• Выпуски
  • Основные выпуски
  • Приложения
• Авторам
  • Правила публикации статей
  • Технические требования
  • Оплата
  • Лицензионный договор
  • График публикаций
• Редакционный совет
• Публикационная этика
• О журнале
  • Общая информация
  • Список авторов
  • Контакты
• Издательство МЦИТО

Редакционно-издательские услуги Международные публикации Бесплатные вебинары

Альпин Александр Яковлевич,доктор технических наук, профессор, лауреат премии Правительства Российской Федерации, заслуженный конструктор Российской Федерации, почетный судостроитель Российской Федерации, Северодвинский филиал НОУ ВПО Институт управления»

Создание шумозаглушающих устройств высокой эффективности

с использованиемэффекта рефракции

Аннотация. Статья посвящена вопросам рефракции звуковой волны в узком канале в среде с изменяющейся скоростью звука, в частности иззадвижущейся среды. При этом могут увеличиватьсяколебательныескоростиу стенок канала с соответствующим шумозаглушением. Этот эффект шумозаглушения использован для создания шумозаглушающих устройств.Ключевые слова:рефракция, шумозаглушение, звуковая волна.

На ОАО ПО Севмаш» (г.Северодвинск)были разработаны, изготовлены и испытанымалошумные дроссели, предназначенные для бесшумного снижения давления жидкости в трубопроводе. Они не должны были снижать шум от других источников. Этот дроссель состоял из пакета тонких гофрированных пластин, установленных в потоке. При уменьшении расстояния между пластинами гидравлическое сопротивление увеличивалось,и давление за дросселем уменьшалось. Это происходило бесшумно, в отличие от снижения давления обычным клапаном. Бесшумность работы дросселя подтверждалась показаниями установленного за дросселем гидрофона, который показывал только шум насоса, создающего поток воды в трубопроводе.С дросселем в трубопроводе шум насоса был также слышен, как и без дросселя. Затем испытывалось устройство, состоящее из двух последовательно установленных дросселирующих пакетов. При этом был установлен неожиданный факт. Гидрофон практически не регистрировал шум насоса,т.е. сдвоенный дроссель оказался эффективнейшим глушителем гидравлического шума насоса.Таким образом неожиданно был обнаружен значительный шумозаглушающий эффект.Этот поразительный факт был неоднократно проверен,в том числе,в присутствии известных специалистовакустиков из ЦНИИ имени акад. А.Н.Крылова(СанктПетербург). Также специалистыиз Акустического института (Москва), не моглиопределить причины этого явления.В результате наших многолетних исследований на ОАО ПО Севмаш» была разработана изложенная в этой статье теория пульсирующего движения потока жидкости в узком канале. По этой теории нами был разработан принцип создания шумозаглушающих устройств высокой эффективности с использованиемэффекта рефракции(патент РФ №2003915)[1]и коллективом конструкторов на указанном предприятии были спроектированынесколько типов этих устройств,показанных в настоящей статье.Например, при испытании глушителя шума выхлопадвигателяавтомобиля, была получена более высокая шумозаглушающая эффективность, а при этом гидравлическое сопротивление глушителя было в несколько раз меньше, чемусуществующего глушителя. Поэтому мощность автомобиля увеличивается примерно на 35%! Нами были предприняты попытки внедрить этот глушитель, но,вероятно,они были малоэффективными.Следует полагать, что настоящая статья будет способствовать внедрению и развитию заложенных в ней идей.В малошумном дросселе сочетались два вида движения: стационарный ламинарный поток жидкости с параболическим распределением скорости по сечению канала между пластинами, на который накладывалось пульсирующее движение звуковой волны. В литературе рассматривались вопросы сочетания движения звуковой волны в пространстве с изменяющимися параметрами, влияющими на скорость звука. Например, в Теории звука» лорда Рэлея [2] исследовались вопросы рефракции (отклонения)лучей звуковых волн в атмосфере с указанными изменяющимися параметрами, в т.ч. под действием ветра. В работе излагались исследованияРейнольдса и других ученых по этому вопросу, в частности,объяснялся известный эффект изменения слышимости звука с подветренной и наветренной стороны. Вопросы рефракции рассматривались также в книге Г. Лэмба Динамическая теория звука» [3]. В этой литературе выводились уравнения движения звуковых лучей, но теории диссипации энергии, достаточной для поясненияэффекта, полученного при испытании дросселей, там не было. В книге Д. И. БлохинцеваАкустика неоднородной движущейся среды» [4]решалось множество задач, связанных с рефракцией в атмосфере (хотя термин рефракция» не применялся), но из фундаментальных уравнений движения была исключена вязкость, что для решенияуказанных задач было допустимо, хотя и исключало диссипацию энергии, что для нашей задачи неприемлемо.Теоретически обнаружить новый эффект, способствующий шумозаглушению, помог метод решения уравнений НавьеСтокса, разработанный автором и изложенный в этой статье. Этот метод учитывает особенности пульсирующего движения жидкости в пространстве с изменяющимися параметрами, которые влияют на скорость распространения волны.В статье рассматривается волна малой амплитуды, которая обычно называется звуковой. Эта волна характеризуется скоростью распространения, колебательной скоростью,давлением,фронтом волны и направлением колебательной скорости (звуковым лучом).Известно, что в обоснованных случаях при решении уравнения НавьеСтокса добавляются некоторые дополнительные уравнения (условия), например, уравнение энергии. В данном случае нами к уравнению НавьеСтокса добавлено условие, что направление колебательной скорости всегда перпендикулярно фронту волны. Это соответствует физике процесса иизуравненияНавьеСтокса не следует.Подробнее остановимся на физических основах перераспределения уровней колебательных скоростейпри сложении колебательной скорости и переменной по сечению каналаскорости стационарного потока.На рис.1и рис.2 показан канал, в котором с переменной по сечению скоростью u0движется стационарный поток (или близкий к стационарному) жидкости или газа. В этом жеканале движется звуковая волна, имеющаясоставляющиеколебательнойскорости u и v.На рис.1

направление движения потока и волны совпадают. На рис.2–они противоположны.

Рис.1 Постепенное искривление фронта звуковой волны по мере ее движения в узком канале в связи с неравномерным ее переносом стационарным потоком, движущимся с различной по сечению канала скоростью u0. Направления движения звуковой волны и стационарной скорости совпадают.

При наложении звуковой волны на стационарный поток, имеющий, например, параболическое распределение скорости u0по сечению канала, в нем изза переносной скорости потока будет возникать смещениефронта волны относительно поперечного сечения канала. В частности на оси канала это смещение будет

(1)где:u0мах–максимальная переносная скорость потока на оси канала;с–скорость распространения волны; t–время, за которое звук пройдет расстояние хпо оси канала.

Рис. 2. Постепенное искривление фронта звуковой волны по мере ее движения в узком канале в связи с неравномерным ее переносом стационарным потоком, движущимся с различной по сечению канала скоростью u0. Направления движения звуковой волны и стационарной скорости противоположны.

При произвольном y–расстоянии от стенок канала, будем иметь





(2)

Очевидно, что при (у стенок канала) –

Из формул (1) и (2) следует, что фронт волны не плоский (см. рис.1 и рис.2), как для случая совпадения направлений потока и фронта волны, так и для случая противоположных направлений распространения фронта и потока. Смещение фронта волны относительно стенок может быть положительным, если направления волны и смещение фронта волны совпадают(рис.1) или отрицательным, если направления волны и смещение фронта волны противоположны(рис.2). Устанавливаем положительное направление оси х, совпадающим с направлением потока. Учитывая это, скорость перемещения фронта волны будет иметь положительный знак для случая совпадения направлений распространения фронта и потока и отрицательный –для случая с противоположных направлений фронта и потока.Очевидно, что если переносная скорость потока в канале имеет параболический закон распределения в зависимости отy, то и фронтпостепенно приметпараболическую форму.Поскольку звуковая волна распространяется перпендикулярно к фронтуволны, то её колебательная скоростьнаправленапод углом к оси x. Следовательно,составляющиеколебательной скорости поосямxи yпредставляют собой две бегущие волны с колебательными скоростями uи v, которые можно связать соотношением







(3)где

угол касательной к кривой равной углу наклона колебательной скорости к оси х.Учитывая, что при сложении колебательного движения и переменного в пространстве стационарного движения возникает изменение направления колебательной скорости, то в данном процессе возникает эффект рефракции звуковой волны. Этот эффект может возникать и при других условиях изменения параметров пространства, влияющих на скорость распространения волны, например, припеременных удельных массах или жесткости среды.Уравнение НавьеСтокса для движения несжимаемой жидкости в плоском канале малой высоты (по сравнению с длиной) и при неизменяющихся скоростях по ширине канала имеет вид



(4)где u1и v1–суммарные скорости потока и волны в направлениях осей х(параллельно оси канала) и yв данный момент времени tи 

кинематическая вязкость.Представляем каждую скорость u1и v1, и давление p1, состоящие из двух составляющих: стационарной u0,v0иp0и нестационарной u, v иp. Тогда уравнение (1) будет

(5)С учетом условий установившегося движения в канале и ламинарности стационарного потокаv0 0 и ,а также учитывая, что ввиду малости этой величиной можно пренебречь. После преобразования получим



(6)Первое выражение в скобках есть уравнение для стационарного движения и это выражение равно 0. Вторымвыражениемв скобках можно пренебречь, поскольку оно содержит члены, величины которых, ввиду малости колебательных скоростей по сравнению со стационарными,на несколько порядков меньше, чем у остальных. Полагая, что колебания скоростей и давления гармонические и имеют вид





(7)где , ,

амплитуды соответствующих величин.После дифференцирования, уравнение для гармоническогоколебательного движения, наложенногона стационарное движение в канале,будет



(8)

Учитывая граничные условия: при , где h

полувысота канала, а также уравнение неразрывности и соотношение (3), исходное уравнение (8) было решено приближенным способом.Результаты расчета по этому решению приведены на рис.3а,б. Там показано распределение колебательной скорости по сечению канала. Как видно из рис.3б, где направление движения фронта волны совпадает с направлением стационарной скорости, распределение колебательной скорости1на входе в канал имеет такой же вид, как и в неподвижном потоке. Колебательный расход соответствует параболическому закону распределения колебательной скорости. Активное сопротивление прохождению волны будет пропорционально котангенсу угла 1. На определенном расстоянии от входа в канал распределение колебательной скорости 3 будет иным. Колебательный расход там будет иметь место в основном в центре канала, а у стенок канала колебательные скорости и соответствующая величина сил трения о стенки при прохождении волны будут малыми, что соответствует котангенсу угла 2. Как видно из рис.3а, где направление движения фронта волны несовпадает с направлением стационарной скорости, на входе в канал имеет место такое же распределение колебательной скорости 1, как и в случае, показанном на рис.3б, но на некотором расстоянии от входа в канал распределение колебательной скорости имеет более равномерный характер по сечению канала, чем в случае, показанном на рис.3б, и угол 2много больше, чем угол 1. При этом у стенок канала создаются высокие градиенты колебательной скорости, которые вызывают высокую диссипацию колебательной энергии и соответствующие потери звукового давления. Кривые 2 на рис.3а,б –промежуточные между кривыми 1 и 3.Следует отметить, что в [5], спрямление эпюры звуковых скоростей (увеличение скоростей у стенки и соответствующее их уменьшение в центральной части) объясняется возникновениемтурбулентности, вследствие возбуждения стационарного потока колебаниями жидкости. Можно предположить, что объяснение это не верно, так как числа Рейнольдса в его эксперименте были очень далекими от критических, а теоретический вывод в его работе содержит ошибки. Такая неточность указывает на недостаточную известность влияния эффекта рефракции на процесс перераспределения уровней колебательных скоростей в каналах.Учитывая рассмотренный эффект потерь звукового давления при наличии в них стационарного потока, направленного против движения звуковой волны, можно конструировать эффективные глушители гидродинамического шума в трубопроводах и другие глушители шума, а используя обратный эффект прохождение волны каналах с очень малыми потерями (рис. 3б) конструировать эффективные проводники и усилители звука. Аналогичные эффекты могут быть достигнуты и в неподвижной среде при определенном законе изменения жесткости или плотности среды [1].

Рис. 3. Распределение модуля колебательной скорости в звуковой волне по сечению плоского канала при наличии в нем установившегося потока. Изменение этого расстояния вызвано эффектом рефракции.1 расстояние от входа в канал: х 0 м; 2 расстояние от входа в канал: х= 0,01 м;3 расстояние от входа в канал: х 0,05 м;Частота звуковой волны: f 100 Гц; высота канала: h 0,3х103м; среда пресная вода при температуре 20˚С; средняя скорость стационарного потока: 1,25 м/с.а) Направление колебательной и стационарной скоростей совпадают; б) направление колебательной и стационарной скоростей противоположны.

Таким образом, на основе приближенного решения уравнения НавьеСтокса с учетомсложения колебательного и стационарного движения жидкости с переменными по сечению скоростями стационарного потока сделан анализ физических процессов в каналах. Установлено, что там возникает перераспределение уровней колебательных скоростей по сечению канала. Возникают местные высокие уровни скоростей. Они могут быть в центральной или у пристенной области каналов. Фронт волны становиться неплоским и изменяется направление звуковых лучей, т.е. возникает эффект рефракции звука. Показана принципиальная зависимость этого перераспределения от сочетания направлений стационарного потока и волн, и, в зависимости от этого сочетания, возникновение очень больших или очень малых активных сопротивлений в каналах при прохождении волн. При этом если направления волны ипотока совпадают, то высокие уровни колебательных скоростей образуются в центре канала, т.е. активное сопротивление очень маленькое и волна, практически не касаясь стенок, беспрепятственно проходит через канал. А если направления волны и потока противоположны, то высокие уровни колебательных скоростей звука возникают у стенок канала, так как изза трения о стенки канала звук гаснет, т.е. активное сопротивление является очень высоким.Из приведенных объяснений совершенно ясно, почему один пакет не является препятствием для прохождения звука при совпадении направлений волны и стационарного потока. Роль второго пакета заключается в том, что он является отражающим элементом для узких струй звуковой волны, выходящих из первого пакета, поскольку реактивное сопротивлениевторого пакетадля неплоской звуковой волны является очень высоким. Отраженная волна в первом пакете направлена против движения стационарного потока.Тамона преобразуется и высокие колебательные скорости возникают у стенок каналов и звук гаснет.Выявлено, что второй пакет является фильтром, отражающим волновую составляющую потока и пропускающимтолько стационарную. Поскольку колебательные скорости звуковой волны на несколько порядков меньше, чем стационарного потока, то на гидравлическое сопротивление второй пакет практически не оказывает влияния.Обосновано приложение этого анализа к техническим целям. При этом также использован эффект, подобный рефракционному и возникающий в неподвижной среде при изменении скорости распространения волн не в связи с неодинаковой переносной скоростью потока по сечению канала, а изза изменения физических свойств среды (жесткости, плотности). Способ, на основе которого разработаны эти приложения, запатентован автором [1].По аналогии с другими явлениями, обнаруженнымив работе, прогнозируется возможность усиления звука в центральной части затопленных струй и, в частности, в кильватерных струях, создаваемых винтом судна или реактивным двигателем самолета.Имеется несколько работ, в которых рассматриваются вопросы, близкие к тематике данного исследования: эксперименты, выполненные Мехелем и Мертенсом [6] в 3м физическом институте Геттинского университета; описание этого процесса искривление звукового луча при движении потока в канале в работе Хекла и Мюллера [7], а также эксперименты, приведенные в работе Ричардсона [5].

О создании глушителя шума выхлопа двигателей.Для автомобиля РАФ производства Рижского автомобильного завода с двигателем автомобиля “Волга” был изготовлен новый глушитель. Главной целью, которая ставилась при создании нового глушителя, было снижение его гидравлического сопротивления при сохранении шумозаглушающей эффективности.Сравнение штатного и нового глушителя по шумозаглушающей эффективности показало, что его эффективность на низких частотах выше штатного на 46 дБ, а на средних и высоких эффективности оказались одинаковыми. Что же касается гидравлического сопротивления, то оно при номинальных расходах (сравнительные испытания гидравлического сопротивления производились на специальном стенде воздухом при температуре 200С) у нового глушителя оказалось меньше, чем у штатного в 3,5 раза. Следовательно, применение нового глушителя снижает расход топлива не менее, чем на 3%.

О создании глушителя шума в трубопроводах для жидкой средыБыла изготовлена и испытана конструкция глушителя шума в воде, протекающей в трубопроводе [1]. Схема конструкции аналогична конструкции глушителя шума автомобиля. Скорость воды в каналах глушителя 1,5 м/с. Высота каналов 0,3 мм, общая длина каналов 100 мм.Эффективность этого глушителя составляет 2030 дб (см. рис.4, где кривая1 –без глушителя; кривая 2 –с глушителем.).

Рис. 4. Эффективность глушителя шума в трубопроводах для жидкой среды.

О создании шумозаглушающих панелей для производственных помещенийНа рис. 5 показаны коэффициенты звукопоглощения для двух видов звукопоглощающих панелей толщиной 50 мм. Одна (кривая 3) поролоновая, другая (кривые 1 и 2) новой конструкции [1]. Как видно из кривых на рис. 5, новая конструкция шумозаглушающих панелей в области низких и средних частот существенно эффективнее поролоновой.

Рис. 5. Коэффициенты звукопоглощения для различных видов звукопоглощающей панели.

О создании глушителя воздушного шума для системы вентиляцииНа рис. 6 показаны результаты испытаний глушителей, в которых осуществлен свободный проход воздуха и отсутствует поток воздуха в шумозаглушающих элементах, расположенных вокруг перфорированной внутренней трубы глушителя [1] (устройство глушителя новой конструкциисхематическипоказанное на рис. 6).В этих шумозаглушающих элементах достигается тот же рефракционный эффект перераспределения колебательных скоростей и связанные с ним активные потери звукового давления, но непри стационарном движении среды против направления волны, апутемизменения физических свойств среды(жесткости) по сечению указанных элементов, состоящих из набора пластин и поролона. Как видно из кривых на рис. 6 эффективность нового глушителя составила 1530 дб, по сравнению с эффективностью 512 дб у глушителя традиционной конструкции. Представляет интерес область 250Гцна рис.6, где наблюдается некоторое снижение эффективности нового глушителя. Как показали исследования, причиной этого факта являются резонансные явленияза набором пластин.Эти резонансымогут быть устранены. До выяснения причиныдефектапри испытании другого типоразмера снижение эффективности в области средних частот было настолько значительным, что новый глушитель потерял свои преимуществапо сравнению с традиционной конструкцией, что помешало его внедрению в серийное производство. В настоящее время таких препятствий нет.

Рис. 6. Результаты испытаний глушителей воздушного шума для систем вентиляции.Таким образом, в настоящей статье раскрыт новый метод создания шумозаглушающих устройств высокой эффективности. Автор полагает, что этот метод является только началом исследования этого интересного технического вопроса. Неисследованныхтеоретических элементов остается еще очень много и автор желает читателю больших успехов в продолжении этой работы.



Ссылки на источники1.Альпин А.Я. Способ гашения звуковых волн в различных средах. Пат.RU2003915, 19892.РэлэйДж. В. Теория звука. Том 2. Государственное издательство техникотеоретической литературы, М., 1955.3.ЛэмбГ. Динамическая теория звука. Государственное издательство физикоматематической литературы, М., 1960.4.БлохинцевД.И. Акустика неоднородной движущейся среды. М., Наука, 1981.5.Ричардсон. Динамика реальных жидкостей. М.: Мир, 1965.6.Meshel F., Mertes P. Schollusreitu i sorireol usekeidete Strömuskäle ei home windeschwindigkeiten. Austica, 13, 1963, 154...165.7.Хекла М., Мюллер Х.Д., Справочник по технической акустике. Судостроение, СПб., 1980.

Alexandr Alpin,Doctor of Technical Sciences, professor, Institut of Management (Archangelsk, Russian Federation), Severodvinsk Branch, Laureate of Russian Federation Government prize, Honoured constructor of Russian Federation, Honorary Shipbuilder of Russian Federation.Building of higheffective soundsuppressing devices using the effect of refractionAbstract. Scientific article is devoted to the problems of refraction of the sonic waves in the narrow channel, in the medium with variable velocity of sound. At the same time vibrational speeds near channel walls can increase with relevant soundsuppressing. This soundsuppressing effect is used for building of soundsuppressing devices.Keywords: refraction, soundsuppressing, velocity of sound.