книги из ГПНТБ / Хорошев Г.А. Шум судовых систем вентиляции и кондиционирования воздуха

Это упрощает задачу, так как в выражении (158) остаются лишь первые члены сумм.

Согласно (163) сумма р / и рГ' определяется числом лопаток статора. Отсюда следует один из главных практических выводов: число лопаток статора в вентиляторах и компрессорах должно быть как можно большим, во всяком случае больше числа лопаток ро­ тора. Это превышение зависит от индекса модуляции Qrm- Ниже даны значения разности чисел лопаток гс— zv для различных зна­ чений индекса модуляции, благоприятные с акустической точки зрения:

Выше при определении условий минимизации амплитуд спект­ ральных составляющих давления было использовано то обстоя­ тельство, что функция Бесселя на начальном участке равна нулю

нуль в точках с аргументом х, примерно равным 6,4; 9,8; 13,0; 16,2 и т. д. (см. рис. 67). Второй способ снижения дискретных состав­ ляющих шума как раз и основан на использовании этого свойства функции Бесселя. Зная индекс модуляции От™, нужно подобрать

Поясним это на следующем примере. Пусть задано: частота вра­ щения ротора п = 70 об/с; число лопаток ротора zp= 25; угол изме­ рения шума ß= 45°; внешний радиус лопаток ротора г = 0,3 м. Вы­ числим лопастную частоту

Й = 2я/ггр = 6,28-70-25= 11 000 Гц.

Изменение времени распространения импульсов давления бу­ дет равно

р ; = * с - * р и p \ = zр = 25-

Так как при рі"^>йтт >/рІ ( h m ) ~0, в (159) остается лишь член

с порядком р/. Из графиков функции Бесселя (см. рис. 67) видно, что при йтт = 7 функция близка к нулю, если р /= 1 . Следова-

121

телы-ю, в этом случае для минимизации амплитуды давления до­ статочно 2 С— 2 р = 1 , т. е. 2 С= 26.

Малое значение ст можно получить и при гр— гс = 1, т. е. при Zc—24. Действительно, из условий (165) следует, что рі' = 2гс — zp^>

и величину Ѳт в формуле (159) определяет член

р ;= 2р - гс = і -

Как видим, второй способ минимизации ст применительно к за­ данному условию Qxm~7 позволяет уменьшить разность чисел ло­ паток с 10, как это было бы при первом способе, до единицы. Ис­ следования [5] показывают, что малые значения разности чисел лопа­ ток ротора и статора более благоприятны в отношении сохранения к. п.д.,в этом смысле второй способ минимизации предпочтительней. Однако применять его можно только для машин, работающих с по­ стоянной частотой вращения; на нерасчетных частотах вращения индекс модуляции будет уже другим, функция Бесселя примет ко­ нечное значение, отличное от нуля, и амплитуда звукового давления возрастет. Поскольку этот способ основан на выборе точного зна­ чения Qxm, то требуется каждый раз соответствующая эксперимен­ тальная проверка. В случаях когда при больших значениях ин­

декса модуляции Qxm минимальное значение ст может быть полу­ чено при больших значениях гр— zc, что связано с ухудшением к. п. д. вентилятора из-за большого стеснения потока в СА, следует применять метод расфазировки импульсов с помощью шаговой неравномерности лопаток СА.

§ 27. Влияние неравномерности шага лопаток рабочего колеса на уровень шума вентиляторов

Снижения амплитуды звукового давления на лопастной частоте можно также достичь расфазировкой импульсов путем введения неравномерности шага лопаток в РК. Рассмотрим эту задачу подробнее.

При наличии неравномерности шага лопаток РК от одной и той же лопатки СА будет излучаться вереница импульсов звукового давления с неравномерными промежутками времени, пропорцио­ нальными шаговой неравномерности РК. У вентиляторов, имеющих обычно большое число лопаток (гр> 5), можно считать, что форма импульсов звукового давления и их амплитуды мало зависят от неравномерности шага (шаговой неравномерности) и с достаточ­ ной степенью точности могут быть приняты одинаковыми за время одного оборота РК. Для простоты ограничимся рассмотрением случая косинусоидального закона распределения неравномерности шага лопаток по окружности РК:

122

При вращении РК на лопатке СА (при zc—1) возникают им­ пульсы давления, сдвинутые один относительно другого на время

Полученную непериодическую последовательность импульсов можно, как и прежде, представить в виде суммы гр верениц перио­ дических последовательностей импульсов, следующих с угловой ча­ стотой, и выразить рядом Фурье.

Анализ выражений (153) и (168) аналогично проведенному в § 26 дает окончательное выражение для комплексной амплитуды т-й гармоники модулированной последовательности импульсов дав­ ления, излучаемых лопаткой СА:

Здесь р и q — целые положительные числа.

Порядок р, р' и р" функции Бесселя определяется из выражений

123

Члены возрастающих рядов р* определяются из выражения

Из формул (170) и (171) следует, что спектр излучаемой РК последовательности импульсов, модулированной по гармоническому закону (168), может содержать все гармоники частоты вращения.

Если число лопаток СА гс будет больше единицы, зависимость (169), как показал Я. А. Ким, примет более сложный характер:

Здесь Dm и Èm— некоторые комплексные функции, учитывающие влияние разности хода лучей, по которым распространяются им­ пульсы, и соотношения чисел лопаток гс и zp.

Анализ и сопоставление этих зависимостей с выражениями (169) и (170) , полученными для случая zc= 1, показывает, что их отличие заключается лишь в том, что в спектре шума при гс> 1 появляются еще и гармоники, кратные числу лопаток статора:

m = qzc.

В децибельном выражении эффекты снижения дискретных со­ ставляющих от влияния неравномерности шага и разности хода импульсов давления в точку измерения складываются:

Проанализируем эти выражения для некоторых гармоник лопа­

124

Отсюда следует, что величина снижения спектральной состав­ ляющей звукового давления на лопастной частоте зависит только от относительной неравномерности шага ctm/cxo и не зависит от числа волн этой неравномерности Я по окружности РК.

Согласно (180) для снижения амплитуды давления на лопаст­ ной частоте m — zp до нуля |Д Lm=Zp — —со) необходимо, чтобы

J0 (2л — ) = 0 . Первый нуль функции Бесселя нулевого порядка имеет

\а ° !

место при аргументе, равном 2,40, второй нуль — при 5,52, тре-

неравномерности шага.

рис. 68 первые два предельных значения ат/ао показаны штрихо­ выми линиями. Из рисунка видно, что с точки зрения снижения одной лишь гармошки m = zp достаточно изменять величину а т /ао в пределах от нуля до 0,38.

При необходимости воздействовать на амплитуды других гар­ моник следует увеличивать ат/ао. Однако совершенно очевидно, что ат /ао должно быть меньше единицы, поскольку при ат /ао>1 пики повторяются.

Несмотря на то что число волн шаговой неравномерности Я не оказывает влияния на величину снижения интенсивности шума на лопастной частоте, выбору Я следует уделять особое внимание, по­ скольку она определяет балансировку РК. При Я=1 лопатки рас­ полагаются несимметрично и РК оказывается неуравновешенным. При Я>1 рабочие колеса являются уравновешенными.

Рассмотрим выбор неравномерности шага на следующем при­ мере. Допустим, что необходимо снизить интенсивность шума на

125

лопастной частоте на величину A l!i = Zp- 1 0 дБ. По графику, приве­

денному на рис. 68, находим, что такое снижение можно достичь при а т /ао=0,3; 0,57 и 0,72. С точки зрения конструктивного испол­ нения первое значение шаговой неравномерности более предпочти­ тельно. Подставив его в выражение (151), нетрудно рассчитать сц для различных zp и X.

На рис. 69 представлены текущие значения углового шага при

Рис. 69. Зависимость угловой неравномерности шага .от числа лопаток рабочего колеса: а — при А = 1; б — при Х=2.

этих рисунков, угловая неравномерность снижается с увеличением Zp и распределяется более равномерно по окружности. Рабочее ко­ лесо получается в этом случае конструктивнее, а технология его изготовления упрощается. Расчеты по приведенным в настоящем параграфе зависимостям хорошо согласуются с данными оптималь­ ного неравномерного расположения лопаток для уравновешенных и неуравновешенных РК вентиляторов [44, 84]. Вторая гармоника лопастной частоты (m = 2zp) определяется из соотношения

ЛБт=2гр = 20 I Jo ( m j + f J Pi (тат) |,

поскольку при Zp, сравнимых c (2zpccm)max уже нельзя в выражении (170) пренебрегать по крайней мере первым членом, образованным из функций Бесселя не нулевого порядка. Таким образом, на вто­ рой гармонике и гармониках более высокого порядка лопастной частоты составляющая шума АБНШ зависит также от сочетания числа лопаток zp .числа волн неравномерности X и числа т ф іjz.

На боковых частотах неравномерность шага может привести к уси­ лению составляющей шума лишь в случае большой относительной

126

неравномерности шага и минимального значения (равного единице) одного из числа: р' или р". Во всех других случаях неравномер­ ность шага не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на со­ ставляющую шума этой частоты. Нужно отметить, что исследова­ ниями шума вентиляторов, имеющих шаговую неравномерность, почти не занимаются. В литературе можно встретить лишь упоми­ нание о том, что такие вентиляторы применяются в качестве вен­ тиляторов охлаждения в автомобилях.

Сопоставление экспериментальных данных, приведенных в ра­ боте [84], с расчетами, выполненными по формуле (177), показы­ вает весьма удовлетворительное их совпадение.

ГЛАВА V

АКУСТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СУДОВЫХ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

§ 28. Задачи акустического расчета, —- последовательность его выполнения и исходные данные

В процессе проектирования судна необходимые величины сни­ жения шума систем вентиляции и кондиционирования воздуха,* которые следует учитывать при разработке средств шумоглушения, могут быть установлены путем сопоставления ожидаемых уровней шума ** с их допустимыми значениями. Уровни шума, возникаю­ щего в помещениях при работе вентиляционных систем, опреде­ ляются акустическим расчетом этих систем.

Акустический расчет вентиляционной системы позволяет техни­ чески обоснованно подойти к выбору методов и средств борьбы с ее шумом в судовых условиях. При этом необходимые величины снижения шума систем не назначаются, а определяются как раз­ ности между рассчитанными уровнями шума системы без средств шумоглушения и их значениями, допустимыми по действующим нормам Госсанинспекции.

Таким образом, задача акустического расчета вентиляционной системы состоит в определении на стадии проектирования судна уровней шума, возникающего в помещениях при ее работе, с целью установления их соответствия нормам, а также разработки при необходимости мер шумоглушения для выполнения этих норм.

*В дальнейшем для краткости эти системы будем называть вентиляционными системами.

**Здесь и далее под уровнями шума понимаются уровни звукового давления

в октавных полосах частот. Уровни звуковой мощности шума оговариваются в каждом случае особо.

127

Путь, по которому следует вести акустический расчет вентиля­ ционной системы, был намечен А. И. Беловым [7]. Из рассмотрения двух1 возможных методов расчета им было показано, что более строгий волновой метод решения задачи распространения звука в вентиляционных системах чрезвычайно громоздок и, главное, малонадежен из-за сложности компоновки систем (наличия боль­ шого числа поворотов, разветвлений, изменения площади и формы проходного сечения), а также их насыщенности арматурой и раз­ личным оборудованием, акустические сопротивления которых не­ известны. В связи с этим А. И. Белов предложил при разработке метода акустического расчета вентиляционных систем ориентиро­ ваться на статистические представления о процессе распростране­ ния в них звука.

Акустический расчет вентиляционной системы начинают с вы­ явления источников шума и количественной оценки их интенсив­ ности. Затем определяют пути проникновения шума в рассматри­ ваемое помещение судна и устанавливают потери звуковой энер­ гии, которые имеют место при распространении шума по системе. После этого оценивают влияние звукопоглощающих свойств по­ верхностей этого помещения на уровни шума в заданной точке.

Впринципе акустический расчёт вентиляционной системы сводится

кустановлению по заданным шумовым характеристикам вентиля­ торов и кондиционеров уровней шума в ряде обслуживаемых ею помещений с учетом потерь и прироста звуковой энергии в эле­ ментах, арматуре и оборудовании этой системы. В результате та­ кого расчета определяют октавные уровни звукового давления

шума в заданной точке рассматриваемого вентилируемого помеще­ ния. При этом расчет уровней шума, создаваемого каждым из возможных источников шума в системе, ведут в такой последова­ тельности:

1.Устанавливают характеристики источников шума, в качестве которых могут быть октавные уровни его звуковой мощности и октавные уровни звукового давления, измеренные на определенном расстоянии от источника.

2.Находят величины потерь звуковой мощности при распро­

странении шума по системе. В случае непосредственного излучения шума в помещение такие потери принимают равными нулю, так как при распространении звука в судовых помещениях (обычно на расстоянии не более 5—6 м) потерями звуковой энергии в воздухе можно пренебречь ввиду их малости (0,048 дБ/м на частоте 8000 Гц, на более низких частотах эта величина еще меньше [11]).

3.Задаются положением точек в рассматриваемом помещении,

вкоторых требуется определить уровни шума, создаваемого вен­ тиляционной системой. В небольших по размерам помещениях на­ мечают одну точку в центре помещения на высоте 1,5 м от палуб­ ного настила. По действующим правилам в этой точке производят контроль уровней шума при сдаточных испытаниях судна. В боль­

ших помещениях можно намечать несколько точек, обычно в ме­ стах расположения рабочих постов.

128

4. Определяют акустические характеристики помещения и оце­ нивают их влияние на уровни шума, который будет возникать

внамеченной точке при работе системы вентиляции.

5.На основании полученных выше данных рассчитывают ок­ тавные уровни, создаваемые в помещении рассматриваемым источ­ ником шума.

Вуказанной последовательности выполняют расчет для каж­ дого из источников шума в системе: вентилятора, путевой арма­ туры, воздухораспределителя и т. д. После этого расчет должен быть продолжен.

6.Определяют суммарные уровни шума в заданной точке по­ мещения, обусловленные совместным действием всех его источ­ ников.

7.Устанавливают допустимые по нормам уровни шума для дан­ ного помещения с учетом его назна­ чения и категории судна.

8.Выявляют величины необходи­

с шумом, в процессе которых опре­ деляют их конструктивные параметры, обеспечивающие получение требуемой эффективности этих средств.

11. Производят поверочный расчет системы с учетом эффектив­ ности намеченных мероприятий по снижению шума.

Арматуру и элементы систем вентиляции рассматривают при этом как сосредоточенные и независимые одни от других источники шума [73]. Кроме того, эти источники полагают некогерентными из­ лучателями, в связи с чем их звуковые мощности складываются арифметически, а уровни мощности и звукового давления — лога­ рифмически:

логарифмического сложения двух уровней. При этом их суммарный уровень может быть представлен в виде

где Li — наибольший из слагаемых уровней, дБ;

6L-—добавка, определяемая из рис. 70 по разности Li—L2, дБ; Z-2 — наименьший из слагаемых уровней, дБ.

При выполнении таких расчетов промежуточные результаты ре­ комендуется округлять до 0,5 дБ [66], окончательный результат — до целого числа децибел.

В случае когда складываются п равных уровней, формула (181) приобретает вид

L = Lr \-10 lg л.

Суммирование уровней упрощается при использовании в про­ цессе вычислений специальной счетной линейки, описание которой дано, например, в работе [48].

Наиболее достоверные данные о шуме вентиляционной системы могут быть получены при введении в ее акустический расчет шу­ мовых характеристик оборудования, определенных непосредственно на специальном акустическом стенде. Широкому использованию таких данных при акустическом расчете судовых вентиляционных систем способствует тот факт, что все судовые механизмы, в том числе вентиляторы и кондиционеры, проходят акустический кон­ троль на стендах заводов-изготовителей.

Таким образом, в результате акустических испытаний вентиля­ ционных агрегатов на стендах заводов-изготовителей получают данные, которые представляют достаточно полную информацию об их шумовых характеристиках и вполне могут быть использо­ ваны в качестве исходных при расчетах шума судовых вентиля­ ционных систем. Значения уровней Lar и LBC приведены в соответ­ ствующей технической документации на вентиляторы и конди­ ционеры.

Приближенно с погрешностью ±5 дБ октавные уровни на вса­ сывании судовых центробежных вентиляторов при их работе на номинальных режимах могут быть определены по следующей эмпи­

130