книги / Справочник по судовой акустике

9.Расчет й проектирование систем трубопроводов. Справочное пособие. М., Гостоптехиздат, 1961.

10.Т и м о ш е н к о С. П. Колебания в инженерном деле. М., Наука,

1967.

11. Ш у б о в И. Г. Шум и вибрация электрических машин. Л., Энергия,

Глава 9

СНИЖЕНИЕ ШУМА, ОБУСЛОВЛЕННОГО РАБОТОЙ ДВИЖИТЕЛЕЙ И НЕКОТОРЫХ ДРУГИХ УСТРОЙСТВ

§9.1. ШУМООБРАЗОВАНИЕ В СУДОВЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ ПРИ РАБОТЕ ДВИЖИТЕЛЕЙ

Движители современных судов являются источниками повышенного шума в большом числе кормовых помещений. К источникам повышенного шума можно отнести следующие типы движителей: гребные винты, воздушные винты, водометные движители и гребные винты подруливающих устройств. Каждый из указанных типов движителей имеет свои особенности шумообразования.

Гребные винты. Основными физическими причинами появления звука при работе гребного винта являются:

—периодические силы, возникающие в жидкости вследствие гидродина­ мической нагрузки лопастей (силовая составляющая звука вращения);

—периодическое вытеснение жидкости вследствие телесности лопастей греб­ ного винта (объемная составляющая звука вращения);

—генерирование звука при турбулентном обтекании лопастей винта (тур­ булентный шум);

—звуковые импульсы, сопровождающие захлопывание кавитационных пу­ зырьков (кавитационный шум).

Поток, перетекающий через винт, ввиду ряда причин (несимметричность кормовых обводов корпуса относительно оси винта, наличие выступающих частей корпуса перед винтом и др.) является неоднородным как по окружности, так и по радиусу диска винта. Это приводит к периодическому изменению элементов

Вследствие неоднородности п о то ка эти значения возрастут в 3— 4 раза [8 ]. С учетом этого , переходя к уровням зв у ко в о го давления, имеем: на частоте 9,2 Г ц

гребны х ви нто в). А м пл итуд ы вы сокочастотны х (звуко в ы х) га р м о н и к быстро ум ень­ ш аю тся с ростом частоты . Спад составляет примерно 15 д Б на од ну о кта в у .

Д л я реальны х гр е бны х винтов амплитуды га р м о н и к объемной составляющ ей

давлений первы ми м ож но пренебречь."

И зм ерения ш ум а и зв у ко в о й вибрации в корм овы х помещ ениях показы ваю т, что спектр ш ум а не ка в и ти р ую щ и х винтов д а ж е в области н и зки х частот является смешанным: нар я д у с тональны м и составляющ ими имеет место ш ум сплош ного

элементов лопастей становятся равными 107— 10е. В этом случае погр ан ичны й

слой жидкости при обтекании лопасти является излучателем звука. Спектраль­ ную плотность звукового давления можно приближенно оценить с помощью зависимости [8]

где тю — касательное напряжение трения на обтекаемой поверхности; 0й' — тол­ щина вытеснения турбулентного пограничного слоя; uw — скорость потока.

Для оценки порядка значений давления можно воспользоваться характери­ стиками обтекания плоской поверхности [8]:

% = 0,1315pvI^ ]3 /7 /-l/7 .

где Re/ — число Рейнольдса, Re/ = — (I — длина профиля); и — скорость по-

V

тока; V — коэффициент кинематической"вязкости, для воды при 20° С v = 1,0 X

X10”6 ма/с.

Пр и м е р . В предыдущем примере в сечении лопасти при R = 0,85

окружная скорость составляет и = 31 м/с. Ширина лопасти в этом сечении I =

и усреднения в октавных полосах получаем уровни звукового давления в преде­ лах 145— 155 дБ в диапазоне частот 100— 1000 Гц.

Наиболее интенсивный шум в помещениях вызывают кавитирующие гребные винты. Причиной шума служит замыкание кавитационных пузырьков, возникаю­ щих вблизи поверхности лопастей в тех местах, где давление снижается до не­ которого критического значения, при котором жидкость теряет сплошность. За­ хлопывание пузырьков сопровождается звуковым импульсом. Интенсивность ка­ витационного шума зависит от количества пузырьков и их диаметра, от временных интервалов между возникновением пузырьков и от содержания газа в воде. Все эти факторы являются случайными, поэтому кавитационный шум следует рас­ сматривать как случайный импульсный процесс [8]. Размер областей, захвачен­ ных кавитацией, определяется геометрией лопастей и полем скоростей в диске винта. Неоднородность поля скоростей в диске винта обусловливает периодиче­ ское изменение угла атаки любого сечения лопасти (рис. 9.2), что приводит к мо­ дуляции кавитационного шума частотой пг.

При всех прочих равных условиях неоднородность потока в диске винта усиливает развитие кавитации и увеличивает кавитационный шум.

Кавитация возникает не только на лопастях винтов, но и на некоторых вы­ ступающих частях корпуса (кронштейнах), расположенных перед винтом. В ре­ зультате при некоторых углах поворота лопасти обтекаются потоком, представ­ ляющим собой смесь воды и кавитационных пузырьков. Это явление еще больше усложняет расчетную оценку кавитационного шума.

Если известно звуковое давление вблизи гребного винта, то можно оценить уровни звуковой вибрации участка наружной обшивки, расположенной над вин­ том, à затем рассчитать уровни шума в кормовых помещениях, приняв за уста­ новочное перекрытие (см. гл, 15) указанный участок наружной обшивки.

Наружная обшивка расположена на границе воздух—вода. Можно показать [16 J, что, исключая случаи очень больших толщин, наружную обшивку допустимо рассматривать как локально реагирующую поверхность, сопротивление которой определяется независящим от угла падения импедансом кот (т — масса единицы

ной обшивкой, # 0 — радиус винта), угла наклона гребного вала и скорости судна.

Ч п Р и м е р. Рассчитаем вибрацию наружной стальной обшивки толщиной

1Q мм, расположенной над винтом, радиус которого 2,0 м (рис. 9.5). Частота вра­ щения .винта п = 4 об/с, скорость судна 12 м/с, угол наклона греб­ ного вала 3°, отношение rlR0= 1 ,3 (табл. 9.3).

Приведенные в последней строке табл. 9.3 уровни вибрации перекрытия, расположенного над

винтами, служат исходными для расчета уровней шума в кормовых поме­ щениях. Пусть, например, нужно определить уровни шума в помещении III. Расчет можно выполнить графоаналитическим методом (см. гл. 15). Вводим нумерацию перекрытий; номер 0 присваиваем перекрытию, расположен­ ному непосредственно над гребным винтом. По формулам и номограммам § 15.5

Рис. 9.5. Схема х расчету уровня шума.

вычисляем уровни вибрации перекрытий, ограждающих помещение II, после чего определяем уровни шума, излучаемого этими перекрытиями, и суммарные уровни шума в помещении / / . Уровни шума в помещении II служат исходными для расчета уровней шума в рассматриваемом помещении III по схеме, принятой для удаленных помещений. После вычислений получаем следующие уровни спек­ тральных составляющих шума в октавных полосах частот:

Воздушные винты. Для судов с динамическими йринцияами поддержания

воздушные винты являются одним из основных источников шума. Шум вызы­ вается периодическим силовым воздействием лопастей на среду и вытеснением объемов воздуха («силовая» и «объемная» составляющие шума вращения), а также срывом вихрей с задних кромок лопастей (вихревой шум). Для современных воз­ душных винтов характерно, что частоты первых гармоник шума вращения входят в звуковой диапазон, а не в область инфразвука, как у гребных винтов.

Для расчета амплитуды звукового давления в дальнем поле воздушного винта на частоте f = гпп обычно используют формулу Л. Я. Гутина:

стей; г — расстояние от центра винта до расчетной точки; с0 — скорость звука в воздухе; Р и М — соответственно упор и крутящий момент винта; Rs — 0,8R0 (R0— радиус винта); Jtnz— функция Бесселя первого рода; 0 — угол между направлением на расчетную точку и осью винта (ось направлена по движению винта).

Расчет по формуле (9.1.8) хорошо согласуется с экспериментальными дан­ ными для винтов,.у которых окружные скорости концов лопастей меньше скорости звука. Для высоких гармоник при околозвуковых и сверхзвуковых концевых скоростях наблюдается значительное расхождение расчетных и измеренных значений звукового давления. В применяемых iià судах воздушных винтах кон­ цевые скорости иногда составляют (0,9— 1,1) М (М — число Маха). В этом случае при расчетах шумности следует отдавать предпочтение исходным данным, полу­ ченным при измерениях на стенде.

Подруливающие устройства (ПУ). ПУ нередко являются источником недо­ пустимо высокого шума в близлежащих помещениях. Общие уровни шума на рас­ стоянии 1 м от современных ПУ составляют 111— 110 дБ, уровни вибрации около ПУ достигают 90—95 дБ. Наибольшее распространение в отечественном судострое­ нии получили ПУ с винтом регулируемого шага. Привод к винту осуществляется обычно о г электродвигателя, имеющего постоянную частоту вращения, через угло­ вой редуктор. Редуктор и механизм для изменения угла наклона лопастей раз­ мещаются в водонепроницаемой гондоле, расположенной в трубе ПУ.

Узкополосный анализ шума и вибрации ПУ, а также сравнение акустиче­ ских характеристик при различных режимах работы позволяют заключить, что на частотах до 400—500 Гц шум и вибрация примерно в равной степени обуслов­ лены взаимодействием шестерен углового редуктора и работой гребного винта.

данных могут быть использованы результаты акустических измерений на стендах заводов-строителей. Сравнение результатов измерений на судах и на стендах выявило некоторые расхождения в форме частотных характеристик (до 7 дБ в от­ дельных полосах) шума и вибрации в натурных и стендовых условиях, однако интегральные уровни практически одинаковы.

§ 9 . 2 . М Е Т О Д Ы С Н И Ж Е Н И Я Ш У М А , О Б У С Л О В Л Е Н Н О Г О Р А Б О Т О Й Г Р Е Б Н Ы Х ВИ Н ТО В И Д Р У Г И Х Д В И Ж И Т Е Л Е Й

Для снижения в судовых помещениях шума, вызванного движите­ лями, можно идти двумя путями: уменьшать звуковое давление, воспринимаемое наружной обшивкой, изменяя условия работы движителя; снижать вибрацию на­ ружной обшивки и ослаблять передачу вибрации в судовые помещения, не влияя на режим работы движителя.

Снижение звукового давления под наружной обшивкой достигается путем уменьшения неоднородности потока, максимального удаления винта от наруж­ ной обшивки и от кронштейнов гребного вала* а также уменьшения скоса потока.

%%я ■

щ. щ %ь %шш 11

п1 Г 3&кП ПС-45