§ 36. Глушители шума

Для снижения шума аэрогазодинамических установок, попадающего в окружающую среду по газовоздушному тракту, применяются глушители шума. Выбор типа глушителя зависит от ряда факторов, главными из которых являются: спектр шума источника, величина требуемого снижения шума, конструкция заглушаемой установки и условия ее работы, допустимое аэродинамическое сопротивление, стоимость глушителя.

Глушители обычно подразделяются на абсорбционные (активные) и реактивные. Первые содержат звукопоглощающий материал - в них происходит поглощение звуковой энергии; вторые не содержат такого материала, звуковая энергия в них отражается обратно к источнику шума. Такое подразделение весьма услов но, поскольку в каждом глушителе звуковая энергия и поглощается, и отражается, только в разных соотношениях.

Схемы наиболее распространенных конструкций глушителей абсорбционного типа приведены на рис. 78. Эти глушители обеспечивают необходимое снижение шума в широком диапазоне частот при небольшом аэродинамическом сопротивлении, поэтому они нашли широкое применение в вентиляционных, компрессорных, газотурбинных установках, на стендах испытания двигателей. Наиболее простыми из них являются трубчатые глушители (рис. 78, а, б), в которых каналы 1 круглого, квадратного или прямоугольного сечений, выполненные из перфорированного листового материала с коэффициентом перфорации не менее 0,2, облицованы слоем 2 звукопоглощающего материала (супертонкое стеклянное или базальтовое волокно плотностью р=25 кг/м³, минераловатные плиты, р=100 кг/м³), защищенного слоем стеклоткани для предотвращения выдувания. Трубчатые глушители, как правило, применяются в каналах с поперечными размерами до 500 мм (вентиляционные, компрессорные и другие установки).

Рис. 78. Схемы глушителей абсорбционного типа: а и б - трубчатые глушители; в - пластинчатый глушитель; г и д - глушители с цилиндрическими звукопоглотителями

Толщина звукопоглощающей облицовки обычно составляет 50-100 мм. Глушитель делают в виде одной или нескольких секций. Пластинчатые глушители (рис. 78, в) представляют собой набор звукопоглощающих пластин 3, установленных параллельно вдоль канала, и разбивающих его тем самым на отдельные каналы меньшего поперечного сечения, что позволяет увеличить затухание шума на единицу длины канала. Пластины обычно выполняются двух видов: в виде щитов с наружными перфорированными стенками, внутри которых находится слой звукопоглощающего материала (стеклянного или базальтового волокна, минераловатных плит) в виде матов, с защитной оболочкой из стеклоткани и в виде пластин-перегородок, выполненных из звукопоглощающих бетонных блоков. Выбор звукопоглощающего материала для абсорбционных глушителей шума, в том числе и пластинчатых, зависит от условий эксплуатации глушителей (температуры, влажности, запыленности и т. д.), поэтому, например, в крупных вентиляционных установках шахт, рудников, тоннелей нашли широкое применение глушители из бетонных блоков [30]. Пластинчатые глушители широко применяются в вентиляционных установках общепромышленного назначения, в компрессорных, газотурбинных установках, в шахтах всасывания и подсоса воздуха боксов испытаний турбореактивных двигателей и т. д. Толщина пластин и расстояние между ними зависят от спектра шума и располагаемого противодавления, поэтому для снижения высокочастотного шума применяются пластины толщиной 50-100 мм, а средне- и низкочастотного - 200-600 мм.

Глушители шума с цилиндрическими звукопоглотителями делаются двух видов. В первом из них (рис. 78, г) звукопоглощающими элементами являются цилиндры 4 диаметром 0,2 м и длиной 1 м из перфорированного металла или сетки, заполненные керамзитовой крошкой. Цилиндры устанавливают равномерно по сечению шахты 5 в несколько рядов (секций) по высоте. Эти глушители применяются чаще всего для снижения шума выхлопа в боксах для испытания ТРД.

В глушителях второго типа (рис. 78, д) звукопоглощающим элементом служит один большой перфорированный цилиндр 6 диаметром 1,5-2 м и высотой 6-8 м, заполненный керамзитовым гравием и установленный в железобетонном корпусе 7. Такие глушители применяются в основном для снижения шума небольших аэродинамических труб, обеспечивая уменьшение шума 25-30 дБ в широком диапазоне частот.

Необходимая площадь свободного сечения абсорбционного глушителя F_св определяется в зависимости от допустимой скорости Шдоп воздуха или газовоздушной смеси в глушителе из соотношения F_cв ≥ Q_v/ω_доп, где Q_v - объемный расход воздуха или газовоздушной смеси, м³/с, проходящих через глушитель. Обычно значения ω_доп принимаются в пределах 5-10 м/с, в глушителях всасывания компрессорных, газотурбинных установок, испытательных боксов ТРД порядка 10-15 м/с. В выхлопных системах скорости могут быть больше, до 20-40 м/с. В любом случае скорость должна быть такой, чтобы аэродинамическое сопротивление глушителя не повлияло на работу заглушаемой установки. Снижение шума ΔL_гл за счет установки глушителя (так называемый эффект установки глушителя или просто эффективность) должно быть не меньше величины ΔL_тp во всех частотных полосах. Выбор конструкции глушителя с необходимой эффективностью ΔL_гл производится по экспериментальным данным, приведенным в нормативно-справочной литературе [7, 8]. В частности, эффективность трубчатых глушителей круглой формы или равновеликих им по площади свободного поперечного сечения глушителей квадратной или прямоугольной формы при скорости потока до 10 м/с может быть определена по табл 46.

Величины ΔL_гл для конструкций ряда пластинчатых глушителей приведены в табл. 47, а для глушителей с цилиндрическими звукопоглотителями - в табл.48 [7].

Нужно отметить, что снижение эффективности цилиндрических глушителей на высоких частотах при увеличении скорости потока от 20 до 40 м/с объясняется вторичным шумообразованием в глушителе. Это явление характерно и для других конструкций глушителей абсорбционного типа.

В литературе часто приводятся данные по затуханию шума на 1 м длины трубчатого или пластинчатого глушителя. В этом случае эффективность всего глушителя определяется по формуле

ΔL_гл=ΔL₁l+δ, (38)

где δL₁ - затухание шума на 1 м длины глушителя, дБ/м; l - длина глушителя, м; δ - поправка на диффузность звукового поля на входе в глушитель, учитывающая более интенсивное затухание шума в начальной части. Величина δ определяется по графикам (рис. 79) в зависимости от отношения √F/λ, где F - площадь поперечного сечения канала в трубчатом глушителе, а в пластинчатом - площадь канала, образованного двумя соседними пластинами; λ - длина звуковой волны, м, определяемая как λ=с/f (с - скорость звука, которая зависит от температуры с=20,1√T, где T - температура воздуха или газовоздушной смеси, К; f - частота звука). Используя выражение (38), определяется требуемая длина глушителя во всех восьми октавных полосах и в качестве проектной принимается максимальное значение из полученных.

Рис. 79. Графики для определения поправки б для глушителей: а - трубчатых; б - пластинчатых; 1 - для пластин толщиной 100-200 мм; 2 - 400 - 600 мм

Глушители реактивного типа применяются в основном для снижения шума с резко выраженными дискретными составляющими, свойственного для двигателей внутреннего сгорания, поршневых компрессоров и других установок. Они устанавливаются

В трубопроводах cравнительно небольших размеров, когда длина волны заглушаемого звука значительно больше характерного размера, например диаметра трубопровода.

Наиболее распространенные конструкции реактивных глушителей показаны на рис. 80. Камерный глушитель (рис. 80, а) представляет собой внезапное расширение участка трубопровода. Величина заглушения в однокамерном глушителе может быть определена, используя графики рис. 80,6, где m=F₂/F₁ - отношение площади поперечного сечения камеры расширения к исходной площади; k=2πf/c - волновое число, 1/м; f и с - частота и скорость звука; l_к - длина камеры расширения, м. Максимальное заглушение обеспечивается на частоте, при которой четверть длины волны равна длине l_к, причем максимумы повторяются при нечетных числах четвертей волны (n λ/4, где n=1, 3, 5, ...).

Рис. 80. Схемы глушителей реактивного типа: а - камерный глушитель: б - графики для расчета заглушения при m: 1-4; 2-9; 3-16; 4-25; 5-49; 6-1000; в - резонатор с боковым расположением; г - концентричные резонаторы; д - графики для расчета заглушения одиночными резонаторами при √kV/2F; 1-0,1; 2-1; 3-10; 4-100; 5-1000

Резонансные глушители - это объемы с жесткими стенками, сообщающиеся с трубопроводом через отверстия, причем эти объемы могут быть выполнены ответвленными (рис. 80, в) или концентричными (рис. 80, г). Собственная частота резонатора f_p, которая должна быть равна основной частоте заглушаемого шума,

f_p=c/2π√K/V

где K = F/(l+0,8d) - проводимость горловины (отверстия) соединяющего трубопровод с резонансной камерой объема V, м³; d, l и F - соответственно диаметр, длина и площадь поперечного сечения горловины или отверстий, м и м².

Снижение шума однокамерным резонатором может быть определено (рис. 80, д) в зависимости от параметра #8730KV/2F, где F - площадь трубопровода, м². Для расширения частотного диапазона заглушения делаются многокамерные резонаторы, причем каждая камера рассчитывается на свою резонансную частоту.

Для обеспечения эффективности снижения шума двигателей внутреннего сгорания глушители для них делаются в виде набора различных шумоглушащих элементов реактивного типа, что обеспечивает широкополос-ность работы таких глушителей.

На практике получили распространение глушители, работающие одновременно и как абсорбционные, и как реактивные, например камерные глушители с облицованной звукопоглощающим материалом внутренней поверхностью камеры (рис. 81,а). При размерах камеры, больших длины звуковой волны максимума заглушаемого звука, ΔL_гл= 10lg αF_к/F, где α - коэффициент звукопоглощения материала, наносимого на внутреннюю поверхность камеры площадью F_к, F - площадь подводящего канала.

Рис. 81. Схемы комбинированных глушителей: а - камерные глушители со звукопоглощающей облицовкой; б - экранные глушители; в - комбинированный глушитель; 1 - резонаторы; 2 - цилиндрические звукопоглотители

Экранные глушители (рис. 81,6) могут устраиваться на выходе из канала в атмосферу или на входе в канал. На низких частотах экран практически не оказывает действия на излучаемый шум. На высоких частотах эффективность его установки составляет 10-25 дБ, причем максимальный эффект наблюдается в осевом направлении. Большое значение имеет расстояние экрана до канала и диаметр экрана чем ближе экран расположен и чем больше его диаметр, тем эффективней его установка. Диаметр экрана принимается обычно в два раза большим, чем диаметр канала. Что же касается расстояния экрана от конца канала, то здесь требования акустики приходят в противоречие с требованиями аэродинамики, так как при слишком близком расположении экрана резко увеличивается гидравлическое сопротивление. Поэтому при установке экранов приходится находить оптимальное решение.

В ряде случаев глушитель шума делается комбинированным, т. е. состоящим из двух глушителей - абсорбционного и реактивного, каждый из которых рассчитан на снижение шума в определенной полосе частот. Так, авторами был разработан и внедрен подобный глушитель для снижения шума выхлопа бокса для испытаний дизелей. Глушитель состоит (рис. 81,в) из концентрично расположенных резонаторов 1, рассчитанных на низкие частоты, и цилиндрических звукопоглотителей 2, размещенных внутри выхлопной трубы и предназначенных для снижения средне- и высокочастотного шума. Установка такого глушителя позволила снизить шум в жилой застройке до нормативных величин.

В последние годы начинают получать все большее распространение глушители с так называемой последовательной фрикцией (рис. 82), когда звук с потоком воздуха проходит через слой пористого материала, в качестве которого используется гравий или щебень (в установках со сбросом воздуха, рис. 82, а), проницаемые материалы типа поропласта, керамики (для сброса небольших количеств воздуха, рис. 82,6).

Рис. 82. Глушители с последовательной фрикцией: а - в каналах установок со сбросом воздуха; б - в выхлопных элементах установок

Естественно, что подобные глушители имеют достаточно высокое аэродинамическое сопротивление, поэтому их применение возможно лишь в установках, где противодавление глушителя не оказывает особого влияния на работу заглушаемой установки.