Разработка и внедрение методики акустического расчета реактивных глушителей шума транспортных средств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.01, кандидат технических наук Ткаченко, Юрий Леонидович

• Ткаченко, Юрий Леонидович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ткаченко, Юрий Леонидович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Принципы разработки методики акустического расчета глушителей шума

1.1. Обзор работ по акустическому расчету глушителей шума

1.2. Универсальный подход к составлению расчетных схем глушителей

1.2.1. Анализ конструкций реактивных глушителей шума -

1.2.2. Формирование ряда типовых элементов реактивных глушителей шума

ГЛАВА 2. Основы акустического расчета реактивных глушителей шума 2.1. Требования к глушителям шума выпуска и впуска..26 2.1.1. Необходимое снижение шума

(акустическая эффективность)

2.1.2. Требования к гидравлическим характеристикам глушителя

2.1.3. Требования к массе и габаритам глушителей

2.2. Показатели акустической эффективности глушителей

2.2.1. Вносимые потери

2.2.2. Потери передачи

2.3. Расчет основных показателей акустической эффективности в рамках матричного метода

2.4. Импеданс излучения звуковой энергии

2.5. Акустический импеданс источника шума

- 'S -

2.6. Физические параметры газовой среды

ГЛАВА 3. Разработка матриц передачи типовых элементов

3.1. Обоснование допущений, принимаемых при теоретическом описании глушителей

3.2. Цилиндрическая труба

3.3. Элементы с внезапным изменением поперечного сечения каналов

3.4. Элементы с перфорацией

3.4.1. Расчетная схема перфорированной секции и способ ее сегментации

3.4.2. Матрица передачи сегмента в виде акустической проводимости

3.4.3. Матрица передачи сегмента в виде отрезка каналов с жесткими стенками

3.4.4. Полная матрица передачи перфорированной секции общего вида

3.4.5. Матрицы передачи типовых элементов с перфорацией

3.4.5.1. Концентрический резонатор

3.4.5.2. Перфорированный впуск с перегородкой и перфорированный выпуск с перегородкой

3.4.5.3. Элементы, реверсирующие газовый поток

3.4.6. Импеданс перфорации

ГЛАВА 4. Экспериментальная проверка и практическое использование разработанной методики 4.1. Оценка точности методики акустического расчета

и сравнение с точностью существующих методик

4.1.1. Постановка задачи исследования

4.1.2. Методика экспериментального исследования

4.1.3. Проверка диффузности звукового поля испытательного бокса

4.1.4. Определение точности измерений

4.1.5. Исследование сходимости экспериментальных данных и результатов расчетов

4.1.6. Сравнение точности разработанной и существующих методик акустического расчета, базирующихся на методе четырехполюсников____110

4.2. Исследование шумоглущащих ячеек, состоящих

из типовых элементов

4.2.1. Экспериментальная установка

4.2.2. Ячейки, состоящие из камерных неперфорированных элементов

4.2.3. Ячейки, состоящие из элементов с перфорацией

4.3. Расчет дополнительного глушителя шума выпуска дизельного двигателя Д-144

4.4. Рекомендации по совершенствованию дополнительного глушителя шума выпуска двигателя Д-144

4.5. Результаты внедрения разработанной методики

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

ЛИТЕРАТУРА

Приложение 1. Эскиз дополнительного глушителя шума

выпуска двигателя Д-144

Приложение 2. Акты внедрения результатов работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и внедрение методики акустического расчета реактивных глушителей шума транспортных средств»

ВВЕДЕНИЕ

Защита от шума в настоящее время является одной из актуальных научно-технических проблем. Рост энерговооруженности транспортных средств, повышение рабочих скоростей приводит к заметному возрастанию шума. Борьба с шумом включает две большие задачи - защита обслуживающего персонала (машинистов, водителей, операторов) и защита окружающей среды.

Низкий уровень шума - один из важных эргономических и экологических критериев, определяющих техническое совершенство данной модели транспортного средства. Соблюдение международных стандартов на акустические характеристики транспортных средств повышает конкурентоспособность продукции на мировом рынке.

Для снижения шума транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания (ДВС) широко применяют реактивные глушители шума систем выпуска и впуска. Однако в настоящее время в промышленности распространены эмпирические подходы к проектированию глушителей, требующие дорогостоящих промежуточных испытаний и доводок опытных образцов глушителей. Такая ситуация вызвана недостаточной разработанностью методов акустического расчета глушителей. Существующие методики акустического расчета недостаточно универсальны для разработки глушителей шума широкого класса конструкций ДВС и обладают низкой для проведения проектных расчетов точностью. Последнее вызвано тем, что известные методики не в полной мере учитывают ряд факторов, характерных для систем выпуска (впуска), среди которых высокоскоростной газовый поток, из-

- б -

менение энтропии и температуры, потери звуковой энергии на местных сопротивлениях и за счет трения и теплопроводности газовой среды.

Поэтому задача разработки методики акустического расчета реактивных глушителей шума является актуальной. Исходя из изложенного, определилась цель работы: разработать и экспериментально проверить методику акустического расчета, применительно к проектированию и модернизации реактивных глушителей шума впуска и выпуска ДВС транспортных средств, удобной для инженерного применения и обладающей точностью, достаточной для проектных расчетов.

Задачи работы:

- Провести унификацию конструкций реактивных глушителей для представления их в виде набора типовых элементов.

- Разработать математические модели типовых элементов и создать на их основе методику акустического расчета реактивных глушителей шума.

- Оценить точность разработанной методики путем ее экспериментальной проверки в реальных условиях эксплуатации глушителей.

- Провести компьютерное и лабораторное исследование основных шумоглушащих ячеек, составленных из типовых элементов, с целью повышения акустической эффективности.

- Внедрить разработанную методику в конструкторскую практику.

Решению этих задач посвящена настоящая работа, выполненная на кафедре "Промышленная экология и безопасность" МГТУ им. П.Э.Баумана под руководством к.т.н., доцента В.В.Тупова.

- ? -

Результаты настоящего исследования опубликованы в работах 120, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 48].

Материалы настоящей работы докладывались и обсуждались

на:

1. Научно-технической конференции "Студенческая научная весна -94".- Москва: МГТУ им.Н.Э. Баумана, 18-22 мая 1994 г.

2. Научно-технической конференции "165 лет МГТУ им.Н.Э. Баумана".- Москва: МГТУ им.Н.Э.Баумана, 21-23 ноября 1995 г.

3. Международном конгрессе "Молодежь и наука - третье тысячелетие". - Москва: МГТУ им.Н.Э. Баумана, МГУ им.М.В.Ломоносова, 28 января - 2 февраля 1996 г. Доклад отмечен дипломом 1 степени.

4. Научно-технической конференции "XXII Гагаринские чтения", секция "Промышленная экология".- Москва, МГАТУ им.К.Э. Циолковского, 2-6 апреля 1996 г.

5. Научно-технической конференции "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве", секция "Экология".-Москва: МЭИ, 26-27 февраля 1997 г.

6. Первой московской экологической конференции.- Москва: МГГУ (Горный университет), 24 апреля 1997 г.

7. VI сессии Российского акустического общества "Акустика на пороге XXI века".- Москва: АКИН, МГУ, РАО, 14-16 октября 1997 г.

8. Научно-технической конференции "Двигатель-97".- Москва: МГТУ им.Н.Э. Баумана, 14-16 октября 1997 г.

9. Научно-практическом семинаре "Проблемы горной механики и транспорта" в рамках "Недели горняка".- Москва: МГГУ (Горный университет), 2-6 февраля 1998 г.

Заключение диссертации по теме «Охрана труда (по отраслям)», Ткаченко, Юрий Леонидович

- 136 -ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработанная методика акустического расчета обеспечивает решение важной прикладной задачи - проектирование реактивных глушителей шума.

2. Разработанный ряд типовых элементов позволяет представить большинство конструкций реактивных глушителей шума в виде комбинации расчетных схем элементов, удобной для проведения расчетов.

3. Экспериментальная проверка в реальных условиях эксплуатации глушителей показала достаточную для проектных расчетов точность методики (максимальное расхождение расчетных и экспериментальных значений не превышает по модулю 4.5 дБ в широком скоростном диапазоне работы двигателя), что подтверждает правильность основных теоретических положений методики.

4. Сравнение результатов расчетов по разработанной методике и другим известным методикам с экспериментальными данными выявило, что учет высокоскоростного газового потока, изменения энтропии и температуры, потерь звуковой энергии на местных сопротивлениях и за счет трения и теплопроводности газовой среды позволяет существенно повысить точность расчетов.

5. Разработанная методика и результаты компьютерных и лабораторных исследований позволяют не только рассчитывать акустические характеристики глушителей шума, но и рекомендо

•¡затс иомспспил 1 сишстрни 1 ^шихслл, шлэоиисиищпс ¿ГО аКуСТП ческую эффективность без проведения промежуточных доводок опытных образцов глушителей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ткаченко, Юрий Леонидович, 1998 год

- 137 -ЛИТЕРАТУРА

1. Андреев Н.Н. К рас-чету глушителей для моторов внутреннего сгорания //Журнал технической физики.- 1946.- N6.

2. Борьба с шумом на производстве: Справочник /Под ред. Е.Я.Юдина.- М.: Машиностроение, 1985.- 400 с.

3. Бутаков Г.В. и др. Способы защиты от шума и вибраций ж/д подвижного состава /Под ред. Г.В. Бутакова.- М.: Транспорт, 1977.- 237 с.

4. Газовая динамика. Механика жидкости и газа:. Учебник для вузов /Бекнев B.C., Епифанов В.М., Леонтьев А.И. и др.; Под общей редакцией А.И. Леонтьева.- М.: МГТУ им.Н.Э.Баумана, 1997.- 671 с.

5. Голдстейн М.Е. Аэроакустика: Пер.с англ. /Под ред.А.Г.Мунина.- М.: Машиностроение, 1981.- 294 е.

6. Гомзиков Э.А., йзак Г.Д. Проектирование противошумового комплекса судов.- Л.: Судостроение, 1981.- 184 е.

7. ГОСТ 19358-74 Автомобили, автопоезда, автобусы, мотоциклы, мотороллеры, мопеды и мотовелосипеды. Внешний и внутренний шум. Предельно допустимые уровни. Методы измерений.

8. ГОСТ 27436-87 Внешний шум автотранспортных средств. Допустимые уровни и методы измерения.

9. ГОСТ 12.1.027-80 ССБТ. Шум. Определение шумовых характеристик источников шума в реверберационном помещении. Технический метод.

10. Гутин Л.Я. Избранные труды.- Л.: Судостроение, 1977.Л Г-iji*»

{ KJ .

- "138 ~

11. Двигатели внутреннего сгорания /Под ред. Л.С. Орли-на.- М.: Машиностроение, 1983.- 375 с.

12. Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания /В.М.Кондратов, Ю.С.Григорьев, В.В.Тупов и др.- М.: Машиностроение, 1990.- 272 с.

13. Иванов Н.И. Борьба с шумом и вибрациями на путевых и строительных машинах.- 2-е изд.- М.: Транспорт,1987.- 223 с.

14. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.- М.: Машиностроение, 1992.- 672 с.

15. йзак Г.Д., Гомзиков Э.А. Шум на судах и методы его уменьшения.- М.: Транспорт, 1987.- 303 с.

16. Инзель Л.И. Основы глушения шума выхлопа двигателей внутреннего сгорания.- М.: Машгиз, 1949.

17. Кане А.Б. Борьба с шумом всасывания дизелей.- М.: Машиностроение, 1969.- 144 с.

18. Клюкин И.И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах.- Л.: Судостроение, 1971.- 416 с.

19. Комкин А.И., Тупов В.В. К расчету акустических характеристик глушителей шума //Вестник МГТУ им.Н.Э.Баумана. Серия "Машиностроение".- 1994.- N3.- се.118 - 124.

20. Комкин А.И., Тупов В.В., Ткаченко Ю.Л., Куличев И.Н. Разработка расчетных методов проектирования глушителей шума транспортных средств : Технический отчет по теме Г93-64/4. -Гос. per. N 01.9.40009684. - М. : МГТУ, 1994. - 43 с.

21. Кутищев М.А., Носко Г.С. Экспериментальное исследование камерных глушителей шума /Тезисы докладов всесоюзного

н&у ЧНО-технически!'U ueMWtictycl ^мешэшегшс шума сшхишибйлей" .

М. : НАШ, 1974.- сс. 74-75.

- 139 -

22. Лопашев Д.З., Осипов Г.Л., Федосеева Е.Н. Шумовые характеристики и методы их определения.- М.: Изд-во стандартов, 1983.- 220 с.

23. Луканин В.Н. Акустические измерения в ДВС.- М.: МАДИ, 1979.- 54 с.

24. Луканин В.Н., Гудцов В.Н., Бочаров Н.Ф. Снижение шума автомобиля.- М.: Машиностроение, 1981.- 158 с.

25. Насонов Н. А. и др. Методология расчета оптимальных соотношений уровней шума отдельных источников при снижении уровней шума автомобилей с учетом экономических затрат. Эй "Конструкция автомобилей" N5.- М.:НИИНавтопром,1979.-сс.5-9.

26. Обзор конструкций выхлопных систем за последние годы /ВЦП СССР.- NE - 38010.- М., 1984.- 24 е.- Пер ст. Eriksson Technical Paper Series, 1982.- N 820622.- p.9.

27. Осипов Б.И. Разработка методов расчетно-экспериментального исследования глушителей автомобильных двигателей: Дисс. канд. техн. наук.- Москва: НАМИ, 1991.- 258 с.

28. РД 37.001.025-85 Руководящий документ. Методы акустических и газодинамических испытаний системы выпуска двигателя на автомобиле.

29. Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука.- М.: МГУ, I960.- 336 с.

30. Скучик Е. Основы акустики: В 2-х томах /Под ред. Л.М.Лямшева.- М.:Мир; Т.1, 1976.- 520 е.; т.2, 1976.- 544 с.

31. Справочник по технической акустике /Под ред. М.Хекла и Х.А.Мюллера.- Л.: Судостроение, 1980.- 437 с.

ж. иредства защиты в машиностроении: Расчет и проектирование: Справочник /С.В.Белов, А.Ф.Козьяков, О.Ф.Партолин и

- 140 -

др.; Под ред. С.В.Белова.- М.: Машиностроение, 1989.- 368 с.

33. Старобинский Р.Н. Теория и синтез глушителей шума для систем впуска и выпуска двигателей внутреннего сгорания: Дисс. докт. техн. наук.- Тольятти: ТПИ, 1982.- 333 с.

34. Терских В.П. Метод цепных дробей.- Л.: Судпромгиз, 1955.

35. Техническая акустика транспортных машин: Справочник /Под ред. Н.И.Иванова.- СПб.: Политехника, 1992.- 365 с.

36. Ткаченко Ю. JI. Акустический расчет глушителей шума поршневых машин /Тезисы докладов научной конференции "XXII Гагаринские чтения", вып.7 секция "Промышленная экология".-М.: МГАТУ им.К.Э. Циолковского, 1996. - сс. 28-29.

37. Ткаченко Ю. Л. Расчет акустического импеданса излучения шума выпускными системами с учетом движения газовой среды / Труды VI сессии Российского акустического общества "Акустика на пороге XXI века". - Москва: АМН, МГУ, РАО, 14-16 октября 1997 г. - сс. 291-293.

38. Ткаченко Ю.Л. Расчет акустической эффективности глушителей шума ДВС матричным методом с учетом характеристик источника и окружающей среды /Деп. рук. ВИНИТИ N 1845-В97 от 05.06.97 г. (реферат в б/у "Депонированные научные работы" N8.- 1997г., б/о N 349) - 8 с.

39. Ткаченко Ю. Л. Расчет спектра акустической эффективности глушителей шума транспортных машин / Тезисы докладов первой московской экологической конференции. - Москва: МГГУ (Горный университет), 24 апреля 1997 г. - сс. 14-15.

. in,a4cnrvU lu. л. imi с мах îihc ь гьис гаидс ли^и-осшу^ oji^ra^ii

тов глушителей шума энергетических установок/ Тезисы докла-

- 141 -

дов научно-технической конференции "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве", секция "Экология". -Москва: МЭИ, 26-27 февраль 1997 г. - с. 168.

41. Ткаченко Ю. Л. Матрицы передачи типовых элементов глушителей с перфорацией, учитывающие движение и физические параметры газовой среды /Деп. рук. ВИНИТИ N 1847-В97 от 05.06.97 г. (реферат в б/у "Депонированные научные работы" N 8.-1997г., б/о N 338) - 17с.

42. Ткаченко Ю. Л. Ряд типовых элементов для синтеза реактивных глушителей шума /Деп. рук. ВИНИТИ N 1846-В97 от 05.06.97 г. (реферат в б/у "Депонированные научные работы" N 8.-1997г., б/о N 355) - 7 с.

43. Ткаченко Ю. Л., Тупов В.В. Расчет спектра акустической эффективности глушителей шума впуска и выпуска ДВС с учетом движения газовой среды /Тезисы докладов научно-технической конференции "Двигатель-97". - Москва: МГТУ им.Н.Э. Баумана, 14-16 октября 1997 г. - сс. 94-95.

44. Тольекий В.Е. Виброакустика автомобиля.- М.: Машиностроение, 1989.- 139 с.

45. Тупов В.В. Исследование шума впуска мотоциклетных двигателей: Дисс. канд. техн. наук.- М.: МВТУ, 1972.- 235 е.

46. Тупов В.В., Геращенко B.C., Плаетинин Ю.В. Разработка средств снижения шума двигателя "Воеход-175-4" и его модификаций, внедрение инженерных методик расчета шума двигателей, создание математической модели глушителей (САПР "Мотоцикл"): Технический отчет по теме 3095182.- Гос. per.

n ууу-iau.- м. : MJ5TJ, 1уоо. ~ iud (j.

47. Тупов В.В., Геращенко B.C. Разработка мероприятий по

- 142 ~

снижению корпусного шума элементов мотоцикла класса 250 см3 и создание глушителей впуска и выпуска: Технический отчет по теме Э092977.- Гос.per. N 77076039.- М.: МВТУ, 1980.- 206 с.

48. Тупов В. В., Комкин А. И., Ткаченко Ю. Л. Математическое моделирование глушителей шума поршневых машин/ Тезисы докладов научно - технической конференции "165 лет МГТУ им. Н.Э. Баумана".- Москва: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 21-23 ноября 1995 г. - с.102.

49. Шапиро Б.К. Основы расчета глушителей шума выхлопа.-М.: Оборонгиз, 1943.

50. Шум на транспорте /Пер. с англ. К.Г.Бомштейна. Под ред. В.Е. Тольского, Г.В. Бутакова, Б.Н. Мельникова.- М.: Транспорт, 1995.- 368 с.

51. Alfredson R.J., Davies P.O.A.L. Performance of Exhaust Silencer Components //Journal of Sound and Vibration.

- 1971.- v. 15, N 2.- p. 175 - 196.

52. Alfredson R.J., Davies P.O.A.L. The Radiation of Sound of an Engine Exhaust //Journal of Sound and Vibration.

- 1970.- v. 13, N 4.- p. 389 - 408.

53. Craggs A.A. Finite - Element Method for Damping Acoustic System an Application to Evaluate the Performance of Reactive Mufflers //Journal of Sound and Vibration. -1976.- v. 48, N 3.- p. 377 - 392.

54. Davies D.D. Theoretical and Experimental Investigation of Mufflers with Comments on Engine - Exhaust Muffler Design /NACA Rep. N 1192.- 1954.

55. Fukuda M. A Study on Characteristics of Cavity Type Muffler //Bulletine of JSME.- 1969.- v.12, N 50.

- 143 -

56. Ingard U., Singhal V.K. Upstream and Downstream Sound Radiation into a Moving Fluid // Journal of the Acoustical Society of America.- 1973.- v.54, N 5.- pp. 1343 - 1346.

57. Jones A.D. Modelling the Exhaust Noise Radiated from Reciprocating Internal Combustion Engines - A Literature Review // Noise Control Engineering Journal. - 1984. - v.23, N 1.- pp. 12 - 31.

58. Kluge M. Problem der Dampfung des Auspufschalles der Kraftfahrzeugmotoren //Automobiltechnishe Zeitschrift.-1933.- Heft 9} N4.

59. Martin H. Leistungs - und Dampfungstudien an Abgasanlagen in Akustiken Filtern bei Grossen und Kleinen Druckamplituden //Sonderdruck VDJ - Berichte.- 1959.- Bd 35.

60. Munjal M.L. Exhaust Noise fnd Its Control. A Review //The Shock and Vibration Digest.- 1977.- v.9, N 8.- pp.21 -32.

61. Munjal M.L. Velocity Ratio-cum-Transfer Matrix Method //Journal of Sound and Vibration.- 1975.- v.39, N l.~ pp.105-109.

62. Ross D.F., Crocker M.J. Measurement of the Acoustic Internal Impedance of an Internal Combustion Engine //Journal of the Acoustical Society of America.- 1983.-v.74, Ml.- pp. 18 - 27.

63. Singh R., Soedel An Efficient Method of Measuring Impedances of Fluid Machinery Manifold //Journal of Sound and Vibration.- 1978.- v.56, Ml.- pp.105-125.

64. Stewart G.W. Acoustic Wave filters //The Physical

Review.- 1922.- v.XX, N 6.- pp. 528 - 551.

65. Sullivan J.W., Crocker M.J. Analysis of Concentric Tube Resonators Having Unpartitioned Cavities // Journal of the Acoustical Society of America.- 1978.- v. 64, N 1.- pp. 772 - 788.

66. Thawani P.T., Hoops R.H. An Improved Perforation Impedance Model for Plug and Resonator Type Silencers /Proceeding's of the Noise Conference 85.- Ohio State University, Columbus, Ohio.- 1985 June 3-5.- pp. 253-260.

67. Young G.I.J., Crocker M.J. Prediction of Transmission Losses in Mufflers by the Finite - Element Method // Journal of the Acoustical Society of America.- 1975.- v. 57, N 1.-pp.144-148.