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

В последние годы в судовых глушителях в качестве звуко­ поглотителя стали применять полиуретановый эластичный самозатухающий поропласт марки ППУ-Э40-1,2, выпускаемый по МРТУ 6-05-1150—68. Широкое применение поропласта обуслов­ лено в первую очередь тем, что при его использовании изготовле­ ние глушителей становится менее трудоемким процессом по срав­ нению с изготовлением глушителей с облицовками из волокнистых материалов. Кроме того, поропласт более стоек к воздействию потока и не требует применения ветрозащитных покрытий. Однако в диапазоне средних частот эффект звукопоглощающего патрубка с облицовкой из поропласта значительно меньше, чем эффект глушителя с облицовкой из волокнистого материала.

ивоздухораспределительной

арматуре при прохождении через них потока воздуха. Однако и при отсутствии влияния потока есть обстоятельства, лимитирую­ щие эффект глушителя. Это в первую очередь распространение звука по стенкам воздухопроводов, в частности, по кожуху и пер­ форированной трубе глушителя.

Считается [91], что эффект вентиляционных глушителей вслед­ ствие наличия обходных путей распространения звука не может превышать 40 дБ.

Т а б л и ц а 16

Эффективность глушителей с облицовками из поропласта толщиной 50 мм

171

§36. Пластинчатые глушители

Вобычном исполнении пластинчатый глушитель представляет собой участок воздухопровода, разделенный на ряд параллельных каналов звукопоглощающими пластинами — щитами. Такие пла­ стины состоят из каркаса, к которому с боков крепятся перфори­ рованные листы с коэффициентом перфорации не менее 0,2. В про­ межутке между этими листами укладывают слой звукопоглощаю­ щего материала.

Эффект такого глушителя зависит от длины пластин, расстоя­ ния между ними и от звукопоглощающих свойств материала, используемого в качестве заполнителя. Эти свойства в свою оче­ редь являются функцией толщины пластин и частоты звука.

Судовой пластинчатый глушитель — это обычно комбинация звукопоглощающего патрубка и пластин со звукопоглощающей набивкой. Сравнительно большие размеры проходных сечений воз­ духопроводов характерны для систем вентиляции машинно-котель­ ных отделений и производственных помещений промысловых су­ дов, для воздухоприемных систем котельных вентиляторов и нагнетателей. При больших размерах проходного сечения глуши­ теля типа звукопоглощающего патрубка, достаточно эффективно ослабляющего шум в широкой полосе средних и высоких частот, его абсолютная длина должна составлять несколько метров. Установить глушитель такой протяженности не всегда возможно, поэтому в ряде случаев приходится ограничиваться глушителем длиной примерно в один-два калибра.

Из представленных в предыдущем параграфе данных следует, что короткий глушитель типа звукопоглощающего патрубка мало­ эффективен не только в области низких частот, что вообще ха­ рактерно для глушителей этого вида, но и на высоких частотах. Особенно сильно это проявляется у глушителей с большими зна­ чениями диаметра Dr. У таких глушителей характеристическая частота fm, как это следует из формулы (207), приходится при толщине облицовки 50 мм на диапазон средних частот (500— —800 Гц). В связи с этим высокочастотные составляющие шума будут ослабляться таким глушителем незначительно.

Известно, что требования, предъявляемые к уровням высоко­ частотного шума, гораздо более жестки, чем требования к его низкочастотным составляющим. Так, по нормам Госсанинспекции допустимые в судовых помещениях уровни шума в октавной по­ лосе со среднегеометрической частотой 63 Гц на 30—35 дБ выше уровней в октавной полосе с частотой 8000 Гц.

Спектры воздушного шума вентиляторов содержат довольно интенсивные высокочастотные составляющие. Особенно сильно они проявляются у быстроходных высоконапорных вентиляторов большой производительности, которые работают в системах машинно-котельной вентиляции ряда транспортных и промысло­ вых судов. Поэтому задачей глушителей, устанавливаемых в таких системах, является снижение уровней шума, проникающего по

172

системе в машинное отделение и на верхнюю палубу судна через ее воздухозаборное отверстие. При этом глушители, устанавливае­ мые на всасывании и нагнетании вентиляторов МКО, должны достаточно интенсивно ослаблять их шум и в области высоких частот.

Одной из наиболее действенных мер повышения эффективности звукопоглощающего патрубка в диапазоне таких частот является, как показали исследования [16], установка в них звукопоглощаю­ щих пластин. Экспериментальные исследования влияния звуко­ поглощающих пластин различной толщины, размещаемых равно­ мерно по сечению проходного канала глушителя, на его частотную характеристику позволили установить ряд закономерностей, поло­ женных в основу инженерного расчета глушителей, у которых об­ лицовка и набивка пластин выполнены из волокнистых материа­ лов [16].

В табл. 17 приведены данные о повышении величин ослабления шума глушителями длиной в один калибр в зависимости от значе­ ний коэффициента перекрытия уп. В случае когда все пластины имеют одинаковую толщину Ьи, имеем

Уп—Sn/So,

где Sa— ПцкЬп — суммарная площадь торцевых поверхностей пла­ стин; Пп — число пластин; h — их высота.

Т а б л и ц а 17

Повышение эффективности глушителя длиной в один калибр путем установки звукопоглощающих пластин

Повышение эффективности глушителя Адоп’ дБ ' при

Коэффициент безразмерной частоте fj\ т перекрытия

На основании величин, представленных в этой таблице, а также данных табл. 15 и формулы (207) можно определять частотные ха­ рактеристики глушителей длиной в один калибр со встроенными звукопоглощающими пластинами. При этом имеется в виду, что пластины имеют ту же длину, что и активная часть (длина об­ лицовки) глушителя. Для определения эффективности пластинча­ тых глушителей большей длины предложена [16] эмпирическая формула

Эта формула применима при длине глушителя krJl^ 3 . Сопостав­ ление формул (208) и (210) показывает, что при увеличении

173

длины глушителя с пластинами его эффективность нарастает бо­ лее медленно, чем эффективность обычных звукопоглощающих патрубков. Объясняется это тем, что наличие пластин приводит к более интенсивному ослаблению начальными участками глуши­ теля быстрозатухающих нормальных волн высоких номеров. По­ этому звуковое поле в пластинчатом глушителе быстрее приобре­ тает упорядоченный характер, и скорость затухания звуковой энергии в нем раньше начинает определяться скоростью затухания основной нормальной волны. Частотная характеристика пластин­ чатого глушителя определяется с помощью формул (207) и (210) и данных табл. 15 и 17.

Ввиду конструктивных особенностей пластинчатый глушитель представляет для потока воздуха гораздо большее сопротивление, чем обычный звукопоглощающий патрубок. Вносимое им гидра­ влическое сопротивление, очевидно, будет тем больше, чем больше число пластин. При этом стремление достигнуть высокой степени ослабления шума глушителем вступает в противоречие с необхо­ димостью обеспечить его невысокое гидравлическое сопротивле­ ние. Поэтому вопросы выбора числа пластин и их толщины имеют немаловажное значение при проектировании глушителя.

Анализ величин, приведенных в табл. 17, показывает, что опти­ мальное значение коэффициента перекрытия уп=0,3. Дальнейшее увеличение коэффициента не приводит к существенному росту эффективности пластин. Кроме того, при уп=0,3 и толщине пла­ стин 50 мм расстояние между ними получается близким к опти­ мальному. С точки зрения гидравлических потерь, вносимых пла­

70 мм [71].

Как уже отмечалось, в судовых условиях возможности уста­ новки глушителя большой длины часто отсутствуют, поэтому же­ лательно, чтобы его протяженность была минимальной. Учитывая, что эффективность глушителей с различными размерами началь­ ных проходных сечений сохраняется неизменной при-равенстве их относительных длин, выраженных через число калибров, уменьше­ ния габаритов глушителя при прочих равных условиях можно достичь путем придания его проходному сечению формы прямо­ угольника, у которого одна сторона значительно больше другой. Так, при одинаковых площадях проходных сечений длина одного калибра глушителя у призматических звукопоглощающих патруб­ ков с отношениями сторон 1:2 и 1:3 составляет соответственно 0,8 и 0,6 от длины одного калибра глушителя с квадратной фор­ мой проходного сечения. Акустические же характеристики глуши­ телей сохраняются почти идентичными.

Применять пластинчатые глушители целесообразно в системах с воздухопроводами больших размеров. В этом случае акустиче­ ский эффект пластин выявляется наиболее полно; при этом обычно можно ограничиться глушителем длиной порядка трех калибров (по начальному проходному сечению).

174

§ 37. Шахтные глушители

Воздухоприемные шахты вентиляторов машинно-котельных отделений представляют собой трассы, по которым аэродинами­ ческий шум всасывания вентиляторов проникает в открытое про­ странство. Вентилятор становится причиной повышенного шума как на открытых постах, так и в ряде помещений судна. Не­ обходимость борьбы с шумом всасывания вентиляторов МКО обусловлена не только вредными последствиями его воздействия на членов команды судна и пассажиров, но и требованиями безо­ пасности движения судов. Маскирующий эффект шума может сильно снижать эффективность речевой связи и мешать восприя­ тию команд, а также звуковых сигналов, подаваемых другими судами.

Для снижения шума, распространяющегося по воздухоприем­ ной шахте вентилятора, шахту выполняют в виде так называемого шахтного глушителя [35]. Такой глушитель представляет собой шахту, внутренние поверхности которой имеют звукопоглощаю­ щую облицовку. В качестве такой облицовки чаще всего приме­ няют маты из рыхловолокнистых материалов. Как и в случае глушителей типа звукопоглощающего патрубка, звукопоглотитель защищен от выдувания и механических повреждений перфориро­ ванным экраном с коэффициентом перфорации не менее 0,2 и слоем из стеклосетки или стеклоткани.

Гидравлическое сопротивление шахтного глушителя лишь не­ значительно превышает сопротивление обычной воздухоприемной шахты, что зачастую служит важным показателем для такой системы.

Характерными особенностями шахтных глушителей являются сравнительно большие размеры их проходных сечений и сложная конфигурация. Это позволяет применить положения статистической теории распространения звука в помещениях к разработке метода расчетной оценки эффективности таких глушителей.

Величина снижения шума глушителем может быть определена

в условиях, близких к тем, которые имеют место в диффузном звуковом поле, поэтому ее следует характеризовать диффузными коэффициентами звукопоглощения. Теоретически хаотическая смесь звуковых волн, падающих на слой звукопоглотителя под различными углами, ни при каких условиях не может быть погло-

175

щена полностью. Максимальное значение коэффициента звукопо­ глощения при диффузном падении волн на облицовку не превы­ шает 0,96 [45].

Сопоставление диффузных коэффициентов звукопоглощения облицовки из волокнистого материала с коэффициентами а, полу­ ченными путем пересчета по формуле (211) экспериментальных данных об эффективности шахтных глушителей, показало, что в условиях глушителя звукопоглощающие свойства материала несколько отличны от его свойств при обычных условиях работы. Установлено [19], что в глушителе коэффициенты а не превы­ шают 0,9. Кроме того, в области частот до 500 Гц они существенно выше их значений при диффузном падении звука. Поэтому ве­ личины ослабления шума шахтным глушителем на частотах до

В табл. 18 приведены значения коэффициента а, которыми ре­ комендуется пользоваться при расчете эффективности шахтного глушителя по формуле (211). Эти коэффициенты относятся к об­ лицовкам из волокнистых материалов с толщиной слоя 40—50 мм. Для сравнения в той же таблице приведены диффузные коэф­ фициенты звукопоглощения, определенные по методу, который предложен в работе [90]. Видно, что коэффициенты согласуются начиная с частоты 500 Гц.

Расчет шахтных глушителей по формуле (211) не может ре­ шить ряд вопросов, которые возникают при их проектировании. В связи с тем что в формулу входят только такие общие пара­ метры, как площадь граничных поверхностей и объем проходного канала, по ней нельзя оценить влияние конструктивных особен­ ностей глушителя на его эффективность.

Шахтный глушитель представляет собой крупногабаритную конструкцию, поэтому ошибки, допущенные при его проектирова­ нии, могут быть исправлены на судне лишь с большим трудом. Во избежание грубых просчетов при проектировании шахтных глу­

176

шителей представляется целесообразным отрабатывать их ха­ рактеристики на масштабных моделях [72]. В процессе модель­ ных испытаний нескольких вариантов исполнения глушителя может быть определена его конструкция, обладающая требуемой частот­ ной характеристикой.

Разработка вопросов акустического моделирования глушите­ лей началась сравнительно недавно. Объясняется это тем, что «ли­ нейность уравнений акустики слишком часто давала физикам по­ вод думать, что эксперимент в акустике нужен лишь для проверки точности теоретических решений» [11]. Однако теория далеко не всегда может довести решение задач технической акустики до числовых значений, поэтому для нахождения таких решений за­ частую приходится прибегать к эксперименту.

Вопросы акустического моделирования глушителей рассмат­ ривались в работах [11, 72]. Полученные при этом решения были сформулированы лишь в общем плане, поэтому они требуют де­ тальной и конкретной разработки. Ниже приводится методика масштабного моделирования шахтных глушителей с облицовками из волокнистых материалов.

Для обеспечения идентичности частотных характеристик глу­ шителя и его модели необходимо [72]:

—выполнять модель геометрически подобной глушителю;

—соблюдать неизменность критерия гомохронности Но

Но = с///= idem,

где с — скорость звука; / — характерный размер; f — частота;

— иметь равные безразмерные импедансы £ в соответствующих точках внутренних поверхностей натурного и модельного глуши­ телей

£= Z/pc=idem

где Z — импеданс облицовки; р — плотность воздуха.

При моделировании глушителей наибольший практический ин­ терес представляет случай, когда в модели, так же как и в натур­ ном глушителе, рабочей средой является воздух. При этом рн=Рм и Сн=См, где индексы «н» и «м» характеризуют принадлежность величин соответственно к натурному и модельному объектам. Для этого случая имеем условие

где Мі = Ім/Ін — масштаб моделирования.

Удовлетворение этого условия во всем рабочем диапазоне сход­ ственных частот fм и /н является наиболее трудной задачей при моделировании глушителей.

Можно показать, что подобие характеристик звукопоглощения облицовок из пористых материалов определяется следующими критериями:

(212)

К

177

где оо, k0 и ho — соответственно удельное сопротивление, продува­ нию, структурная постоянная и пористость ма­ териала облицовки;

do — толщина облицовки;

К = Кт+іКі — комплексный модуль объемной упругости воз­ духа в порах материала облицовки;

Кг и Кг — соответственно вещественная и мнимая части модуля объемной упругости.

У волокнистых материалов kolho~l в широком диапазоне ча­ стот. Кроме того, К г ' Ж і и обе эти компоненты можно считать практически не зависящими от частоты величинами в представ­ ляющем интерес диапазоне сходственных частот [17]. Это позво­ ляет упростить условия (212) и свести их к следующим ра­ венствам, которые должны соблюдаться на сходственных частотах

/и И /м:

Как Ки так и а0 характеризуют потери звуковой энергии в слое волокнистого материала. Установлено [17], что имеется гранич­

На частотах, лежащих выше этой частоты, потери звуковой энергии определяются величиной Оо- В диапазоне же, расположен­ ном ниже частоты /гр, решающую роль играет Кі. Э т о позволяет определить области сходственных частот, в каждой из которых при моделировании глушителей достаточно ограничиться соблю­ дением одного из указанных равенств.

В связи с тем что Кі может рассматриваться в широком диапа­ зоне частот как величина, не зависящая от f, условие (213) будет соблюдаться при выполнении облицовок натурного и модельного глушителей из одного и того же волокнистого материала. В работе [17] было показано, что в области частот ниже frр, где диссипация звуковой энергии в слое волокнистого материала определяется величиной Ки для коэффициента звукопоглощения а можно на­ писать следующее соотношение:

____________ 2/QArtpHo__________

(К,72лрсНо + с)2 + (Кг/2ярсНо)2 ’

где в данмом случае Но = JÉl t так как за характерный размер

с

принята толщина слоя звукопоглотителя.

Из этой формулы следует, что частотные характеристики зву­ копоглощения слоев различной толщины из волокнистого мате­ риала подобны при одинаковом Но. Обобщенные частотные ха­ рактеристики звукопоглощения волокнистых материалов приве­ дены в .работе [15]. Построение характеристик такого рода

178

свидетельствует о возможности обеспечения подобия звукопогло­ щающих свойств облицовок модельного и натурного глушителей в диапазоне низких сходственных частот.

Рассмотрим пути обеспечения условий подобия в области вы­ соких сходственных частот. При этом также будем ориентиро­ ваться на применение в модели звукопоглощающего материала, который предполагается использовать в натурном глушителе. Экспериментально определено [95], что у волокнистых материа­ лов сопротивление продуванию пропорционально квадрату их плотности ум:

^о-Ѵм-

Из этого следует, что для обеспечения равенства (214) необхо-

димо плотность материала облицовки модели увеличить в 1ДЛ/Иг раз.

Таким образом, установлены практические пути обеспечения условий подобия характеристик звукопоглощения облицовок на­ турного и модельного глушителей. Испытания модели проводятся на частотах, превышающих в 1/М; раз натурные частоты. Обли­ цовка модельного глушителя выполняется из волокнистого мате­ риала, который будет применен в натурном глушителе. Толщина этой облицовки принимается в соответствии с масштабом модели­ рования. При этом в диапазоне низких сходственных частот плот­ ности облицовок натурного глушителя и его модели должны быть одинаковыми. В области же высоких сходственных частот плот­ ность звукопоглотителя модельного глушителя должна быть уве­

личена в 11]^M t раз. Осуществляется это путем соответствую­ щего сжатия волокнистого материала. Разграничительной для областей низких и высоких сходственных частот является частота, сходственная с граничной частотой звукопоглощающей облицовки

облицовки из матов ВТ-4 должна быть увеличена приблизительно в три раза. Наиболее предпочтительные величины масштаба Мі равны Vs и '/іоПри этом оказываются приемлемыми как размеры модели, так и диапазон частот, в котором по результатам модель­ ных испытаний представляется возможным определить частотную характеристику шахтного глушителя. Она представляет собой эф­

179

облицовки шахты звукопоглощающим материалом.

При модельных испытаниях уровни шума до и после облицовки должны измеряться на расстоянии гм = гнМі, где гн — расстояние от точки измерений до плоскости воздухоприемного отверстия на­ турной шахты; обычно гн= 0,5-И м. При таком способе определе­ ния величин ослабления шума шахтным глушителем в чистом виде устанавливается эффект звукопоглощающей облицовки. При этом

Рис. 86. Частотная характеристика ослабления шума шахтным глушителем.

—О— данные натурных испытаний; — ф — данные модельных испытаний.

затухание звуковой энергии в необлицованной шахте, возникаю­ щее вследствие колебаний стенок и в результате ее поглощения

ввоздухе, не сказывается на результатах измерений. Это особенно важно при модельных испытаниях, так как оказывается возмож­ ным выбирать толщину стенок модельной шахты из конструктив­ ных соображений без учета масштаба моделирования. При малых значениях Мі это существенно упрощает изготовление моделей.

Указанный способ определения эффективности глушителя по­ зволяет также обойти трудности, связанные с потерями звуковой энергии в воздухе. Измерения на моделях проводятся в области высоких звуковых и ультразвуковых частот, где затуханием звука

ввоздухе уже нельзя пренебрегать. Диссипативные потери звуко­

вой энергии в воздухе не моделируются [36]; это может явиться причиной существенных погрешностей модельных испытаний. Однако в рассматриваемом случае, когда эффективность глуши­

180