Определить уровень механического шума двигателя мощностью 50кВт с частотой вращения 3000 об/мин.
Теоретические сведения:
Шум автомобилей, механизмов и машин с двигателями мешает работе и отдыху людей. Он вредно воздействует на органы слуха и нервную систему операторов машин, снижает производительность труда, мешает восприятию полезных звуковых сигналов, человеческой речи.
Обычно нормируется внешний и внутренний шум машины.
Уровень шума двигателя может служить показателем качества машины, культуры производства и применяемой технологии, его отдельные характеристики используют в качестве диагностических параметров.
Шум двигателя представляет собой акустическое излучение, производимое им при работе. Его изучением и оценкой занимается акустика - область физики о звуке, т.е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твердых телах, слышимых человеческим ухом. Шум представляет собой звук с набором составляющих различной частоты.
Важнейшими характеристиками звука являются:
. Звуковое давление (р) - переменная часть давления, возникающая при прохождении звуковой волны в среде; только эта величина воспринимается человеческим ухом.
. Сила звука (I) - количество звуковой энергии, прошедшее через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения звука, Вт/м2;
. Звуковая мощность (W) - общее количество энергии, излучаемой двигателем в окружающее пространство в виде звука и прошедшей через поверхность полусферы радиуса r в единицу времени, Вт;
. Уровень звукового давления - десятичный логарифм отношения силы звука к пороговому значению I0=10-12 Вт/м2 или двадцатикратный логарифм отношения звукового давления к пороговому значению р0=2×10-5 Па. Его измеряют в децибелах (дБ):
|
=10lg(I/I0)=20lg(p/p0).
. Уровень звуковой мощности - величина
= 10lg(W/W0),
где пороговое значение W0 = 10-12 Вт.
Человеческое ухо неодинаково воспринимает один и тот же уровень звукового давления в диапазоне частот 10... 20000 Гц. Поэтому для приближения оценок субъективного восприятия звуков различной частоты их корректируют по частоте, а полученную величину называют уровнем звука (шума) и выражают ее в децибелах.
Современные поршневые двигатели автомобилей и дорожно-строительных машин на номинальном режиме излучают 2...3 Вт акустической мощности, а на расстоянии 1 м вокруг работающего на стенде двигателя уровни шума составляют от 104 до 120 дБ.
Спектр шума двигателя характеризует распределение энергии его излучения по частотному диапазону. Акустическое излучение двигателя сосредоточено в области от 20 до 8000 Гц.
Источники и излучатели шума двигателя. Причинами возникновения шума в двигателе являются:
аэродинамическое взаимодействие газовой среды на входе в двигатель и выходе из него, а также движущихся тел (вентилятора) с газовой средой;
взаимодействие колеблющихся поверхностей двигателя с окружающей средой.
Источниками шума двигателя являются процессы, одновременно или последовательно возникающие при осуществлении рабочего цикла.
При впуске из области перед горловиной впускного патрубка происходит всасывание воздуха, в результате чего возникает акустическое излучение, которое называют шумом впуска, а излучаемую при этом акустическую мощность обозначают Wвп. При движении по впускному тракту свежий заряд будет взаимодействовать со стенками и другими элементами конструкции и вызывать их колебание, что также будет создавать шум.
|
При сжатии, сгорании и расширении энергия подводится к деталям, формирующим камеру сгорания, что вызывает их колебание.
От них колебательная энергия передается на наружные поверхности двигателя и частично излучается ими в виде шума от сгорания (Wсг).
При выпуске происходит истечение отработавших газов в атмосферу и выделяется также какое-то количество энергии, которое приводит к возникновению шума выпуска (Wвып). Движущиеся по выпускному тракту отработавшие газы взаимодействуют ср стенками трубопроводов, глушителя, вызывая их колебания, которые приводят к шумоизлучению наружных поверхностей.
При работе в механизмах двигателя могут возникать удары сопрягаемых деталей, что вызывает шум (Wуд).
Работа агрегатов двигателя (вентилятора, топливоподающего насоса и др.) вызывает возникновение шума Wаг.
Опрокидывающий момент вызывает колебания двигателя на подвеске, которые также приводят к излучению звуковой энергии.
Излучателями шума двигателя являются:
наружные стенки двигателя и установленных на нем агрегатов;
впускная горловина;
горловина выпуска;
вентилятор системы охлаждения.
Влияние каждого из данных излучателей на уровень шума всего двигателя зависит от многих факторов: типа двигателя, особенностей рабочего процесса, конструкции, режима работы и т.п.
Сопротивление рассмотренных составляющих акустического баланса двигателя позволяет выделить наиболее существенные составляющие шума двигателя, указать причины возникновения, изучить процесс формирования, найти наиболее рациональные пути уменьшения шума.
|
Уменьшение шума с учетом основополагающих принципов акустики следует начинать в первую, очередь с подавления наиболее громких источников.
Основные направления снижения шума и вибрации двигателя сводятся к следующему:
формированию рабочего процесса двигателя, обеспечивающего минимально возможный подвод энергии к конструкции двигателя на всех режимах его работы;
конструированию рациональной по шумоизлучению структуры двигателя и его элементов.
Колебательная энергия от источника ее возникновения до поверхностей, которые ее излучают, распространяется через детали двигателя. Для ее снижения можно или препятствовать распространению по конструкции (виброизоляция), или поглощать ее на пути распространения (вибропоглощение) с помощью ввода в конструкцию поглотителей колебательной энергии в виде специальных вибродемпфирующих материалов или устройств. Это позволяет снизить уровень виброскорости на излучающей шум поверхности. Также для снижения шума уменьшают площадь излучающей поверхности.
Снизить шум работающего двигателя в составе автомобиля можно путем создания препятствий на пути его распространения (звукоизоляция) и нанесением на поверхности, воспринимающие шум, специальных шумопоглощающих покрытий (звукопоглощение). Звукоизоляция сводится к созданию различных экранов, капотов и капсул для двигателя. Однако применение последних двух решений связано со значительными дополнительными затратами как в производстве, так и в эксплуатации. Также усложняется охлаждение двигателя, его эксплуатационное обслуживание, а в ряде случаев ухудшается топливная экономичность. Такое решение оправдано при работе двигателя в специальных условиях. Применение звукопоглощающих мастик связано с проблемами их термостойкости, долговечности и стоимости.
Методы борьбы с шумом аэродинамического происхождения аналогичны: создание конструкций с требуемым уровнем шума (вентилятор, корпуса воздушного фильтра и глушителя), применение глушителей шума, основанных на формировании совокупности резонансных объемов и на использовании специальных материалов, обеспечивающих звукопоглощение.
Уровень механического шума двигателя определяется по формуле:
,
где L - уровень механического шума двигателя, дБ;
n - частота вращения коленчатого вала, об/мин-1;
Pе - мощность двигателя, кВт.
Решение:
1. Уровень механического шума двигателя: