Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Шум газовоздушных систем и основные направленияисследований с целью его снижения 12
1.1 Объекты исследования и их место в обеспечении жизнедеятельности человека в городских условиях 12
1.2 Шум современных систем вентиляции и кондиционирования воздуха 14
1.2.1 Источники шума систем В иКВ 14
1.2.2. Шумообразование в вентиляторах и способы его снижения 19
1.2.3 Методы расчета акустических характеристик вентиляторови экспериментальных исследований 32
1.2.4 Шумообразование в элементах воздуховодов 37
1.3 Шум крупногабаритных газовоздушных систем тяги и дутья городских энергетических объектов 38
1.3.1 Источники шума систем и их воздействие на окружающую среду 38
1.3.2 Особенности определения шумовых характеристик основных источников шума систем (тягодутьевых машин) 43
1.4 Оценка шумового воздействия газопроводных и паропроводных систем ТЭЦ 45
1.5 Основные направления исследований 49
Глава 2. Исследование и разработка методов измерения шума лопаточных машин в трубах 54
2.1 Обобщенная модель распространения шума лопаточных машин в присоединенных трубах 54
2.2 Экспериментальные исследования факторов, влияющих на результаты измерений в трубах 62
2.2.1 Влияние концевых отражений и выбор параметров концевого поглощающего устройства62
2.2.2 Влияние испытательных труб и мест расположения в них измерительных точек 67
2.2.3 Влияние элементов испытательного стенда на звуковую мощность источника шума75
2.2.4 Оценка погрешности измерений 79
2.3 Защита микрофона в потоке газовоздушной среды 84
2.3.1 Механизм защиты микрофона от псевдозвука трубчатым устройством 86
2.3.2 Экспериментальные исследования и оптимизация конструктивных параметров трубчатой насадки 94
2.3.3 Новые совмещенные защитные устройства 99
2.4 Результаты исследований: стандартные методы измерения шумовых характеристик в трубах102
2.4.1 Методы акустических испытаний вентиляторов общего назначения 102
2.4.2 Методы акустических испытаний тягодутьевых машин 104
Глава 3. Исследование и снижение шума крупногабаритных тягодутьевых машин 114
3.1 Тягодутьевые машины как источники интенсивного аэродинамического шума 114
3.2 Исследование механизма шумообразования 120
3.3 Исследование влияния конструктивных и аэродинамических параметров машин на звуковую мощность 128
3.3.1 Влияние изменений элементов проточной части 128
3.3.2 Влияние режима работы 134
3.3.3 Влияние присоединяемой сети 138
3.4 Расчет шумовых характеристик ...^г..140
3.5 Средства и способы снижения шума 148
Глава 4. Прогнозирование шума газовоздушных систем тяги и дутья на территории городской застройки 151
4.1 Источники шума систем и особенности его распространения к объектам воздействия151
4.2 Снижение уровней звуковой мощности в газовоздушных каналах 155
4.2.1 Особенности расчета снижения уровня шума в крупногабаритных газовоздушных каналах 155
4.2.2 Снижение шума на прямых участках 158
4.2.3 Снижение шумана поворотах 163
4.2.4 Снижение шума в разветвлениях 168
4.2.5 Характер излучения шума из устьев дымовых труб 170
4.3 Расчет уровней шума систем на территории городской застройки 172
4.3.1 Анализ ситуационных данных 172
4.3.2 Методика и результаты акустического расчета 174
4.4 Оценка точности расчетных данных путем сравнения с результатами натурных измерений 182
Глава 5. Методологические аспекты проектирования малошумных систем вентиляции 188
5.1 Оптимизация конструктивных и рабочих параметров систем вентиляции 188
5.1.1 Основные правила проектирования малошумной системы 188
5.1.2 Выбор вентилятора и места его установки 191
5.1.3 Акустические и аэродинамические требования Ьк воздуховодам 194
5.1.4 Критерии ограничения скорости потока в элементах сети .201
5.1.5 Оптимальное расположение дросселирующих устройств в сети 206
5.2 К методике акустического расчета вентиляционной установки 209
5.2.1 Расчет шумовых характеристик вентиляторов, путевой арматуры, фасонных элементо209
5.2.2 Расчет уровня шума вентиляционной установки в помещениях
5.3 Основные средства снижения шума , 226
5.3.1 Глушение шума в воздушных каналах 226
5.3.2 Защита от шума, распространяющегося от корпуса вентилятора в окружающее пространство 236
5.4 Новый подход к оценке шума вентоборудования 237
Глава 6. Меры борьбы с аэродинамическим шумом и их акустические возможности 243
6.1 Снижение шума средствами звукопоглощения 243
6.2 Абсорбционные глушители шума 251
6.2.1 Расчет затухания шума в облицованных каналах 251
6.2.2 Выбор оптимальных параметров звукопоглощающего материала глушителя и его защитного покрытия 261
6.2.3 Влияние геометрических размеров на затухание в глушителе 270
6.2.4 Влияние потока в глушителе на его эффективность 273
6.2.5 Принципы моделирования глушителей 276
6.2. б Влияние концевых эффектов и гидравлический расчет глушителей 278
6.3 Защита от шума наружных блоков кондиционеров посредством экранирования 280
6.4 Повышение звукоизолирующих свойств корпусов вентиляторов, тягодутьевых машин и газовоздушных каналов 288
6.5 Возможности активных методов подавления шума 300
Глава 7. Практическая реализация защиты от шума газовоздушных систем зданий и территорий застройки 311
7.1 Опыт борьбы с шумом систем кондиционирования воздуха и вентиляции уникальных жилых, общественных и административных зданий 311
7.2 Снижение шума ГВС энергетических объектов 320
7.2.1 Снижение шума систем тяги и дутья 320
7.2.2 Снижение шума паровых выбросов котлов тепловых электрических станций 324
7.3 Защита от шума крышных вентиляторов и холодильных агрегатов 328
7.4 Снижение шума, излучаемого вентиляторами и тягодутьевыми машинами в окружающее пространство 333
7.5 Снижение шума газорегулирующей арматуры и газопроводов ТЭЦ 336
Общие выводы по работе 340
Список использованных источников 343
Приложения 360
- Шум современных систем вентиляции и кондиционирования воздуха
- Влияние испытательных труб и мест расположения в них измерительных точек
- Исследование механизма шумообразования
- Снижение уровней звуковой мощности в газовоздушных каналах
Введение к работе
По мере развития строительной отрасли, промышленности в целом, в том числе энергетики, человек на производстве, в быту и на отдыхе подвергается интенсивному шумовому воздействию, которое настолько велико, что в литературе появился термин «акустическая экспансия»[73,93], а его снижение рассматривается как важнейшая составляющая комплекса экологических проблем [210].
Шумовое воздействие во многих случаях становится лимитирующим экологическим фактором, и его надо рассматривать как одну из составляющих общего кризиса техногенной цивилизации [210]. Шумовое состояние окружающей среды оказывает существенное воздействие на человека и сравнивается с таким воздействием, как разрушение озонного слоя или с кислотными дождями. Специалисты утверждают, что за счет повышенного шума увеличивается заболеваемость в городах, уменьшается продолжительность жизни, снижается производительность труда. Снижение шума является составной частью проблемы преодоления кризиса современного развития и взаимодействия человечества и природы, при котором общество удовлетворяло бы свои потребности без ущерба для последующих поколений за счет принципов самоограничения, обновления (обновляемости) и замкнутости.
Поэтому не случайно шумовое воздействие нормируется практически во всех странах мира. В России закон «Об охране атмосферного воздуха» рассматривает шумовое воздействие на окружающую среду среди таких негативных факторов, как радиоактивное и электромагнитное воздействие, а также воздействие газообразных выбросов (окислов серы и азота) или твердых частиц (золы).
К числу основных источников шума аэродинамического происхождения городов и крупных населенных пунктов относится вентиляционное оборудование: системы вентиляции (В), кондиционирования воздуха (KB) и некоторые другие системы, в частности, системы тяги и дутья, паровых выбросов транспортировки газа. Все эти источники повышенного шума объединены автором в общее понятие газовоздушные системы (ГВС) - это трубопроводные системы с перемещаемой в них газовоздушной средой.
Без систем В и KB невозможно представить современное административное, общественное и жилое здание. Другие газовоздушные системы, такие как крупногабаритные системы тяги и дутья паровых и водогрейных котлов, газопроводные и паропроводные системы, участвуют в технологических процессах по производству тепловой и электрической энергии на городских энергетических объектах: ТЭЦ (теплоэлектроцентралях), РТС (районных тепловых станциях), КТС (квартальных тепловых станциях), котельных.
Все упомянутые системы имеют общие черты и ряд особенностей, требующих детального рассмотрения. Отличает эти источники шума и степень научной проработки. Наиболее полно, с точки зрения акустики, изучены системы В и КВ. Существует множество работ, посвященных борьбе с шумом вентуста-новок в источнике его возникновения в ряде областей промышленности (в судостроении, авиации, автомобилестроении, на транспорте и др.). Однако остались и появились новые вопросы, связанные с измерением, распространением, снижением аэродинамического шума и защитой от него в современном городском строительстве. Энергетические газовоздушные системы имеют существенные отличительные черты, а распространение звука в их каналах имеет важные особенности, поэтому результаты исследования акустических характеристик ГВС -основа для решения проблемы шумозащиты от них зданий и городской застройки, т.е. человека.
Проблемам защиты зданий и территорий застройки уделяли внимание крупные отечественные ученые: Л.А. Борисов, Д.Н. Блохинцев, В.И. Заборов, Н.И. Иванов, И.И. Клюкин, А.Г. Мунин, А.С. Никифоров, Г.Л. Осипов, Е.А. Перцовский, М.С. Седов, А.С. Терехин, Ю.П. Щевьев, Е.Я. Юдин, а также зарубежные Л.Л. Беранек, Л. Кремер, М. Крокер, Ф. П. Мехель, М. Хекль, Г. Хюб-нер. Несмотря на это, осталось большое количество вопросов, без решения которых нельзя решить в целом задачу снижения шума рассматриваемых газовоздушных систем.
Это объясняется взаимной связью этих вопросов, т.е. комплексностью проблемы, при решении которой затрагиваются вопросы: выявления источников аэродинамического шума и исследования причин шумообразования в основных источниках, аналитических и экспериментальных исследований физических процессов распространения звука в трубах и акустических измерений, снижения
8 звуковой мощности в сложных элементах крупногабаритных газовоздушных каналов, распространения шума в городской воздушной среде до объекта воздействия и методики его расчета, разработки методических рекомендаций по проектированию малошумных систем, исследования и разработки средств снижения шума и внедрения их в практику строительства.
Актуальность работы по защите от шума ГВС зданий и территорий застройки связана с повышенным шумовым воздействием прежде всего из-за близкого их расположения к местам обитания человека, так как они предназначены для обеспечения его жизнедеятельности. Системы В и KB создают в зданиях различного назначения необходимый температурно-влажностный режим (комфортные климатические условия) и сообщаются с окружающей средой через воздухозаборы и выбросы, а мощные системы тяги (дутья) и парогазовые системы используются на энергетических объектах с непрерывным циклом работы (круглосуточно, круглогодично), располагаемых, как правило, вблизи больших жилых районов или непосредственно на их территории. Ситуация усложняется тем, что характер шума основных источников систем тяги и дутья (дымососов и дутьевых вентиляторов) - тональный. Это свидетельствует о невозможности эксплуатации исследованных ГВС без осуществления мероприятий по шумоглушению, разработка которых должна основываться на материалах достаточно глубоких акустических исследований и проводиться с учетом особенностей оборудования и условий его эксплуатации.
Целью диссертационной работы является разработка эффективных методов и средств снижения шума при ограничении шумового воздействия систем В, KB и широко применяемых в условиях городов крупногабаритных энергетических газовоздушных систем. Для достижения цели в работе решается комплекс задач, включающий: систематизацию и обобщение опубликованных данных и собственных исследований, касающихся физических процессов возникновения шума в вентиляторных установках, его измерения и направлений снижения, инженерных методов расчета уровней шума; разработку стандартных методов акустических испытаний вентиляторов и тягодутьевых машин на основе аналитических и экспериментальных исследований; разработку методических рекомендаций по проектированию малошумных систем В, KB и классификации средств снижения шума; выявление причин повышенного шумообразования
9 (шумоизлучения) в элементах энергетических газовоздушных систем; разработку комплекса средств снижения шума энергетических газовоздушных систем с учетом особых условий их эксплуатации с использованием шумоглушителей, методов звукопоглощения, звукоизоляции, экранирования на основе аналитических данных и результатов экспериментов; методику расчета снижения звуковой мощности в элементах крупногабаритных систем тяги и дутья; методику расчета уровней шума энергетических ГВС на прилегающей к объектам территории городской застройки; разработку технических решений средств защиты зданий и территорий застройки от шума систем В, KB и других ГВС.
Научная новизна работы заключается в следующем:
исследованы процессы распространения аэродинамического шума лопаточных машин (вентиляторов, тягодутьевых машин) в присоединяемых трубах, связанные с определением достаточно точной связи (с корреляцией) между измеряемым звуковым давлением и звуковой мощностью;
выявлены закономерности шумообразования в крупногабаритных тягодутьевых машинах, определены зависимости их звуковой мощности от конструктивных и аэродинамических параметров, критерии подобия и удельные уровни звуковой мощности, разработан расчетный метод для определения шумовых характеристик этих машин;
определены удельные уровни звуковой мощности современных вентиляторов и поправки на тональные составляющие их шума, позволяющие рассчитывать основные шумовые характеристики на сторонах всасывания, нагнетания и вокруг корпуса, а также сравнивать по шумности и выбирать наименее шумные агрегаты;
предложена инженерная методика расчета уровней шума крупногабаритных энергетических газовоздушных систем, учитывающая условия излучения шума в окружающее пространство и включающая экспериментальные и расчетные значения снижения уровня звуковой мощности в разнообразных элементах крупногабаритных энергетических газовоздушных каналов, а также необходимые данные о характере излучения аэродинамического шума из устьев дымовых труб в зависимости от их высоты и конструкции;
- получены экспериментально-аналитические зависимости снижения
шума абсорбционными глушителями от геометрических и физических парамет
ров их конструкции;
- получены новые данные о звукоизолирующих свойствах различных те
плоизолирующих покрытий металлических конструкций газовоздушных каналов
и корпусов тягодутьевых машин, позволяющие прогнозировать уровни шума в
зоне их обслуживания и в техническом помещении;
Практическая значимость работы: разработан стандартный метод акустических испытаний общепромышленных вентиляторов в присоединяемых трубах; разработаны средства для защиты микрофона, используемые при стандартных акустических измерениях в трубах с потоком воздуха; определены основные требования и оптимальные конструктивные и рабочие параметры для проектирования малошумных систем вентиляции и кондиционирования воздуха; впервые в отечественной практике разработан отраслевой, а затем государственный стандарт на акустические испытания крупногабаритных ТДМ, с внедрением которого были определены шумовые характеристики машин и подготовлены материалы для опубликованного каталога; определены акустические требования для проектирования и изготовления глушителей шума крупногабаритных энергетических систем тяги и дутья с учетом особенностей условий их эксплуатации; определены конструктивные параметры звукоизолирующих покрытий газовоздушных каналов и корпусов ТДМ, кожухов и других средства снижения шума газопроводных систем ТЭЦ; по требуемой акустической эффективности определены конструктивные параметры выгородок для экранирования шума наружных блоков кондиционеров, сплит-систем, включая чиллеры, конденсаторы, сухие градирни, охладители; разработано программное обеспечение для акустического расчета систем вентиляции, определения уровней шума систем тяги и дутья, проникающего на селитебную территорию.
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении ряда государственных, городских и ведомственных программ. Внедрены и широко используются: комплексы средств снижения шума систем вентиляции и кондиционирования воздуха при строительстве и реконструкции различных административных и общественных зданий, в том числе уникальных культурных и исторических памятников; технические решения по защите жилой застройки от
шума крышных вентиляторов, наружных блоков кондиционеров и сплит-систем при строительстве административных зданий и крупных жилых комплексов; глушители шума тягодутьевых машин, звукоизолирующие покрытия на металлические газовоздушные каналы и корпуса осевых и центробежных дымососов, кожухи на газопроводы при строительстве и расширении множества тепловых электрических станций; методы расчета шумовых характеристик лопаточных машин и уровней шума газовоздушных систем при определении размеров сани-тарно-защитных зон вокруг промышленных объектов, которые включены в соответствующие своды правил к новому СНиП «Защита от шума и акустика»; подготовка их ведется в настоящее время.
Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно и докладывались на IX Всесоюзной акустической конференции, г. Москва, 1977г., на VII Научно-технической конференции по авиационной акустике, г. Москва, 1978г., на III Всесоюзной конференции по борьбе с шумом и вибрацией, г. Челябинск, 1980г., в МДНТП на семинаре «Современные направления развития промышленной вентиляции», 1986г., на Всесоюзной научной конференции «Акустическая экология», г. Ленинград, 1990г., на Научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы в области защиты от шума и светотехники», г. Севастополь, 2000г., на XI Сессии Российского акустического общества, г. Москва, 2001г., на Научно-техническом семинаре «Обеспечение экологической безопасности, акустического и светотехнического благоустройства в зданиях и на территории застройки», г. Севастополь, 2002г., на XIII Сессии Российского акустического общества, г. Москва, 2003г., на Научно-техническом семинаре «Защита от шума и акустическое благоустройство городов и крупных населенных пунктов», г. Севастополь, 2003 г.
Основные результаты и положения диссертационной работы отражены в учебном пособии, в справочнике по проектированию шумоглушения и 45 публикациях, в том числе 6 авторских свидетельствах.
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и содержит 343 страницы текста (с учетом списка литературы, приложений-376 стр.), 119 рисунков и список литературы из 225 наименований. Объем приложений - 17 страниц.
Шум современных систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Источники шума, их количество и степень шумового воздействия, зависят от структуры системы В и КВ. Обобщенные схемы систем вентиляции средних размеров приведены на рис. Реальные системы в зависимости от назначения и размеров зданий имеют различную длину воздуховодов, количество ответвлений, регулирующих, воздухораспределительных устройств и фасонных элементов, размер, тип вентиляторов, а также допустимые скорости потока воздуха на разных участках. У вытяжных систем на нагнетании и приточных систем на всасывании сети воздуховодов короткие и затухание в них шума незначительно. Размеры сетей на всасывании вытяжных систем и нагнетании приточных систем зависят от размеров зданий, в которых они эксплуатируются. В небольших зданиях сети короткие и в них отсутствуют некоторые из указанных элементы и источники шума. В больших зданиях сети длинные и шум вентилятора может оказаться второстепенным в обслуживающем системой помещении.
При центральном кондиционировании воздуха во всех обслуживающих системой (ее ответвлениями) помещениях поддерживаются заданные температурно - влажностные параметры. За последние годы ситуация существенно изменилась. Наряду с традиционным проектированием систем кондиционирования воздуха успешно реализуются различные технические решения комфортного кондиционирования ведущих фирм мира ("Daikin", "Trane", "York", "Арктика", "Евроклимат" и др.). Практически в каждом проекте строительства и реконструкции в Москве используется такое оборудование.
Для кондиционирования воздуха в жилых и офисных помещениях наибольшее распространение получили кондиционеры сплит-систем. Они состоят из внешнего блока и внутреннего блока. Во внешнем блоке находятся компрессор, конденсатор и вентилятор. Он может быть установлен на стене здания, на кровле, на балконе, т. е. в таком месте, где горячий конденсатор может продуваться атмосферным воздухом более низкой температуры. Внутренний блок устанавливается непосредственно в кондиционируемом помещении и предназначен для охлаждения (нагревания) воздуха и создания необходимой его подвижности в помещении.
Для кондиционирования нескольких помещений одновременно предназначены, как правило, канальные кондиционеры. Канальный кондиционер рассчитан, прежде всего, на работу в режиме рециркуляции, и в таком качестве он более близок к кондиционерам сплит-систем. Основное его отличие заключает- ся в том, что внутренние блоки канальных кондиционеров устанавливаются за подшивным потолком, а воздух забирается и раздается воздуховодами по кондиционируемым помещениям.
Системы с чиллерами и фанкойлами позволяют обеспечить независимое регулирование температуры одновременно в большом количестве помещений (в гостиницах, офисах и т.д.). Потребители - кондиционеры-доводчики (фанкойлы) могут изменять свою холодо -, теплопроизводительность. Источником холода является охладитель жидкости (чиллер). Некоторые модели чиллеров могут работать в режиме теплового насоса. В этом случае возможен подогрев помещений. Фанкойл - это агрегат, устанавливаемый в помещении и включающий теплообменник с вентилятором, фильтр, пульт управления. Воздух из помещения подается вентилятором на теплообменник фанкойла, в котором он охлаждается или подогревается. В фанкойл может подаваться некоторое количество свежего воздуха от центрального кондиционера или приточной установки (такая система позволяет решать задачи вентиляции).
Крышные кондиционеры представляют собой холодильную машину, конструктивно выполненную в виде моноблока и устанавливаются на плоских кровлях зданий. Крышные кондиционеры позволяют одновременно осуществлять вентиляцию и регулировать температуру воздуха в помещении. Обычно такие кондиционеры применяются на больших супермаркетах, спортивных сооружениях, конференц-залах.
С одной стороны, все эти современные системы кондиционирования воздуха имеют важные преимущества, например, экономичность, с другой, обладают существенным недостатком. Даже при условии, что оборудование упомянутых фирм менее шумное, проблема шумоглушения часто не только не снижается, но и усложняется, так как источники шума максимально приближаются к местам обитания человека. Наружные блоки устанавливаются вблизи окон здания, где осуществляется кондиционирование, или соседнего жилого дома, а внутренние блоки устанавливаются непосредственно в помещениях, предназначенных для жизнедеятельности человека (работы, отдыха, проживания).
Практика (данные инструментального контроля и опыт работы автора в области защиты от шума) показывает, что система В и KB, как правило, являются источниками повышенного шума и в зданиях любого назначения, и на терри- тории жилой застройки. О степени их шумового воздействия можно судить по данным, приведенным в табл. 1.1.
Эксплуатация таких наиболее важных систем жизнеобеспечения в большинстве общественных, административных и жилых зданиях невозможна без осуществления архитектурно-планировочных или акустических мероприятий. Последние 5...7 лет в стране широко используется зарубежное оборудование, а качество отечественного повысилось и несколько снизился излучаемый системами В и KB шум. Однако для текущего времени характерна тенденция к росту плотности городской застройки, а также к сокращению свободных объемов в зданиях, в следствие чего сокращаются пути распространения шума и ухудшается акустическая ситуация.
Влияние испытательных труб и мест расположения в них измерительных точек
Центробежные лопаточные машины часто имеют прямоугольные патрубки на нагнетании. Для измерений в круглых испытательных трубах, как рекомендует ИСО [174,175], разумеется, требуются переходники. Это усложняет испытательный стенд и служит причиной дополнительной погрешности измерений. Вместе с тем, авторами работы [138] теоретически показано, а нашими экспериментами доказано, что в прямоугольных трубах можно получить достаточно надежные результаты измерений. Одним из доказательств служат спектрограммы шума вентилятора, измеренные в круглой, квадратной и прямоугольной трубах и приведенные на рис.2.5. Микрофон с защитным устройством протягивался по линии, отстоящей от оси каждой из труб на расстоянии 0.25 Д w. Измеряемые уровни шума арифметически усреднялись.
Как видно, полученные данные находятся в пределах одной точности измерений, что свидетельствует о наличии возможности измерения акустических характеристик машин не только в круглых, но и в прямоугольных трубах.
В прямой трубе с КПУ, присоединенной к машине, уровни шума на некотором удалении от машины (ТІ) мало изменяются по длине (рис. 2.6). Вблизи нее на микрофон действует нестационарный турбулентный поток и создает дополнительные помехи.
По мере удаления от источника снижается турбулентность потока и степень воздействия его на приемник звука. Более наглядно это представлено на рис. 2.7. На нем изображены спектрограммы шума, измеренного в воздуховоде нагнетания вентилятора на разных расстояниях от источника с разными защитными средствами на микрофон. Микрофон с конусным обтекателем регистрирует шум вентилятора, шум, образующийся в потоке на препятствиях, а также гидродинамические пульсации давления в потоке. Максимальный спад величины суммарного воздействия шума потока наблюдается на расстоянии около 8 Дтр от источника.
Уровни аэродинамического шума, измеренные микрофоном с трубчатой насадкой, остаются неизменными по всей длине трубы. Подобную зависимость спада уровня шума получили авторы работ [129,141], разделив шум потока и собственный шум вентилятора корреляционным методом. Исследователями [174,175] рекомендована минимальная длина испытательной трубы 6-10 Д тр, тем самым исключается применение данного метода для акустических испытаний крупногабаритных машин, так как испытательная труба, например, диаметром 2 м должна иметь длину - 20 м (это исключает применение метода). При этом надежная защита микрофона в потоке позволяет его располагать на расстоянии менее 6-8 Д тр до источника шума, а критерия по ограничению расстояния до концевого устройства не существует (рис. 2.6). С точки зрения влияния нагрузки на величину звуковой мощности источника шума, длина испытательной трубы может быть ограничена только шириной анализирующей полосы частот. 45-с Если ширина полосы удовлетворяет условию Аса — (с - скорость звука м/с; - размер помещения, трубы, м), то размер трубы может быть в данных пределах произвольным [40]. Стало быть, излучаемая мощность источника широкополосного шума (вентилятора, ТДМ и др.) не зависит от длины трубы тв до тех пор, пока не станет меньше — - . При акустических измерениях обычно используют октавный (реже 1/3-октавный) анализ шума. Октавы и 1/3 октавы представляют собой полосы частот с постоянной процентной шириной, отсюда величина — для октавы составляет примерно длину волны, а для 1/3 октавы приближенно три длины волны на среднегеометрической частоте фильтра. Экспериментально показано [40], что возможно отклонение от этого требования. Когда поперечные размеры менее 1 м, достаточно 4-х метровой длины испытательной трубы. Длину широких труб (Д w 1.2 - 2 м) целесообразно увеличить до 1.2.1. В качестве обосновывающего примера на рис. 2.8 представлены результаты испытаний котельного дутьевого вентилятора ВДН-19. Увеличением длины испытательной трубы от 1.6 м до 8.7 м (ж1.2Л) достигнуто минимальное расхождение результатов измерений в экспериментальной трубе и стандартным методом.
Дальнейшее увеличение длины трубы не влияет на точность измерений. На основании результатов экспериментов, практических соображений и изложенных условий были установлены следующие длины испытательных труб в зависимости от их поперечных размеров: при Д 2 м, = 6 м, при Д тр м, = 8 м. При Д ,р 1 м длина испытательной трубы может быть около 4 м. За граничной частотой трубы, определяемой выражением (2.7), в диапазоне ограниченного числа косых мод в 1/3 октавных полосах частот колебания давления на измерительной плоскости составляет 5-6 дБ. С ростом частоты число мод возрастает, увеличивается их число в полосе частот и в данной точке измерительной плоскости, а уровень звукового давления в точке определяется воздействием примерно равного числа мод и не зависит от ее координат (рис.2.9).
Звуковую мощность в трубе в рассматриваемом диапазоне можно определить двойным суммированием элементарных ее значений по измерительной плоскости и в полосе частот. По частотам суммирует измерительная аппаратура. Суммировать по площади бесконечное число слагаемых звуковой энергии, проходящей через элементарные площади сечения трубы, практически невозможно, так как неизвестно звуковое давление на каждой элементарной площади. Исходя из этого, надо искать координаты точек в которых звуковое давление связано со звуковой мощностью выражением (2.15).
Исследование механизма шумообразования
Известно], что звуковая мощность лопаточной машины пропорциональна частоте вращения рабочего колеса, как правило, в степени от 4 до 6. Меньшие степени характерны, например, для вентиляторов небольшого размера при режимах работы, близких к режиму с максимальным КПД. Ухудшение обтекания элементов проточной части вентилятора приводит к росту степени. Величина степени может характеризовать механизм шумообразования, его физическую природу. Оценка этой величины является одним из методов исследования количественных и качественных характеристик акустических процессов. Данным методом часто пользуются на практике для изучения природы генерации аэродинамического шума
Наиболее часто встречающиеся источники аэродинамического шума могут быть описаны (интерпретированы) простейшими идеальными источниками. Общая теория излучения рассматривает простейшие источники, представляющие собой одиночные или групповые идеальные мате риальные точки, в которых происходит переменное втекание и вытекание жидкости в окружающую среду.
Диполи - источники, у которых в среднем по всему пространству нет результирующего объемного потока, но возникают противоположные силы, например, на поверхности обтекаемого твердого тела вследствие срыва вихрей или неравномерности набегающего потока.
Монополями называют источники, излучающие звук за счет изменяющегося во времени объемного потока среды, например, истечение от пульсирующей сферы или от захлопывания кавитационных пузырьков.
При наличии свободных пар вихрей или свободной турбулентности, когда все противоположные силы взаимно компенсируются, источник звука носит квадрупольный характер. В табл.3.2 приведены выражения для звуковой мощности Р, размерность которых отражает разный характер пропорциональности мощности по отношению к характерной (окружной) скорости потока и в различных диапазонах изменения частоты и скорости для «компактных» источников трех упомянутых типов
Из табл. 3.2 следует, что при различных видах излучателей в звуковом поле с увеличением числа Маха (М = и/с0) излучатели более высокого порядка проявляются заметнее, чем излучатели низшего порядка.
Картина зависимости суммарного уровня звуковой мощности, излучаемой в окружающее пространство, от скорости вращения рабочего колеса лопаточной машины при постоянной квадратичной характеристике сети показана на рис. 3.5. Из рисунка видно, что для различных скоростей вращения у одного и того же типа машины могут наблюдаться различные закономерности.
Аэродинамические шумы, возникающие из-за периодического вытеснения воздуха рабочими органами машины могут быть интерпретированы монопольными излучателями. Звуковая мощность таких процессов пропорциональна 4-й степени скорости потока [2].
Спектры шума, связанного с периодическим захватом или выпуском порций среды в атмосферу, носят дискретный характер. Шумы, возникающие из-за образования вихрей у твердых границ потока, а также из-за взаимодействия уже образовавшихся вихрей с твердыми стенками, приводят к эффекту, эквивалентному акустическому диполю. Звуковая мощность в этом случае пропорциональна 6-й степени характерной скорости потока [123]. Наряду с этим, ЕЛ.Юдин указывал [124], что зависимость может быть иной. В ряде экспери ментальных работ были получены другие значения показателя степени. Так, авторами работы [134] получена четвертая, работы [129] - пятая степень, работы [4] - степень 5.5.
Квадруполными источниками могут обуславливаться акустические излучения, возникающие при обтекании потоком твердых тел, в результате чего создаются флюктуации скорости в турбулентном пограничном слое [4,115,121,122,181] или при свободном истечении газовых струй [5]. Звуковая мощность квадрупольных излучателей пропорциональна 8-й степени скорости течения газа
Если доказать, что в ТДМ излучение имеет дипольный характер, то для расчета их звуковой мощности будет справедливо использовать известные закономерности шумообразования и критериальное выражение для общепромышленных вентиляторов а затем определить численные значения критериев подобия и получить полуэмпирические формулы для определения (расчета) шумовых характеристик на сторонах всасывания и нагнетания машин.
Для выявления характера излучения в исследуемых машинах сначала произведем качественную оценку интенсивности элементарных излучателей на основании точного уравнения Лайтхилла [181], обобщенного Керлом [144] на случай наличия в потоке твердых границ.
Снижение уровней звуковой мощности в газовоздушных каналах
Затухание уровня потока звуковой энергии и уровня звукового давления в канале - понятия разные. При движении звуковой волны по каналу общее количество энергии, которую она несет, уменьшается. Однако это необязательно означает уменьшение уровня звукового давления, так, в сужающемся канале может увеличиваться уровень звукового давления в следствие увеличения плотности звуковой энергии, несмотря на затухание общего потока энергии. В расширяющемся канале наоборот, плотность энергии (и уровень звукового давления) уменьшается быстрее, чем общая звуковая мощность. Затухание звука (снижение уровня звуковой мощности) на участке канала с переменным сечением равно где L, и L2 - средние уровни звукового давления в начальном и конечном по ходу звуковых волн сечениях канала; F, и F2 - площади поперечных сечений в начале и в конце канала.
Затухание на элементах (поворотах, отводах, коленах) поперечное сечение которых меньше длины волны, определяются реактивным сопротивлением типа дополнительной массы (кинетическая энергия потока на повороте без изменения сечения канала увеличивается из-за возникающей неравномерности поля скоростей), а также возникновением мод более высокого порядка. Например, прямоугольный поворот действует подобно фильтру низких частот [126]. Максимум снижения шума наблюдается в том случае, когда глубина поворота равна половине длины волны. Для плоских звуковых волн имеется точное теоретическое решение, дающее снижение шума.
Протяженные воздухозаборные и выхлопные газовые каналы включают элементы разной формы и конфигурации. Каналы внутри могут быть круглыми и прямоугольными, металлическими с ребрами жесткости (с подъемами и опус-ками, вертикальными и горизонтальными участками), железобетонными и кирпичными. Площади поперечных сечений каналов энергетических газовоздушных систем составляют 3 - 70 м2 и более. Все это существенно влияет на величину снижения уровня звуковой мощности в них. Дросселирование (регулирование) потока среды в них осуществляется всегда направляющим аппаратом, установленным на ТДМ.
В узких каналах систем вентиляции, поперечные размеры которых меньше длины полуволны исследуемого диапазона частот (для низких частот это менее 2 м), физические процессы прохождения звуковых волн описываются волновым уравнением и зависят от частоты. С ростом частоты затухание увеличивается, так как увеличивается доля высших мод низких порядков к модам, более высоких порядков при прохождении звуковых волн через неоднородности вентиляционной сети. При расчетах в них, в частности, учитывают отражение звука от открытого конца канала. Методика расчета снижения уровня шума в малых каналах достаточно хорошо проработана [101,122,126].
При распространении шума в каналах ГВС поток звуковой энергии уменьшается как на прямых участках, так и на различных фасонных элементах. Шум в каналах снижается, во-первых, из-за вязкого трения на стенках каналов, вследствие чего происходит переход энергии колебаний в теплоту, во-вторых, из-за акустической реакции конструкции канала, вызывающей отражение звука обратно к источнику. Элементы каналов обладают не только гидравлическим сопротивлением, но и сопротивлением для распространения звука. В них происходит отражение части звуковой энергии обратно к источнику шума и рассеивание звуковых волн.
Основные элементы каналов газовоздушных систем тяги и дутья - это прямые участки постоянного и переменного сечения (с ребристой поверхностью и переменным сечением), ответвления, повороты с разными углами изгиба и степенью расширения после поворота, с разными звукопоглощающими свойствами стенок поворота, изменения поперечного сечения, камеры. Они показаны на рис. 4.2.
Затухание в каналах (ALPiam) складывается как из собственно затухания (переход энергии звуковых волн в теплоту), так и реактивного сопротивления, сводящегося к отражению звуковых волн в месте изменения условий распространения. Предполагая, что общее затухание в канале равно сумме затуханий в последовательно расположенных элементах, общее снижение уровня звуковой мощности в нем можно представить суммой
Иначе говоря, предполагается, что затухание в канале складывается из суммы затуханий в элементах, последовательно расположенных по ходу звуковых волн, а также, что отдельные элементы не влияют друг на друга. В действительности, разумеется, последовательность фасонных элементов и прямых участков образуют единую волновую систему. Поэтому на чистых синусоидальных тонах принцип независимости затуханий в общем случае не может быть оправдан. Однако в широких октавных полосах частот стоячие волны, создаваемые отдельными синусоидальными составляющими компенсируют друг друга
