Исследование акустических эффектов при совместных колебаниях некоторых упругих элементов машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.18, кандидат технических наук Яшкин, Владимир Борисович

• Яшкин, Владимир Борисович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Яшкин, Владимир Борисович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЗАДАЧА ВЫЧИСЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ ИСТОЧНИКА ШУМА, РАБОТАЮЩЕГО В ПРИСУТСТВИИ РАССЕИВАТЕЛЕЙ, И ВЫБОР МЕТОДА ЕЕ РЕШЕНИЯ.

1.1 Акустическая мощность как характеристика шумности машин и механизмов.

1.2 Решаемые задачи.

1.3 Обзор методов решения задач о колебаниях и излучении нескольких тел.

Выводы главы 1.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ О СОВМЕСТНЫХ КОЛЕБАНИЯХ И ИЗЛУЧЕНИИ НЕСКОЛЬКИХ ТЕЛ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ.

2.1 Математическая постановка задачи.

2.2 Формулировка МЭИ для поставленных задач.

2.3 Основные свойства МЭИ и выбор параметров вычислительного алгоритма.

Выводы главы 2.

ГЛАВА 3. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ОБ ИЗЛУЧЕНИИ СФЕРИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ВБЛИЗИ ТВЕРДЫХ РАССЕИВАЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ.

3.1 Рассеиватель в виде твердой сферы.

3.2 Рассеиватель в виде бесконечной твердой плоскости.

3.3 Рассеиватель в виде двугранного угла.

3.4 Рассеиватель в виде трехгранного угла.

3.5 Эффект «понижения порядка источника».

Выводы главы 3.

ГЛАВА 4. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О СОВМЕСТНЫХ КОЛЕБАНИЯХ И ИЗЛУЧЕНИИ СФЕРЫ И КРУГЛОЙ УПРУГОЙ ПЛАСТИНЫ.

4.1 Расчетная модель задачи по методу эквивалентных источников.

4.2 Осесимметричные колебания защемлённой по контуру пластины.

4.3 Результаты расчетов акустической мощности.

Выводы главы 4.

ГЛАВА 5. ЭФФЕКТ УВЕЛИЧЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ.

5.1 Описание и расчетная модель эксперимента.

5.2 Результаты эксперимента.

5.3 Акустически активные машины и механизмы.

5.4 Уточнение энергетического метода прогнозирования шума.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование акустических эффектов при совместных колебаниях некоторых упругих элементов машин»

В настоящее время к машинам и оборудованию как к источникам шума предъявляются все более высокие требования. С одной стороны это обусловлено экологическими соображениями (шум занимает третью строку в списке экологических проблем), с другой — чувствительностью к шуму и вибрациям физических приборов и электронной аппаратуры, которые размещаются вблизи или внутри машин. Мощность шума, излученного машиной, составляет лишь малую долю от ее номинальной мощности (порядка 10-9-106). Однако тенденции развития современного машиностроения таковы, что, несмотря на усилия ученых и инженеров, эта доля неуклонно увеличивается. Поэтому проблема шума и вибраций машин становится все более актуальной [1].

Исторически решение проблемы шума и вибрации машин начиналось с разработки внешних средств подавления шума и вибраций уже созданных машин — это амортизаторы, звукоизолирующие кожухи, поглотители, заграждения и т. п. — см., например, [2,3]. Однако уже в 5060-х годах стало ясно, что этого не достаточно и что проблему нужно решать на более ранних стадиях создания машины, в частности, ее проектирование должно включать виброакустические критерии качества [4]. К 80-м годам на стыке теории машин и механизмов, динамики и акустики сформировалось новое научное направление, называемое акустикой машин (машиностроительной акустикой, акустической динамикой машин и др.). Главной целью этого направления является разработка основ проектирования малошумных механизмов, машин и узлов. В настоящее время это обширная область науки, результаты которой сыграли большую роль в создании новой техники и которая продолжает интенсивно развиваться (см., например, [5-7]).

Ключевой и наиболее трудной задачей акустики машин является разработка методов прогнозирования шума как инструмента проектирования по акустическим критериям. Чтобы оценить акустические свойства проектируемой машины или узла, оптимизировать их параметры и в конечном итоге найти наименее шумный вариант его исполнения необходимо уметь достаточно точно рассчитывать уровни шума в тех или иных эксплуатационных условиях и вырабатывать нужные критерии акустического качества машины. Такой подход к акустическому проектированию, но с упрощенными методами прогнозирования шума, где машина рассматривается как точечный источник с заданной акустической мощностью, применяется в индустриальной архитектурной акустике для оценки уровня шума машин и оборудования, расположенных в строительных сооружениях, цехах металлургических, полиграфических, текстильных и других промышленных предприятий [7-10].

В последние годы развитие современной техники (космонавтики, авиации) сопровождается переходом на легкие тонкостенные конструкции. Как показали исследования [11], в таких конструкциях имеет место тесное взаимодействие возмущенной акустической среды (воздуха) и вибраций самой конструкции, существенно влияющее на акустические свойства машин и их характеристики. Для прогнозирования шума в таких условиях требуется учет взаимодействия машины с упругой конструкцией через среду. Известны экспериментальные результаты, когда при работе машины до 40 % ее колебательной энергии передается на корпус по воздуху, усиливая вибрации корпуса и его излучение внутрь конструкции и наружу [5] — см. Рис. В.1. В диссертации показано (глава 4), что имеются отдельные частоты, на которых практически вся колебательная энергия может передаваться через среду. Это собственные частоты акустического объема между элементами машины или между машиной и корпусом. Пренебрежение этим эффектом взаимодействия может привести к тому, что реальные уровни шума будут существенно выше прогнозируемых. В отличие от упругих связей, свойства которых давно изучаются и имеются достоверные результаты, свойства акустических объемов, взаимодействующих с элементами машин, и их влияние на формирование виброакустического поля и на энергетические характеристики самого источника мало исследованы.

В связи с этим в диссертации была поставлена и решена следующая задача современной теории механизмов и машин: определить зависимость акустической мощности машины от свойств окружающих упругих конструкций и акустических объемов. Были рассмотрены более сложные,

СРЕДА КАК ПЕРЕДАТОЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ акустическая полость виброакустические, модели машины, подробно исследован теоретически и подтвержден экспериментально эффект существенного усиления акустической мощности машины или механизма, работающих в ограниченном пространстве. Даже в обычных условиях эксплуатации такое усиление мощности, а следовательно и шумности, может составлять порядки. Это позволило описать класс акустически активных машин и механизмов, в которых внутренние механические источники шума работают именно в таких условиях (см. п. 5.3), а также рассчитать таблицы и графики для акустической мощности механического источника шума в типовых эксплуатационных условиях.

Вопрос повышения мощности механических устройств и технологических процессов (в частности, с точки зрения их КПД) всегда актуален для ученых и инженеров и рассматривался, например, в [12, 13]. Мощность вибраций, передаваемых от машины в опорную конструкцию, применяется в качестве критерия ее виброактивности при разработке оптимальных систем амортизации: вибрационная мощность машины существенно зависит от вибрационной нагрузки и ее минимизация обеспечивает наилучшую виброизоляцию машины [9, 14-16]. Имеются работы по исследованию изменения акустической мощности различных источников шума в присутствии отражающих поверхностей — см. обзор в главе 1. В настоящей диссертации показано, что акустическая мощность источника шума, так же как и вибрационная мощность, может меняться в широких пределах, являясь при этом надежным критерием акустического качества механизмов и машин в целом и их отдельных элементов.

Целью работы является количественное исследование акустической мощности машины в присутствии твердых и/или упругих отражающих поверхностей и рассеивателей и изучение эффекта ее усиления.

Научная новизна.

1. Впервые рассчитана акустическая мощность компактного источника звука, расположенного вблизи отражающих и рассеивающих поверхностей.

2. Обнаружен и исследован эффект существенного (на порядки) увеличения акустической мощности компактного источника звука. Дано экспериментальное подтверждение этого эффекта.

3. Предложен метод оценки акустической мощности машины (механизма) с помощью энергетических корректировочных коэффициентов, учитывающий условия эксплуатации. Для типовых модельных конфигураций установки машины рассчитаны соответствующие таблицы и графики.

Практическая ценность работы.

Приведенные результаты исследований нужны при разработке машин, механизмов и их элементов с точки зрения акустических критериев качества, а также для прогнозировании их шумовых характеристик в конкретных условиях эксплуатации.

Предложенный метод энергетических корректировочных коэффициентов повышает точность прогнозирования шума машин в помещениях.

Методика исследования.

В ходе исследований применялись классические методы решения краевых задач математической физики. При вычислении функции Грина упругой пластины использовалась методика разложения по собственным функциям.

Использован численный алгоритм на основе метода эквивалентных источников, разработанный в лаборатории структурной акустики Института машиноведения РАН.

Экспериментальное исследование акустической мощности проводилось в соответствии с международным стандартом ISO 9614.

Содержание работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Теория механизмов и машин», Яшкин, Владимир Борисович

Результаты работы будут развиты в двух направлениях. Одно направление связано с практическим использованием результатов диссертации. Это оптимизация эксплуатационных условий работы конкретных машин и механизмов с точки зрения уменьшения их акустической активности; создание базы данных оптимальных конфигураций для прогнозирования шума элементов машин на стадии разработки. Другое направление связано с исследованием малоизученной проблемы генерации звука в индустриальных источниках шума: эффект усиления акустической мощности, установленный в диссертации, будет использован для выяснения причин и механизмов возникновения повышенной шумности таких источников внешнего шума, как автомобильные шины, винтовые самолеты и т. д.

Заключение

Полученные в диссертационной работе теоретические и экспериментальные результаты по исследованию энергетических характеристик аку сто-упругих систем, моделирующих конструктивные особенности машин и механизмов, а также возможные условия их эксплуатации, показали, что они всесторонне характеризуют взаимодействие элементов системы через среду и допускают компактное представление в виде графиков. Количественные оценки уровней акустической мощности таких систем, являются новыми и показывают, что для сложных устройств и тонкостенных корпусов машин необходимо учитывать взаимодействие элементов через среду при определении шумовых характеристик машин.

Примененный при исследованиях подход для определения виброакустических характеристик на основе простых расчетных моделей метода эквивалентных источников с быстрой численной реализацией может быть эффективно использован при проектировании элементов машин с заданными акустическими свойствами.

Можно надеяться, что выполненные в диссертации разработки окажут влияние на формирование справочных (руководящих) технических материалов по снижению шумности элементов машин, а составленные на основе специальных исследований алгоритмы и программы будут использованы в практике акустического проектирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Яшкин, Владимир Борисович, 2000 год

1. Фролов К, В. Проблемы машиностроения в 21 веке // Проблемы машиностроения и автоматизации, 1999, №1, с. 3-12.

2. Вибрации в технике. Справочник в 6 т. / Ред. совет: В. Н. Челомей (пред.), К. В. Фролов (зам. пред.). М.: Машиностроение, 1978.

3. Борьба с шумом. / Под ред. Е. А. Юдина. М.: Стройиздат, 1969. — 762 с.

4. Артоболевский И. И., Генкин М. Д., Сергеев В. И. Акустическая динамика машин // Вестник АН СССР, 1968, №11, с. 5-11.

5. Артоболевский И. И., Бобровницкий Ю. И., Генкин М. Д. Введение в акустическую динамику машин. М.: Наука, 1979. — 282 с.

6. Генкин М. Д., Тарханов Г. В. Вибрация машиностроительных конструкций. М.: Наука, 1979.

7. Машиностроение. Энциклопедия в 40 т. / Под ред. К. В. Фролова. М.: Машиностроение, 1994-2000.

8. Снижение шума в зданиях и жилых районах. / Под ред. Г. Л. Осипо-ва, Ю. Я. Юдина. М.: Стройиздат, 1987. — 480 с.

9. Cremer L., Heckl M., Ungar E. E. Structure borne sound. Berlin: Springer, 1988. — 740 p.

10. Statistical Energy Analysis of Noise and Vibration. / Ed. F. J. Fahy, W. G. Price. London: Kluwer Academic Publishers, 1999, p. 64-106.

11. П.Фролов К. В., Бобровницкий Ю. И. Взаимодействие вибрации и звука: новый подход I j Докл. РАН, 1996, т. 351, №6, с. 769-772.

12. Кобринский А. Е., Корендясев А. И. Новый механический усилитель мощности // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика, 1964, №2, с. 7-10.

13. Асташев В. К. О согласовании колебательной системы с приводом и нелинейной нагрузки. // Машиноведение, 1978, № 3, с. 9-16.m

14. Генкин М. Д., Елезов В. Г., Яблонский В. В. Критерии для выбора схем активной виброизоляции механизмов / В сб. «Акустическая динамика машин и конструкций». М.: Наука, 1973.

15. Попков В. И. Виброакустическая диагностика и снижение виброактивности судовых механизмов. Л.: Судостроение, 1974. 275 с.

16. Proc. of the 5th International Conference on Noise and Vibration Pre-design and Characterization Using Energy Methods NOVEM 2000). Lyon, France, 2000.

17. Яшкин В. Б. Мощность излучения сферического источника звука вблизи отражающих поверхностей // Акуст. ж. 1998. т. 44. № 5. с. 689-696.

18. Яшкин В. Б. Влияние отражающих поверхностей на мощность излучения сферического источника звука / / Сборник трудов VI сессии Российского акустического общества «Акустика на пороге XXI века», с. 367-370.

19. Tomilina Т. М., Bobrovnitskii Yu. I., Yashkin V. В. & Kochkin A. A. Power output of noise sources operating near elastic scatterers of finite dimensions // Journal of Sound and Vibration, 1999, v. 226, №2, 285-304.

20. Копьев В. Ф., Маслов А. А. (ЦАГИ им. проф. Н. Е. Жуковского), Боб-ровницкий Ю. И., Томилина Т. М., Яшкин В. Б. (ИМАШ РАН). Аэроакустика винта с точки зрения снижения шума в кабине // Всероссийский семинар по авиационной акустике, Дубна, 2000.

21. Исакович М. А. Общая акустика. М.: Наука, 1973, 495 с.

22. ГОСТ 12.1.024-81, ГОСТ 12.1.025-81. ССБТ. Шум. Определение шумовых характеристик источников шума в реверберационной и заглушённой камерах. Точный метод. М.: Изд-во стандартов. 31 с.

23. ГОСТ 12.1.026-80 — ГОСТ 12.1.028-80. ССБТ. Методы определения шумовых характеристик источников шума. М.: Изд-во стандартов. -32 с.

24. Fahy F. J. Sound Intensity. London & New York: Elsevier Applied Science, 1989, 274 p.

25. ISO 9614. Acoustics — Determination of sound power of noise sources using sound intensity: part 1 — 1993, part 2 — 1995.

26. Lyon R. H., Delong R. G. Theory and Applications of Statistical Energy Analysis. Boston: Butterworth-Heinemann, 1995. — 380 p.

27. Релей. Теория звука. M.: ГИТТЛ, 1955. — 320 с.

28. Лямшев Л. М. Радиационная акустика. М.: Наука. Физматлит, 1996. — 415 с.

29. Waterhouse R. V. Output of a Sound Source in a Reverberation Chamber and Other Reflecting Environments // J. of Acoust. Soc. America, 1958, Vol. 30, 1, pp. 4-13.

30. Maling, Jr., G. C. Calculation of the Acoustic Power Radiated by a Monopole in a Reverberation Chamber // J. of Acoust. Soc. America, 1967, 42(4), pp. 859-865.

31. Yousri S. N. & Fahy F. J. An analysis of acoustic power radiated into a reverberation chamber by a transversely vibrating slender bar // J. of Sound and Vibration, 1974, 32(3), 311-325.

32. Tomilina T. Amplification of the total power flow radiated from an extended noise source operating near elastic bounds / / Proc. EWER-NOISE 96, Liverpool, UK, 1996. Book 6, p. 3149-3152.

33. Морс П. M., Фешбах X. Методы теоретической физики. М.: Издательство иностранной литературы 1958. — 1060 с.

34. Скучик Е. Основы акустики. М.: Мир 1976. — 480 с.

35. Embleton Т. F. W. Mutual interaction between two spheres in a plane sound field // J. ofAcoust. Soc. America, 1962, 34, 1714-1720.

36. Марневская Л. А. К дифракции плоской скалярной волны на двух сферах // Акустический журнал, 1968, Т. XTV, Вып. 2, с. 427-434.

37. New R. & Eisler Т. J. Acoustic radiation from multiple spheres // J. of Sound and Vibration, 1972, 22(1), pp. 1-17.

38. Uruh J. F. Finite element subroutine technique for structure borne interior noise prediction // Journal of Aircraft, 1979, 17, 434-444.

39. Nefske D. J., Wolf, Jr., J. A., & Howell L. J. Structural-acoustic finite element analysis of the automobile passenger compartment — a review of current practice // J. of Sound and Vibration, 1982, 80, 247-266.

40. Petit M., Lea T. & Koopman G. H. A finite element method for determining the acoustic modes of irregular shaped cavities / / J. of Sound and Vibration, 1976, 45, 495-502.

41. Craggs A. The use of simple three-dimensional acoustical finite elements for determining the natural modes and frequencies of complex shaped enclosures // J. of Sound and Vibration, 1972, 23, 331-339.

42. Craggs A. An acoustic finite element approach for finding boundary flexibility and sound transmission between irregular enclosures // J. of Sound and Vibration, 1973, 30, 343-357.

43. Chertock G. Sound radiation from vibrating surfaces // J. of Acoust. Soc. America, Vol. 36, 1964, pp. 1305-1313.

44. Engblom J. J., Nelson R. B. Consistent Formulation of Sound Radiation from Arbitrary Structure // ASME Journal of Applied Mechanics, Vol. 97, 1975, pp. 295-300.

45. Козырев В. А., Шендеров E. Л. О сопротивлении излучения цилиндра конечной высоты // Акустический журнал, 1980, Том XXVI, Вып. 3, с. 422-432.

46. Seybert A. F., Soenarko В., Rizzo F. J. and Shippy D. J. A special integral equation formulation for acoustic radiation and scattering for axisymiZOmetric bodies and boundary conditions // J. of Acoust. Soc. America, 1986, 80, 1241-1247.

47. Copley L. G. Integral Equation Method for Radiation from Vibrating Bodies // J. of Acoust Soc. America, 1967, v. 41, #4, pp. 807-816.

48. Schenck H. A. Improved integral formulation for acoustic radiation problems // J. of Acoust Soc. America, 1968, 44, pp. 41-58.

49. Meyer W. L., Bell W. A., Zinn В. T. and Stallybrass M. P. Boundary integral solutions of three dimensional acoustic radiation problems // J. of Sound arid Vibration, 1978, 59(2), pp. 245-262.

50. Hussain K. A. & Peat K. S. Boundary Element Analysis of Low Frequency Cavity Acoustical Problems // J. of Sound and Vibration, 1994, 169(2), pp. 197-209.

51. Waterman P. C. New formulation of acoustic scattering //J. of Acoust Soc. America, 1969, 45, pp. 1417-1429.

52. Peterson B. & Strom S. Matrix formulation of acoustic scattering from an arbitrary number of scatterers // J. of Acoust. Soc. America, 1974, 56, 3, pp. 771-780.

53. Waterman P. C. Matrix Theory of Elastic Wave Scattering // J. of Acoust Soc. America, 1976, 60, pp. 567-580.

54. Bostrom A. Multiple scattering of elastic waves by bounded obstacles // J. of Acoust. Soc. America 1980, 67 (2), pp. 399-413.

55. Lim R. & Hackman R. H. A formulation of multiple scattering by many bounded obstacles using a multicentered T-supermatrix // J. of Acoust. Soc. America, 1992, 91 (2), pp. 613-638.

56. Алексидзе M. А. Решение граничных задач методом разложения по неортогональным функциям. — М.: Наука, 1978. — 352 с.

57. Fenlon F. H. Calculation of the acoustic radiation field at the surface of a finite cylinder by the method of weighted residuals // Proc. IEEE, 1969, 57 (3), pp. 291-306.

58. Rao S. M. & Raju P. K. Application of the method of moments to acoustic scattering from multiple bodies of arbitrary shape // J. of Acoust. Soc. America, 1989, 86 (3), pp. 1143-1148.

59. Rao S. M. & Sridhara B. S. Acoustic scattering form arbitrarily shaped multiple bodies in half-space: Method of moments solution // J. of Acoust. Soc. America, 1992, 91 (2), pp. 652-657.

60. Купрадзе В. Д. О приближенном методе решения задач математической физики // Yen. мат. наук., 1967. Т. 22. №2. С. 59-107.

61. Koopman G. H., Song L., Fahline J. B. A method for computing acoustic fields based on the principle of wave superposition //J. of Acoust. Soc. America, 1989, 86(6), pp. 2433-2438.

62. Song L., Koopman G. H., Fahline J. B. Numerical errors associated with the method of superposition for computing acoustic fields // J. of Acoust. Soc. America, 1991, 89 (6), pp. 2625-2633.

63. Jeans R. and Mathews I. C. The wave superposition method as a robust technique for computing acoustic fields // J. of Acoust Soc. America, 1992, 92 (2), pp. 1156-1166.

64. Tomilina T. M. Equivalent sources method for noise prediction problem: analysis of errors // Proc. INTER-NOISE 95. Newport Beach, CA, USA, 1995, Vol. 2, pp. 1299-1302.

65. Бобровницкий Ю. И., Томилина T. M. Общие свойства и принципиальные погрешности метода эквивалентных источников / / Акуст. жур. 1995, т.41, №5, с. 737-750.

66. Бобровницкий Ю. И., Томилина Т. М. Применение метода вспомогательных источников для расчёта излучения ограниченных упругих тел // Акуст. ж. 1990. Т. 36. Вып. 4, с. 543-550.

67. Tomilina Т. The Equivalent Sources Approach to Acoustical Design of Forced Vibrating Structures // Proc. Inter-Noise 93, Leuven-Belgium, 1993, pp. 1597-1600.

68. Tomilina Т. M. Fast algorithm for sound field analysis based on fictitious sources method. // Proc. XIII International Congress on Acoustics, Belgrad, 1989, vol. 4, pp. 443-446.

69. Бобровницкий Ю. И., Томилина Т. М. Расчет импедансных характеристик элементов машин при их вынужденных колебаниях в акустической среде. / В сб. «Волновая динамика машин» под ред. акад. К. В. Фролова и д.т.н. Г. К. Сорокина. М.: Наука, 1991. — 131 с.

70. Гонткевич В. С. Собственные колебания пластинок и оболочек. Киев: Наукова думка, 1964. — 288 с.

71. Петрусевич А. И., Генкин М. Д., Гринкевич В. К. Динамические нагрузки в зубчатых передачах с прямозубными колесами. М.: Изд-во АН СССР, 1956. — 134 с.

72. Айрапетов Э. А., Генкин М. Д. Колебания Зубчатых передач. Справочник «Вибрации в технике» в 6-ти томах. Т. 3. М.: Машиностроение, 1980. с. 90-117.

73. Генкин М. Д. Шум зубчатых колес, причины его возникновения, контроль, анализ. В кн. «Современные методы оценки качества и пути повышения точности изготовления зубчатых передач». М.: Машгиз, 1962. с. 5-25.

74. Крайнев А. Ф. Механика машин. Фундаментальный словарь. М.: Машиностроение, 2000. 904 с.

75. Тольский В. Е. Виброакустика автомобиля. — М.: Машиностроение, 1988. — 144 с.

76. Голдстейн М. Е. Аэроакустика. М.: Машиностроение, 1981. — 294 с.