шума двигателя производились в испытательном боксе по методике отраженного звукового поля. УЗД шума -выпуска в дальнейшем выделялись из общего шума двигателя по методике [45]. Шумы впуска и помех были снижены более чем на 10 дБ относительно корпусного шума.
Бокс (рис.4.1) представляет собой помещение объемом 80м3 с цементным полом, стены до высоты 2 м покрыты масляной краской, остальная часть стен и потолок оштукатурены. Стенд и исследуемый двигатель установлены на общем массивном фундаменте и жестко закреплены. Охлаждение двигателя во время испытаний осуществляется специальным обдувочным вентилятором, создающим движение воздуха на выходе со скоростью 30 м/с.
Пульт управления стендом вынесен в аппаратную. Он позволяет дистанционно задавать необходимые режимы работы двигателя. В аппаратной на столе экспериментатора располагается шумоизмерительная аппаратура "Брюль и Къер" 334?.
Третьоктавный анализатор спектра в реальном времени дает возможность получить практически мгновенный спектр УЗД для заданного значения скорости вращения вала двигателя. Микрофон "Брюль и Къер" 4132 размещался в помещении бокса в выбранной измерительной точке.
