Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ формирования шума автомобильного ДВС и методов его снижения . 15
1.1. Анализ составляющих шума автомобиля.
1.1.1. Основные источники шума автомобиля.
1.1.2. Шум процесса впуска. 18
1.1.3. Шум системы выпуска. 20
1.1.4. Низкочастотный шум ДВС в салоне автомобиля. 22
1.2. Современные методы снижения шума автомобильного ДВС. 24
1.2.1. Пассивные средства снижения шума ДВС.
1.2.2. Развитие активного шумоподавления. 26
1.3.Анализ способа активного глушения шума. 28
1.3.1. Подходы к активному глушению шума
1.3.2. Обзор современных технических решений
и методов моделирования. 36
1.3.3. Задачи и проблемы применения активного шумоглушсния. 42
1.4. Перспективность активной доводки низкочастотных акустических характеристик автомобильных ДВС . 46
1.4.1. Обоснование актуальности применения комплексного активного шумоглушения в автомобильном транспорте.
1.4.2. Идея методики активной доводки низкочастотных акустических характеристик автомобильных ДВС. 49
1.5. Цель и задачи работы. 51
ГЛАВА 2. Разработка методики оптимизации активных глушителей низкочастотного газодинамического шума систем газообмена тепловых двигателей . 54
2.1. Структурный и физический анализ газоводных систем ТД.
2.2. Принципы антизвукового воздействия на первичное звуковое поле газоводных систем. 58
2.3. Методика определения параметров эффективности активных глушителей газодинамического шума систем газообмена ТД. 60
2.3.1. Физическая модель взаимного звукового влияния систем газообме на ТД и источников антизвука.
2.3.2. Моделирование газоводных систем ТД оснащенных активными глушителями по методу «эквивалентного генератора». 62
2.3.3. Разработка методики акустического расчета газоводпых систем ТД, снабженных источниками антизвука. 70
2.4. Методика синтеза параметров эффективности волиоводных систем активных глушителей систем газообмена ТД. 78
2.4.1. Принципы синтеза и коррекции волноводных систем акгивных глушителей.
2.4.2. Характеристики синтеза и коррекции волноводных систем активных глушителей. 80 CLASS ГЛАВА 3. Создание методики синтеза акустических систем комплексного активного подавления низкочастотного шума автомобильных ДВС . 83 CLASS
3.1. Модель комплексного активного снижения шума автомобильного ДВС.
3.2. Модель возбуждения салона автомобиля источниками антизвука. 88
3.3. Принципы построения автоматических систем активного шумоподавления ДВС. 91
3.3.1. Компоновки автоматических систем активного шумоподавления. -
3.3.2. Анализ сигналов. 93
3.3.3. Порядковый анализ низкочастотного шума ДВС. 94
3.4. Модель формирования характеристик волноводов источников антизвука салона. 98
3.5. Решения электронной задачи активного шумоглушения. 102
3.5.1. Система генерации антизвука.
3.5.2. Алгоритм цифровой генерации аптизвука в реальном времени. 104
3.6. Модель формирования звукоизлучения источников антизвука . 108
3.7. Методика комплексного активного акустического тюнинга транспортного средства с тепловым двигателем. 113
ГЛАВА 4. Модельное, экспериментальное и практическое исследование. 116
4.1. Анализ экспериментов по исследованию шума автомобилей с ДВС.
4.2. Моделирование реальных волноводных систем активных глушителей систем газообмена. 118
4.3. Эксперименты по определению эффективности активного шумоглушения в различных компоновках имитационной системы "ИЗИАЗ". 121
4.4. Эксперименты по определению и доводке характеристик звукоизлучения источников антизвука. 123
4.5. Эксперименты по определению эффективности активного шумоглушения в системах газообмена ДВС. 125
4.6. Эксперименты по определению характеристик и эффективности комплексного активного шумоглушения . 127
4.7. Синтез конструкций источников антизвука. 130
4.8. Реализация цифрового алгоритма подавления порядковых составляющих в салоне автомобиля. 131
4.9. Инновация использования источника антизвука для снижения шума впуска и выпуска ДВС. 133
4.10. Пример использования созданной методики. 139
Выводы по работе 142
Библиографический список 144
Приложения 156
- Перспективность активной доводки низкочастотных акустических характеристик автомобильных ДВС
- Моделирование газоводных систем ТД оснащенных активными глушителями по методу «эквивалентного генератора».
- Модель формирования звукоизлучения источников антизвука
- Эксперименты по определению характеристик и эффективности комплексного активного шумоглушения
Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее сильное из всех физических воздействий на психологическое состояние человека оказывают звуки [29, 40, 59]. Шум интенсивнее 30...35 дБА нарушает нормальный отдых и сон. Действуя на нервную систему, шум интенсивностью 45...60 дБА понижает внимание, замедляет психические реакции, мешает логическому мышлению, повышает утомляемость. В результате снижается продуктивность труда, особенно умственного. Шум интенсивнее 80 дБА угнетает секрецию пищеварительных желез, повышает частоту пульса и кровяное давление, может быть причиной раздражительности и неврозов, ухудшает течение гипертонической болезни. Шум интенсивностью выше 85 дБА вредно воздействует на аппарат среднего уха, что проявляется в неприятных субъективных ощущениях (звон в ушах, "оглушение") и в понижении остроты слуха. Чем выше звук, тем больше его повреждающее действие. Таким образом, снижение и устранение шума в быту и на производстве является важной задачей для сохранения работоспособности и здоровья человека.
При борьбе с шумом одним из важнейших факторов, принимаемым во внимание, является частотный диапазон шума, в связи с этим шумы делят на низкочастотные (НЧ) 20...300 Гц, среднечастотные (СЧ) 300...600 Гц и высокочастотные (ВЧ) 600...20000 Гц. Особую проблему представляет подавление низкочастотного шума. Это связано с большим, по сравнению с высокочастотными шумами, расстоянием распространения низкочастотных звуковых волн -длины волны для них значительны по своей величине, что обеспечивает лучшее преодоление звукопоглощающих препятствий.
Одной из особенностей современного этапа развития гехногенной цивилизации является увеличение количества транспортных средств (ТС) с тепловыми двигателями (ТД). Наибольшую долю ТС, прогрессирующую в своем количестве составляет автомобильный транспорт с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Наиболее важные проблемы, порожденные этим фактом - загрязнение окружающей среды токсическими отходами выхлопных систем ДВС, автомобильные катастрофы, рост шумового загрязнения окружающей среды. Практически вся совокупность звуков, производимых автотранспортными средствами (АТС) в той или иной мере неблагоприятна для физиологических систем человека, т.е. эти звуки являются шумами. Ввиду большого разнообразия моделей АТС и других причин, борьба с указанными негативными факторами становится, в наше время, сложной проблемой, требующей комплексного подхода к се решению. Совершенствование акустических характеристик АТС является важной задачей как с точки зрения улучшения потребительских качеств, так и с точки зрения защиты окружающей среды (ОС) и охраны труда водителей и пассажиров автомобилей (пассажиры также могут являться работниками транспорта, как и водители). Серьезную проблему в этой области представляет снижение низкочастотного шума автомобильных ДВС распространяющегося на значительные расстояния без существенного затухания. Низкочастотные структурные шумы генерируемые автомобильными ДВС и передающиеся в пассажирский салон автомобиля являются серьезным источником дискомфорта.
Традиционные средства борьбы с низкочастотными шумами в АТС зачастую малоэффективны ввиду: необходимости использования заглушающих камер значительных объемов, дефицита подкапотного пространства автомобилей, избыточной массы и размеров камерных глушителей, повышения гидравлического сопротивления на впуске, затруднений, связанных с использованием звукоизолирующих и вибродемпфирующих материалов для снижения низкочастотного шума и т. д.
Перспективным для решения описанных проблем является использование устройств активного шумоподавления, основанных на сложении звуковых волн в противофазе. Эти устройства в значительной мере лишены перечисленных недостатков. Исследованию активного шумоподавления посвящены работы отечественных и зарубежных авторов. В разработке теоретических основ - таких как Б.Д. Тартаковский, Г.Д. Малюжинец, Г.С. Любашевский, М. Jessel, Р. Nelson, G. Chaplin, S. J. Elliot. В прикладной области - таких как L. J. Eriksson, М. Munjal, C.F. Ross, М. Moser, J. Scheiiren, A.B. Васильев, А.И. Власов и др. В настоящее время исследования по активному шумоглушению (АШГ) интенсивно проводятся ведущими автомобильными фирмами: Даймлср-Беиц, Порше, Фольксваген, Логус и др. В целом эффективность снижении шума с применением систем активной компенсации достигает 50 дБ для тональных сигналов, и эта эффективность возрастает с сужением интересующего частотного диапазона и с уменьшением пространственной зоны компенсации [12, 27, 61]. В связи с этим крайне актуальным является исследование вопросов связанных с активным шумоподавлением ДВС.
Нормирование шума АТС. Предъявляемые в настоящее время требования по нормированию и снижению шума производимого АТС ставят своей це х лью: предотвратить или ослабить шумовое загрязнение окружающей среды (селитебной зоны);
обеспечить безопасные условия труда работников, обслуживающих АТС; повысить потребительские качества АТС путем обеспечения виброакустического комфорта и снижения утомляемости водителя и пассажиров, что приводит к повышению безопасности эксплуатации АТС;
Щ в отношении фирмы-производителя - повышение конкурентоспособности АТС на международном рынке.
В настоящее время, шум производимый АТС должен соответствовать существующим международным и отечественным нормативным требованиям и стандартам (см. табл. 1). Необходимо рассматривать также акустический комфорт и качество звука автомобиля. По субъективной оценке комфортабельным считается такой автомобиль, поездка в котором приятна, неутомительна и сопровождается ощущением покоя и безопасности [12, 40]. Критерии акустического комфорта автомобиля составляют по результатам измерений шума и вибрации. Достагочно полно описать акустический комфорт можно с помощью следующих параметров: уровня звука, отражающего субъективную оценку шума и в то же время характеризующего общий уровень внутреннего шума; уровня звука основной моторной гармоники, характеризующего низкочастотную
Ф область внутреннего шума; индекса артикуляции, позволяющего численно охарактеризовать высокочастотную часть спектра. По этим параметрам, снятым в контрольных точках салопа при различных режимах движения, можно получить полную картину акустического комфорта автомобиля [11,18,35,55].
2. Директива 1999/101 СЕ Директива совета по сближению законодательств стран-членов, относительно допустимого уровня шума устройств выхлопа механических транспортных средств
3. Правила ЕЭК ООН №51-02 Единообразные предписания касающиеся официального утверждения автотранспортных средств, имеющих не менее 4 колес, в связи с производимыми ими шумами
4. ГОСТ Р 51616-2000 Шум внутренний. Допустимые уровни и методы испытаний
5. ГОСТ Р 41.51-1999 Единообразные предписания касающиеся официального утверждения автотранспортных средств, имеющих не менее 4 колес, в связи с производимыми ими шумами
6. ГОСТ ИСО 8002-99 Вибрация наземного транспорта
7. ГОСТ ИСО 7626-5-99 Вибрация и удар. Экспериментальное определение механической подвижности
8. ГОСТ 12.1.012-90 Вибрационная безопасность
9. ГОСТ 17770-86 Требования к вибрационным характеристикам
10. ГОСТ 14846-81 (СТ СЭВ 765-77) Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний более низким в сравнении с уровнем внешнего шума автомобиля 2101 с уровнем 84 дБ А. Аналогичным образом, акустическая энергия модернизированного автомобиля ВЛЗ-21214 с уровнем 74 дБ А, является в 2 раза более низкой в сравнении с серийным автомобилем 21214 с уровнем 77 дБА. Соответственно, постановка перспективной задачи разработки низкошумного автомобиля "АВТОВАЗ-2005" с уровнем внешнего шума 71 дБА влечет необходимость двойного уменьшения звуковой энергии в сравнении с действующим пределом 74 дБА. Если сравнивать автомобиль "АВТОВАЗ-2005" с уровнем 71 дБА, то количество звуковой энергии, которую он будет излучать в окружающую среду является в 20 раз более низким в сравнении с той, которую излучал автомобиль ВАЗ-2101 в период его производства первой половины 70-х годов. Или же другими словами, 1 автомобиль 2101 излучал в количественном плане столько же звуковой энергии, сколько должны излучать 20 автомобилей "АВТОВАЗ-2005".
Вторым моментом является то, что несмотря на то что уровень акустической энергии в абсолютном измерении все время уменьшается (если 2 раза или 3 дБА при снижении с 84 до 81 дБА соответствует устранению 10 автомобилей с уровнями 71 дБА каждый, то те же 3 дБА или 2 раза при снижении уровней с 74 до 71 дБА - уже соответствует устранения только 1 автомобиля),
сложность получения этого абсолютно меньшего эффекта и величина затрат по его реализации многократно возрастает. Это вызывает в первую очередь необходимость применения акустического дизайна все большего числа источников возбуждения, передачи и непосредственного излучения звука.
Описанные выше факты являются причинами борьбы фирм-производителей за улучшение акустических характеристик выпускаемых ими ТС. Это привело к появлению широкого ряда исследовательских работ в области виброакустики, представляющих практическую ценность при решении проблем снижения шума ТС. Однако, как было отмечено, применяемые методы борьбы с шумом АТС позволяют решать не все существующие проблемы или являются не вполне эффективными для их полного решения.
Цель работы. Снижение шума тепловых двигателей па основе методики построения систем их комплексной активной акустической доводки.
Объект исследования - тепловые двигатели со средствами формирования их акустического излучения.
Предмет исследования: активные средства формирования акустического излучения автомобильного ДВС.
Задачи исследования:
1. Разработать математические модели:
комплексного подхода к АШГ ДВС;
активных глушителей низкочастотного газодинамического шума систем газообмена ТД;
акустических систем комплексного активного подавления низкочастотного шума автомобильных ДВС.
2. Создать экспериментальный комплекс исследования систем активного шумоподавления ДВС и провести экспериментальную апробацию разработанных моделей.
3. На основе экспериментов, предложенных и известных моделей разработать методики:
• оптимизации активных глушителей низкочастотного газодинамического шума систем газообмена ТД;
• синтеза акустических систем комплексного активного подавления низкочас тотного шума автомобильных ДВС.
4. Создать опытные звукоизлучатели систем активного шумоподавления ТД, отличающиеся простой конструкцией и повышенными характеристиками эффективности и помехозащищенности.
5. Внедрить созданные методики и устройства активного шумоглушения ТД в конструкторскую практику.
Методы исследования основаны на применении теории линейных аку стических систем с привлечением метода электроакустических аналогий для моделирования «узких волноводов», и методов частотного анализа систем транспортных средств и активных глушителей. Научная новизна работы.
1. Предложен комплексный подход активного подавления НЧ шума ТД -как альтернативный метод доводки акустических качеств ТС;
2. Разработана экспериментально-аналитическая методика построения акустических систем комплексного акгивпого подавления ПЧ шума транспортных и стационарных ТД, объединяющая две независимых методики:
1) синтеза акустических систем комплексного активного подавления низкочастотного шума автомобильных ДВС;
2) оптимизации активных глушителей низкочастотного газодинамического. шума систем газообмена ТД, основанная на взаимосвязанном использовании независимых методов исследования «узких волноводов» и современных методов системного анализа (метода электроакустических аналогий для «узких волноводов», частотного анализа с измерением частотных передаточных функций систем, метода «импедансной трубы» для определения импедансов периферийных элементов волноводных систем и коэффициентов передаточной матрицы четырехполюсника исследуемых волноводных элементов), где: Ф • предложен новый принцип структурной декомпозиции систем газообмена ДВС, оснащенных активными глушителями - на 1) эквивалентный источник звука системы, 2) волиоводпую систему активного глушителя, 3) источник антизвука;
• адаптирована унификация типовых элементов волноводиых систем активных глушителей, использующая только простейшие несоставные элементы;
• в качестве исходных данных могут быть использованы и аналитические и экспериментальные характеристики волноводных систем.
Практическая ценность работы заключается в возможности доводки качества ТС и других агрегатов до перспективных требований за счет синтеза систем комплексного активного шумоглушеиия ТД и других циклических преобразователей энергии.
Теоретическая ценность работы - создано новое математическое обеспечение - пакет характеристик и алгоритмы анализа и синтеза акустических систем комплексного активного снижения акустического излучения ТД.
Достоверность исследования - экспериментальные исследования выполнены с использованием современного измерительного и анализирующего оборудования (в т. ч. таких фирм как «Брюль-и-Къер» - Дания и «Ларсон-Дэвис» - США) с использованием двухканальных систем сбора и обработки виброакустических сигналов с погрешностью акустических измерений порядка 0.1 дБ. Общая погрешность измерений не превышает 0.5 дБ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
XXV Самарской областной студенческой научной конференции. — Самара: Самарский Государственный Аэрокосмический Университет им. СП. Королева, 13-23 апреля 1999 г.; Четвертой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности". - Санкт-Петербург: 16-18 июня 1999г; 5-ом международном симпозиуме "Шум и вибрация на транспорте" (Транспортный шум 2000). - Санкт-Петербург: Восшчно-Пвропейская Ассоциация Акустиков, 6 — 8 июня 2000 г.; Всероссийской конференции "Перспективы развития автомобильного транспорта". - Тольятти: Тольяттинский политехнический институт, 25 - 26 октября 2000 г.; Всероссийской научно-технической конференции "Технический ВУЗ - наука, образование и производство в регионе". — Тольятти: Тольяттинский политехнический
институт, 3-4 октября 2001 г.; 8-ом международном конгрессе по шуму и вибрации "1CSV-8". - Гонконг:, 2-6 июля 2001 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». -Тольятти: Тольяттинский государственный университет, 22 — 23 мая 2003 г.; научных семинарах кафедр «Тепловые двигатели», «Промышленная экология и безопасность» и Научно-исследовательской лаборатории № 9 «Виброакустика и БЖД» Тольяттинского государственного университета.
Разработанные методики и устройства внедрены в ЗАО «Куйбышева-зот» и ЗАО «Волгоэлектромонтаж-1», приняты к проработке в ОАО «АВТОВАЗ», а также могут быть использованы в организациях, связанных с проектированием ТД, компрессоров, вентиляционных установок, а также с ремонтом, модернизацией, доводкой и эксплуатацией этих и подобных преобразователей энергии.
На защиту выносятся:
1) математическое моделирование активных глушителей низкочастотного газодинамического шума систем газообмена ТД и акустических систем комплексного активного подавления структурных и газодинамических компонент низкочастотного шума автомобильных ДВС;
2) экспериментальный комплекс исследования сиегем активного шумоподавления ДВС;
3) методика синтеза систем комплексного активного подавления структурных и газодинамических компонент низкочастотного шума ТД - как современного метода акустической доводки ТС;
4) конструкции активных глушителей предназначенных для снижения внешнего и внутреннего шума ТС посредством комплексного активного шумоподавления низкочастотного шума ДВС.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка из 132 наименований работ отечественных и зарубежных авторов и 10 приложений. Рабата содержит 155 страниц, 72 рисунка.
Перспективность активной доводки низкочастотных акустических характеристик автомобильных ДВС
ML. Munjal отмечаег [104], что хотя основа идеи АШГ очень проста и привлекательна, существует ряд затруднений и проблем, а именно: -измерительный микрофон и громкоговоритель не имеют гладкой частотной выходной характеристики для всего интересующего диапазона частот; громкоговоритель является слабым устройством, поскольку его НЧ-характеристика обычно весьма бедная; -громкоговоритель излучает энергию по направлению и против направления распространения подавляемого шума. Это приводит к искажению входного сигнала микрофона; -отражение по ходу распространения шума (главным образом у излучающего конца) в выхлопной трубе приводит к возникновению стоячих волн и связанным с этим проблемам обратной связи; -типичная выхлопная система производит сигнал, который варьируется по времени в связи с небольшими (но неизбежными) изменениями скорости. Это іребуег адаптивного управления сигналом. Относительно применения САШ с микрофонами и громкоговорителями в газоводах существуют следующие проблемы: -расположение громкоговорителей непосредственно в газоводах вызывает проблему защиты их от воздействия потока газа, что в особенности трудно для выхлопной системы, где температура выхлопных газов может достигать 500С и более - это имеет разрушающее воздействие на громкоговорители, даже если температура потока является нормальной температурой окружающей среды; -поток газов в выхлопной системе является агрессивной средой разрушающей (окисляющей) микрофоны и ИАЗ; -расположение іромкоговорителей внутри газоводов может влиять на функционирование сисгем ДВС и приводить к дополнительному повышению шума из-за вихревых явлений; -указанные проблемы имеют место и для измерительных микрофонов, номе 43 шаемых в газовые потоки, при этом также возникают также большие погрешности в измерении шума при воздействии потоков газа на микрофоны. Проблемами применения СЛШ в салоне автомобиля могут быть следующие: -невозможность или неудобство контроля шума непосредственно в зонах расположения ушей водителя и пассажиров, так как необходимо совмещать головку измерительного микрофона и зону ушной раковины человека для достижения максимального эффекта активного гашения шума; -увеличение уровней шума в некоторых зонах пространства салона относительно первичного шума при воздействии на него аптишума в результате неоднородной пространственной интерференции при требуемом снижении уровня шума в выбранных зонах его подавления; это может приводить к тому, что при перемещении уха человека из зоны заглушённого шума оно будет воспринимать шум другого уровня, а при постоянном качании или тряске этот эффект может постоянно иметь место (таким образом необходимо как можно большее расширение зон активного глушения шума с однородным пространственным распределением уровней звука).
Звуковое поле внутри салопа автомобиля оказывается довольно неоднородным в связи с несимметричностью конструкции, а следовательно с разнообразием путей распространения шума. Таким образом, проблема активного снижения шума в различных местах салона (главным образом в местах расположения сидений водителя и пассажиров) требует индивидуального подхода для каждого конкретного места. Поэтому в целом, задача активного шумоподавления сводится к созданию «фигурного» искусственного звукового поля (ИЗП), которое, интерферируя со звуковым полем, обусловленным естественными источниками шума автомобиля (естественным звуковым полем - ЕЗП), обеспечивает возникновение результирующего звукового поля - РЗП, отвечающего требованиям безопасности и комфорта. Искусственное поле должно быть соответствующим для различных секторов салона и, кроме того, оно не должно вызывать повышения уровня шума естественного звукового поля. В связи с тем, что шум следует стремиться уменьшать, в первую очередь, непосредственно в самом источнике, задачу создания ИЗП можно разделить на две части: 1) генерация ИЗП для подавления шума в источнике его возникновения - проблема снижения внешнего (по отношению к салону) шума; 2) генерация ИЗП для подавления шума, распространившегося от (возможно) не полностью компенсированного источника в салон автомобиля - проблема снижения внутреннего шума.
Проблема снижения внешнего шума является более актуальной, т.к. решает и задачу снижения внутреннего шума и обеспечивает снижение шума от АТС, который вызывает акустическое загрязнение ОС - неблагоприятное для людей, находящихся вне АТС.
Что касается системы управления САШ, то основными вопросами для нее являются выбор элементной базы, на которой она будет построена: цифровая, аналоговая, выбор конкретных управляющих устройств и т.д.; здесь решающими будут являться вопросы о дороговизне и долговечности применяемых устройств: как известно в настоящее время разработано большое множество цифровых и аналоговых устройств, имеющих возможность работать долгое время в критических условиях, но их дороговизна может заставить конструктора отказаться от их применения в задачах активного шумоглушения в АТС.
Как показывает даже беглый обзор подходов активного шумоглушения и связанных с ними проблем, разработка недорогостоящей САШ, которая обеспечивала бы требуемое снижение шума в конкретном автомобиле является задачей связанной с обработкой весьма большого объема информации. Это вызвано большим разнообразием моделей АТС, подходов АШ, аппаратуры применяемой в САШ и методов моделирования САШ. В настоящее время это требует применения автоматизированных средств проектирования. Поэтому важной задачей нашего исследования является обзор и разработка принципов и средств САПР в применении к проектированию САШ. Этапы автоматизированного проектирования, целью которого является разработка САШ для конкретного прототипа автомобиля можно предложить следующие [27,42]: 1. Анализ шумовых полей в выделенных акустических системах автомобиля (относящихся и к внешнему шуму и к внутреннему): » -выбор методов моделирования систем; -моделирование систем с помощью выбранных методов; -аналитический расчет на ПЭВМ шумовых полей в системах при разных режимах функционирования их оборудования; -экспериментальные исследования шумовых полей в изучаемых системах; -сравнение экспериментальных и аналитических результатов и, на основе этого, требуемая коррекшровка исходной математической модели с уточнением соответствующих алгоритмов, баз данных и пр. для ПЭВМ. 2. Моделирование и определение необходимого воздействия полей активного глушения на шумовые поля в исследуемых системах во всех рассмотренных режимах их функционирования: -перебор и расчет различных вариантов воздействия; -выбор оптимального варианта воздействия с учетом основных конструктивных особенностей систем и желаемых шумовых характерисгик, предъявляемых к сисгеме. 3. Разработка контроллера САШ: -выбор исполнительных и сенсорных элементов Громкоговорителей, микрофонов, датчиков или др.) на основе рассчитанных требуемых режимов их функционирования; -проектирование управляющей электронной системы выдающей управляющие сигналы на исполнительные элементы и принимающей информацию от сенсорных элементов. 4. Монтаж разработанных САШ в исследуемых системах и экспериментальные исследования воздействия активного шумоглушения. 5. Сравнительный анализ экспериментальных и аналитических данных, оценивающих эффект воздействия САШ на исследуемые акустические системы и усовершенствование разработанных САШ.
Моделирование газоводных систем ТД оснащенных активными глушителями по методу «эквивалентного генератора».
Системы впуска и выхлопа ТД - системы газообмена, в НЧ диапазоне могут быть представлены эквивалентной электрической цепью [6, 35, 50]. При этом цилиндры ТД являются задатчиками колебательного массового (объемного) расхода газа поступающего в цилиндр или выбрасываемого из него. Согласно принятой системе электроакустических аналогий цилиндры представляются в виде источников «тока» — расходной (объемной, массовой) колебательной скорости, либо колебательной скорости частиц газа в сечении подключения цилиндра. Цилиндр как реальный источник колебаний не является идеальным и поэтому обладает внутренним механическим (либо акустическим) сопротивлением. Элементы систем газообмена являются волноводами, подключенными к источникам определенным образом - акустическая нагрузка источников. Промежуточные (передаточные) элементы представляются в виде четырехполюсников в эквивалентной цепи, а периферийные элементы - в виде импедансных элементов [4]. Как правило, последовательность элементов СГ заканчивается, в акустическом смысле, излучающим отверстием. Таким образом, всю систему можно представить обобщенной схемой на рис. 9.
При оборудовании такой системы активной насадкой (АГ) появляется дополнительный источник, воздействующий на СГ — активный возбудитель (ИАЗ). Соответственно система представится схемой на рис. 10. При этом газоводная система также изменяется за счет дополнения ее волноводами АГ. Таким образом, интересно моделирование и методика оптимизации характеристик именно такой системы ЛШГ в системах газообмена ТД. Моделирование при выбранном представлении может вестись по рассмотренной методике расчета линейных цепей четырехполюсников.
Учитывая замечания практического характера по описанию свойств ци-М линдров как источников (трудоемкость и нецелесообразность их моделирования) от указанной схемы системы можно перейти к более простой, основанной на использовании принципа «эквивалентного генератора». Как известно, по отношению к любой рассматриваемой части (ветви) электрической цепи, остальную часть, содержащую источники энергии и другие элементы можно представить одним внешним источником энергии.
При этом, э.д.с. этого генератора равна напряжению холостого хода на W зажимах удаленной ветви, а внутреннее сопротивление - входному сопротивлению двухполюсника по отношению к зажимам выделенной ветви. Таким образом, по отношению к излучающим частям систем газообмена (либо другим периферийным частям) остальную часть (которая включает и цилиндры ТД) можно представлять одним источником акустической энергии. Этот источник характеризуется приведенным входным (внутренним) импедансом но отношению к подключаемой системе и звуковым давлением, которым он возбуждает эту систему. Применение этого принципа оправдывает себя и привлекает тем, что на практике гораздо проще и целесообразней измерять указанные характеристики такого эквивалентного источника (излучение и входной импеданс) для систем впуска и выхлопа ТД при их исследованиях. Кроме того, в практике расчета глушителей шума таких систем разработано немало методик, использующих такое представление систем по отношению к глушителю.
В отношении применения АГ в указанных системах принцип «эквивалентного генератора» можно использовать, представляя всю СГ, либо основную ее часть одним источником излучения (каковой она и является в реальности) по отношению к волповодной системе АГ. То есть, интересен переход к схеме на рис. 11. Здесь предложена новая декомпозиция систем газообмена с активными глушителями — на: 1) эквивалентный источник звука (ЭИЗ) системы, 2) волноводную систему АГ (ВСАГ), 3) источник антизвука.
Такую схему можно условно назвать «S-AS». Эффективность работы такой системы зависит от свойств всех ее компонент: источника, антиисточпика, волноводов и импеданса излучения. Поэтому интересны возможности синтеза и оптимизации таких систем за счет изменения конструкции и свойств указанных компонент. Если ИАЗ не задействован (а такие режимы возможны при работе реальных систем), то система представляется схемой на рис. 12.
Можно предложить обобщенную методику расчетной оценки эффективности таких систем, а таюкс методику синтеза и оптимизации се свойств. Ма основе описанных положений теории активной компенсации предлагается следующая формализация. Описание ведется на основе условия полной компенсации - звуковое давление излучения устраняется полностью (в реальности этого не будет из-за наличия неравпомерпостей в пространстве, времени и энергии распространения волн):
Акустический расчет производится на основе метода электроакустических аналогий, который в данном случае ставит в соответствие исходным акустическим газоводным системам электрические цени четырехполюсников. Четырехполюсники представляют элементы системы, а их параметры - передаточные (по отношению к акустическим волнам) свойства элементов. Для алгоритмизации модели цепь четырехполюсников упрощается до условного древесного графа, состоящего из типовых звеньев, представляющих соответствующие четырехполюсники, после чего полученная граф-структура системы дополняется формальным описанием, которое связывает искомые величины системы с параметрами звеньев. Все используемые типовые звенья сводятся в таблицу (библиотеку), где характеризуются их особенности и параметры. В табл. 3 приведены наиболее распространенные типовые звенья, представляющие элементы систем газообмена ТД и ВСАГ, выбранные и адаптированные па основе анализа существующих функциональных декомпозиций систем [6, 24, 48, 62].
Методика определения характеристик звукового поля в сечениях участков прямолинейных труб газоводной системы основана на использовании существующей и адаптированной нами теории и представляется следующими шагами. 1. Задание общих физических условий работы системы.
Модель формирования звукоизлучения источников антизвука
Основным достоинством такой системы является возможность гибкого программного управления генерацией антишумовых сигналов. Это позволяет реализовывать и оценивать различные алгоритмы управления антисигналами. Количество независимых каналов реализации аптисигпалов принципиально зависит от быстродействия применяемой ПЭВМ. Каналы могут использоваться для исследования различных конфигураций системы активного шумоподавления в автомобиле, например: а) заглушение шума впуска и выпуска (по одному каналу па каждую систему) и шума в определенной зоне пространства салопа автомобиля (также посредством одного канала); б) заглушение шума выпуска посредством одного капала и шума в салоне посредством двух и т. д. При этом параметры генерируемых аптисигпалов могут корректироваться непосредственно в ходе выполнения управляющей программы генерации сигналов при помощи интерфейса пользователя ПЭВМ. Блоки усиления сигналов (физические усилители) предназначены для непосредственного усиления сформированных отмасштабированных управляющей проі-раммой сигналов.
Проанализируем подробнее условия функционирования такой цифровой системы генерации звука. Как показал обзор принципов построения подобных систем [26, 27, 92] - в простейшем случае функционально система должна ставить в соответствие управляющему (задающему) тахосигналу от ДВС транспортного средства выходные сигналы для каналов активного подавления шума в реальном масштабе времени. Таким образом, импульсы тахосигнала должны инициировать генерацию необходимых для АІПГ полигармонических сигналов. Наиболее практичным типом датчиков тахосигнала является тип индукционных датчиков, использующих, например, электрические импульсы предназпачеппые для активизации свечей зажигания ДВС и др. К частоте вспышек в любом из цилиндров ДВС можно привязать частоты порядковых составляющих шума систем ДВС. Таким образом, регистрируя вспышки, например, только в одном цилиндре можно отслеживать частоту процесса вращения коленчатого вала ДВС. Наиболее распространенный диапазон частот вращения коленчатого вала указанных ДВС лежит в пределах 800...6000 об/мин или 13,33...100 об/с (Гц). Поскольку определяющей порядковые составляющие шума систем газообмена ДВС является порядковые частоты вращения коленчатого вала (и соответственно частота вспышек в цилиндрах), то интересующий частотный диапазон детерминируется однозначно. В соответствии с этим детерминируется и период следования импульсов вспышек зажигания. Опираясь на такие частотные и временные параметры, мы можем определить характеристики быстродействия устройства обработки и генерации звуковых сигналов в реальном времени.
Использование импульсов вращения коленчатого вала (тахосигнал) как внешних запросов на прерывание в микропроцессорную систему используемой ПЭВМ позволяет рассматривать тахосигнал как временной и частотно-режимный задатчик в процессе генерации антизвука. Таким образом, при получении указанных запросов на прерывание ПЭВМ должна выполнять определенные процедуры, необходимые для генерации антисигпалов в цифровом виде: 1. Контроль частоты следования импульсов вращения коленчатого вала; 2. Аналитический расчет порядковых составляющих антисигналов для всех каналов САШ; 3. Вывод цифровых кодов, соответствующих рассчитанной совокупности составляющих антисигналов во внешний модуль цифро-аналогового преобразования (МЦАП) в дискретные моменты времени импульсов тахосигнала для формирования им соответствующих аналоговых сигналов. Первая процедура ставит своей целью постоянное слежение в реальном времени за процессом и частотой следования импульсов тахосигнала, поскольку частоты и фазы порядковых составляющих шума ДВС жестко связаны с ним. В ПЭВМ это принципиально организуется посредством подсчета числа импульсов внутреннего таймера, который выдает внутренние импульсы на прерывание с жестко заданной ему частотой fa (системной частотой дискретизации). По числу таких импульсов Nn между моментами последовательных импульсов тахосигнала можно определить период следования Процедура вывода обеспечивает вывод цифровых дискретных наборов антисигналов в МЦЛП для преобразования в соответствующие аналоговые сигналы. Для каждого дискретного момента времени, определяемого внутренним таймером, все указанные процедуры выполняются последовательно. В алгоритмическом виде совокупность описанных процедур представлена блок-схемой приведенной в приложении 6. Современные ПЭВМ с процессорами «Intel» и др. имеют, как известно достаточно широкие стандартные возможности по обработке информации в ре Ф альном времени. Не вторгаясь в устройство ПЭВМ наиболее простой способ позволяющий осуществить связь ПЭВМ с МЦАП - использование портов предназначенных для принтера. Они содержат набор функциональных сигналов, позволяющий установить надежный интерфейс между МЦАП и ПЭВМ - для передачи цифровых данных и управляющих сигналов. Эти порты позволяют выводить байт данных в сопровождении сигналов регистрации (записи в капал) с частотой выполнения соответствующих команд вывода, которые инициируются
Р приведенными выше прерываниями. Задача МЦАП - преобразовывать выводимые цифровые байты в соответствующие аналоговые уровни напряжения -выставлять на выходе аналоговые уровни напряжения в моменты времени соответствую ци е заданной для данного сигнала частотой дискретизации. Поскольку в разрабатываемой системе необходимо использование нескольких каналов генерации антизвука - соответственно требуется необходимое число каналов цифро-аналогового преобразования и разделенный во времени доступ порта вывода ПЭВМ к этим каналам — поскольку порт позволяет выводить в каждый дискретный момент времени лишь один байт данных. Таким образом, необходим мультиплексированный режим использования порта вывода ПЭВМ для поочередной передачи цифровых данных первому и последующим каналам. Это принципиально осуществляется с помощью признаков (сигналов), выставляемых в порге вывода и сообщающих МЦАП - для какого канала в данный дискретный момент предназначен выводимый байт данных. Сами каналы МЦАП функционально можно реализовать, используя для каждого из них микросхему регистра-защелки байта данных, микросхему цифро-аналогового преобразования байта данных и микросхему операционного усилителя. Байт данных проходит в такой канал при положительном перепаде управляющего сигнала записи в регистр-защелку и сохраняется там до тех пор, пока не будет заменен другим байтом при аналогичной процедуре. Выходной аналоговый сигнал также удерживается все время присутствия преобразуемого байта. Выдавая управляющие перепады уровней в соответствующие каналы, мы осуществим раздельное использование порта вывода ПЭВМ.
Эксперименты по определению характеристик и эффективности комплексного активного шумоглушения
Особенность здесь представляет жесткая противофазпость прямого и обратного излучения іромкоговоритсля - можно показать, что реально произвести настройку громкоговорителя на режим полной компенсации для обеих рассматриваемых систем. Оптимальная настройка такой системы АШГ возможна путем задания соответствующих передаточных свойств конструкции передающего (соединяющего системы) волновода и управлением фазой антисигнала, подаваемого на громкоговоритель.
Как известно, мембрана громкоговорителя в реальности не соответствует плоской пластине, и большинство промышленно выпускаемых громкоговорителей изготавливаю гея так, чтобы большая интенсивность излучения приходилась на положительное направление оси громкоговорителя. Эту особенность можно использовать для того, чтобы использовать противоположные более и менее интенсивное излучения громкоговорителя для систем соответствен по с большими и меньшими амплитудами звуковых пульсаций.
На основе приведенных факторов был изобретен (рис. 67) ДВС 1 снабженный системой впуска воздуха 2 и системой выхлопа отработавших газов 3, дополненный системой активного шумоглушения 4, содержащей двунаправленный источник звука 5, излучающий звук в звукопровод 7, соединенный с впускным патрубком 6, и в звукопрововод 9, соединенный с выхлопной трубой 8. Источник звука 5 соединен с блоком 10 управления, связанным с датчиком 11 частоты вращения распределительного вала ДВС.
Цель изобретения - снижение НЧ шума системы впуска и системы выпуска ДВС. Система работает следующим образом. Пульсации давления в сечениях выпускных и впускных клапанов ДВС согласно тактам газораспределения происходят с фазовым смещением порядка 270 (по углу вращения коленчатого вала). По амплитуде пульсаций преобладают пульсации давления выпуска. Выхлопной тракт и система впуска воздуха значительно отличаются по средней эффективной длине распространения возбуждаемой в ДВС волны давления газа, поэтому колебания давления в зонах срезов впускного 6 и выхлопного 8 патрубков происходят практически в противофазе (с большой разностью фаз). Двунаправленный источник звука 5 состоит из громкоговорители (мембраны), заключенного в герметичную камеру, причем мембрана громкоговорителя герметично разделяет полость камеры на две части, образуя при этом направление прямого и противоположного (обратного) излучения. Колебания мембраны громкоговорителя такого источника излучают звуковые волны в противоположных направлениях происходящие в противофа-зе. Эти противофазные излучения могут быть использованы для активной интерференционной компенсации звуковых колебаний в зонах срезов соответственно впускного патрубка 6 и выхлопной трубы 8, соединение источника звука 5 с которыми осуществляется посредством звукопроводов 7 и 9 соотвегственно. Более высокое по амплитуде излучение громкоговорителя должно быть па-правлено к выхлопной трубе. Колебания мембраны громкоговорителя задаются блоком управления 10, который ведом с помощью датчика ]] частоты вращения распределительного вала ДВС, определяющего частотный режим компенсации. Блок управления 10 содержит амплитудную и фазовую информацию режима компенсации. Параметры звукопроводов 7, 9 могут подбираться для оптимального режима компенсации. Способ соединения (зоны встраивания) звукопроводов 7, 9 с патрубками 6, 8 должен определяться экспериментально для достижения необходимых (наилучших) условий компенсации и исходя из конструктивных особенностей систем впуска и выхлопа.
Работу описанной системы можно принципиально представить схемой рис. 68. Здесь связанные источники колебательной скорости S1 и S2 представляю! , соответственно, акустические возбуждения в коллекторе системы впуска и в коллекторе системы выпуска, а связанные источники колебательной скорости S1 и S2 AS1 и AS2 представляют, соответственно, акустические возбуждения, создаваемые мембраной источника звука в направлении соответственно системы впуска и системы выпуска. Спектры звукового давления в сечениях соответственно впускного патрубка и выхлопной трубы определяются соотношениями: спектры колебательных скоростей газа, возбуждаемых ДВС, соответственно, в коллекторе впускной системы и в коллекторе выхлопной системы; Vasl(f), Vas2(f) - спектры колебательных скоростей поверхности мембраны источника звука, соответствепо, в направлении системы впуска (прямом) и системы выпуска (обратном); Hsl(f), Hasl(f) - частотные передаточные функции звуковое давление/колебательная скорость для волноводной системы впуска, соответственно, от сечения коллектора впускной системы и сечения присоединения источника звука, к сечению измерения звукового давления во впускном патрубке; Hs2(f), Has2(f) - частотные передаточные функции звуковое давление/колебательная скорость для волноводной системы выпуска, соответственно, от сечения коллектора впускной системы и сечения присоединения источника звука, к сечению измерения звукового давления в выхлопной трубе. Спектры колебательных скоростей поверхностей мембраны источника звука в направлении системы впуска и системы выпуска связаны соотношением: где Kas(f) - амплитудно-частотная характеристика обратного направления излучения мембраны источника звука; j 180- противофаза колебаний мембраны в обратном направлении по отношению к прямому. Из объединения соотношений (4.1) и (4.2) следует, что для достижения в рассматриваемой системе желаемых спектров звукового давления во впускном патрубке и выхлопной трубе необходимы колебания мембраны источника звука в прямом направлении с колебательной скоростью: Таким образом, принципиально можно осуществлять активную компенсацию шума в рассмотренных системах впуска и выхлопа управляя только колебательной скоростью прямого направления мембраны двунаправленного излучателя звука. В целях энергосбережения, как известно, целесообразно генерировать антизвуковые волны в непосредственной близости зоны компенсации (интерференции). Для рассматриваемой системы активного снижения шума это связано с сокращением эффективной длины одновременно как волновода 7, гак и волновода 9. Однако суммарная эффективная длина волноводов 7 и 9 не может (исходя из топологии системы) быть менее эффективной длины волноводов системы впуска 2 и системы выхлопа 3. Но очевидно, что ввиду значительно более высоких уровней звуковых колебаний в выхлопной трубе по сравнению с впускным патрубком - источник звука 5 может быть "смещен" к выхлопной трубе 8 (сокращена эффективная длина волновода 9). Это также поддерживается тем, что обратное излучение мембраны источника звука 5 принципиально незначительно уступает по амплитудам прямому излучению, а амплитуды звука системы впуска значительно ниже соответствующих амплитуд в выхлопной системе, и поэтому эффективная длина волновода 7 вносит "полезный" импеданс излучению источника звука 5 во впускной патрубок 6. Исходя из упомянутых соображений, источник звука 5 следует располагать па уровне днища (заднего пола) автомобиля в непосредственной близости излучающего участка выхлопной трубы, наиболее длинную и прямую часть волновода 7 - в тоннеле, параллельно с волноводами системы выхлопа.
