Наведено результати робіт по розробці та експериментальній перевірці акустичної ефективності большерасходного глушника шуму газових струменів. Глушник призначений для зменшення шуму при скиданні стислих газів в навколишній простір. Принцип роботи заснований на формуванні структури струменя з меншою гучністю шляхом розбиття циліндричної струменя на безліч різних дрібних струменів, спрямованих перпендикулярно до вихідної. Визначено акустична ефективність глушника при різних величинах витрат і перепадів тиску робочого середовища. Показано, що чисто газодинамічних методом без використання будь-яких шумопоглинаючих матеріалів можна забезпечити необхідне зниження рівнів шуму.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Голованов Володимир Іванович, слов'янин Віктор Миколайович, Федоров Віталій Костянтинович


Noise silencer for gas jets with large flow rate1head of laboratory at Krylov Shipbuilding Research Institute (St. Petersburg, Russia), PhD. Expert in HVAC systems2principal engineer at Krylov Shipbuilding Research Institute (St. Petersburg, Russia). Expert in HVAC systems

Efficiency of noise silencer for gas jets with large flow rate is studied in the paper. The silencer is intended for noise decreasing when compressed gas is ejected into ambient space. The general principal of silencer operation consists in formation of many small jets instead of one main jet. It is possible to obtain significant noise decreasing using only gas-dynamic methods, without sound absorption materials. Acoustical efficiency of silencer is defined for different discharges and pressure differential of operating agent. Basic design and experimental verification of the silencer are presented.


Область наук:

  • фізика

  • Рік видавництва: 2002


    Журнал

    Технічна акустика


    Наукова стаття на тему 'Акустичні характеристики большерасходного глушника шуму газових струменів'

    Текст наукової роботи на тему «Акустичні характеристики большерасходного глушника шуму газових струменів»

    ?[ШЗІ-У

    кущики

    Електронний журнал «Технічна акустика» http://webcenter.ru/~eeaa/ejta

    2 (2GG2) 9.1-9.6

    В. І. Голованов, В. Н. слов'янин, В. К. Федоров

    ЦНДІ ім. акад. А. Н. Крилова

    Росія, 196158, Санкт-Петербург, Московське шосе, 44, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Акустичні характеристики большерасходного глушника шуму газових струменів

    Отримано 27.06.2002, опублікована 11.07.2002

    Наведено результати робіт по розробці та експериментальній перевірці акустичної ефективності большерасходного глушника шуму газових струменів. Глушник призначений для зменшення шуму при скиданні стислих газів в навколишній простір. Принцип роботи заснований на формуванні структури струменя з меншою гучністю шляхом розбиття циліндричної струменя на безліч різних дрібних струменів, спрямованих перпендикулярно до вихідної. Визначено акустична ефективність глушника при різних величинах витрат і перепадів тиску робочого середовища. Показано, що чисто газодинамічних методом без використання будь-яких шумопоглинаючих матеріалів можна забезпечити необхідне зниження рівнів шуму.

    В процесі роботи пневматичних і пневмогідравлічних систем різного призначення, таких, наприклад, як системи магістральних газопроводів, системи стисненого повітря промислового призначення, періодично виникає необхідність скидання стисненого повітря з різних ділянок таких систем в навколишній простір за заданий час. Витрати повітря на таких режимах можуть лежати в межах від 0,1 кг / с до 15 кг / с, а перепади тисків - від 0,05 МПа до 3 МПа. При цьому діаметри трубопроводів в системах стисненого повітря обмежені (як правило, не перевищують 80 мм), так що швидкості газових струменів можуть досягати величини швидкості звуку.

    Процес закінчення газових струменів з такими параметрами супроводжується підвищеним шумообразование. Величина рівнів шуму може бути оцінена наступним чином.

    Відповідно до теорії шумообразования турбулентних струменів [1] акустична потужність Wак, яку випромінює циліндричної струменем, пропорційна швидкості струменя в

    6-8 ступеня (в залежності від величини швидкості), квадрату щільності повітря в струмені і квадрату діаметра струменя:

    -5 РУ 6D 2 .V

    Ро ^ в 'ГЗВ

    Waк = 0,9 -10 -2 ----------------------------------------- -------------------------------------------------- --- -, якщо M = - < 0,5; (1)

    ак 1 ^ тт "- т т

    зв

    >2т Т ^ ТЛІ

    Waк = 3,0 -10-5 ^ з '7, якщо M = 0,5 ... 1, (2)

    р; у D

    Р0 V

    де Wак - яку випромінює струменем акустична потужність, Вт; рс - щільність повітря в струмені, кг / м; V - швидкість струменя повітря, м; D - діаметр струменя, м; р0 - щільність повітря в навколишньому середовищі, кг / м3; ? Зв - швидкість звуку в навколишньому просторі, м / с.

    Так, наприклад, при закінченні газового струменя на режимі з перепадом тиску

    2,5 МПа і витратою 10 кг / с розрахункові (відповідно до формули (2)) загальні рівні шуму струменя складають величину порядку 140-150 дБ. При цьому максимальні рівні шуму струменя відповідають числам Струхаля (Sh = fD / V, f - частота, Гц), що лежить в діапазоні 0,2-0,5, що приблизно відповідає смузі частот 2-4 кГц.

    У зв'язку з дуже високими рівнями шуму повітряного струменя при типових величинах перепаду тиску і витрати необхідність зменшення звукової потужності газових струменів при скиданні стислих газів з замкнутих обсягів (без зміни режимів роботи і схемноконструктівного виконання систем) є досить актуальною.

    Аналіз формул (1) і (2) показує, що домогтися зниження шумності високошвидкісних турбулентних струменів за допомогою таких дій:

    - зниженням швидкості струменя;

    - зменшенням щільності повітря в струмені і її діаметра;

    - зміною структури струменя таким чином, щоб перетворити газову струмінь з яскраво вираженою спрямованістю в «газова хмара».

    Зниження швидкості є найбільш ефективним способом зменшення шуму струменів, внаслідок залежності звукової потужності від швидкості в 6-8 ступеня.

    Таким чином, для зниження шуму газових струменів без зменшення витрат робочих середовищ необхідно використовувати глушники. Традиційні глушники, принцип дії яких заснований на ефектах поглинання або відбиття акустичної енергії, в даному випадку неприйнятні, оскільки вони не змінюють вихідних параметрів струменя, що визначають її шумообразование.

    Тому для ефективного глушіння шуму газових струменів (з урахуванням мінімізації розмірів) необхідно застосовувати пристрої, що перетворюють вихідну струмінь і формують структуру струменів з меншою гучністю. При цьому зниження звукової потужності струменя засновано на наступних принципах, що випливають з формул (1) і (2):

    - зниження вихідної швидкості та щільності повітря в струмені за допомогою багаторазового збільшення сумарної площі вихідних отворів і ступеневої дросселирования;

    - перетворення спрямованої циліндричної струменя на безліч різноспрямованих по всьому навколишньому простору дрібних струменів, при цьому

    на виході структура початкової струменя за рахунок перемішування дрібних цівок один з одним і навколишнім повітрям перетворюється фактично в «газова хмара», де інтенсивність турбулентного шумообразования різко знижується.

    Крім цього, додатковий ефект досягається за рахунок зміщення спектра шуму струменя на виході глушника в область, що лежить за межами чутності людського вуха.

    Для перевірки ефективності такого підходу був розроблений, виготовлений і випробуваний макетний зразок глушника з внутрішнім діаметром 80 мм, зовнішнім діаметром 230 мм і довжиною 570 мм, розрахований на витрату 10 кг / с і перепад тиску (різниця тисків перед глушником і в навколишньому середовищі) до 2,5 МПа.

    Цей пристрій складається з трьох співвісних циліндрів, перфорованих, як показано на рис. 1. Діаметри отворів лежать в діапазоні 2-5 мм. Для забезпечення необхідної витрати сумарна площа отворів в кожному циліндрі значно перевищує площу перетину внутрішнього каналу глушника, так сумарна площа отворів в зовнішньому циліндрі перевищує площу перетину внутрішнього каналу (діаметром 80 мм) приблизно в 10 разів. За рахунок цього відбувається зменшення вихідних швидкості струменя і щільності повітря в ній.

    и й й й й

    Мал. 1. Схема трехступенчатого глушника шуму газових струменів

    На виході глушника замість циліндричної струменя з потужним шумовипромінювання формується безліч різноспрямованих струменів. В процесі їх перемішування приблизно на відстані декількох діаметрів вихідних отворів від зовнішньої поверхні глушника фактично відбувається перетворення турбулентної газового струменя в «газова хмара».

    При відсутності глушника (замість глушника патрубок діаметром 80мм) при перепаді тисків 2,5 МПа, витраті повітря 10 кг / с швидкість струменя дорівнює швидкості звуку (330 м / с), значення рівнів звукової потужності, розраховані на основі формули (2) становлять 1 42 дБ, а максимум шумообразования знаходиться в смузі частот 2-4 кГц.

    При застосуванні глушника аеродинамічні параметри струменя змінюються; вихідна швидкість складе величину порядку 1 20 м / с. У цьому випадку розрахунки по

    формулою (1) дають для загального рівня звукової потужності величину порядку 117 дБ, т. е. розрахункова величина акустичної ефективності глушника складає 25 дБ.

    Експериментальна перевірка глушника проводилася на установці, схема якої представлена ​​на рис. 2. На вхід глушника подавався стиснене повітря тиском до

    2,5 МПа. Вимірювання шуму проводилися на відстані 1 м від вихідного перетину патрубка або глушника під кутом 45 ° до осі струменя.

    3

    Мал. 2. Схема установки для вимірювання рівнів повітряного шуму в процесі

    випробувань глушника

    1 - ємність зі стисненим повітрям; 2 - клапан регулюючий; 3 - манометр

    2

    зразковий Р = 60 кгс / см; 4 - ГВШлібо патрубок (в разі імітації роботи системи без глушника); 5 - мікрофон з підсилювачем; 6 - вимірювальний підсилювач; 7 - вимірювальний магнітофон; 8 - аналізатор спектру 9 - графічний реєстратор

    На рис. 3-5 представлені отримані результати. На рис. 3 - рівні повітряного шуму в октавних смугах частот для повітряного струменя без глушника і з глушником при перепаді тиску 2,5 МПа і витраті 10 кг / с, на рис. 4 - розрахункові і експериментальні залежності рівнів шуму струменя від числа Струхаля, на рис. 5 - залежність рівнів шуму газового струменя від витрати при витіканні через патрубок і через глушник.

    З малюнків видно, що акустична ефективність глушника склала 20 дБ за загальним рівнем шуму і 25-28 дБ в октавних смугах частот 1-2 кГц при перепаді тисків на ньому 2,5 МПа. Ці величини досить добре узгоджуються з попередньою оцінкою акустичної ефективності даного пристрою, що підтверджує правильність оцінки і вибору аеродинамічних параметрів струменя в глушнику для попереднього розрахунку його акустичної ефективності.

    -без глушника -з глушником

    середньогеометричні частоти октавних смуг, Гц

    Мал. 3. Рівні повітряного шуму в октавних смугах частот при скиданні повітря через патрубок і через глушник при тиску повітря 2,5 МПа

    ЕІ

    -експер. патр. -Розрахунок патр. експер. глуш.

    Мал. 4. Розрахункові і експериментальні залежності рівнів шуму від числа Струхаля для повітряних струменів, стікали через патрубок і глушитель

    Мал. 5. Залежність рівнів повітряного шуму газових струменів від витрати при витіканні

    через патрубок і через глушник

    Крім цього, з рис. 3 видно зміщення частотного максимуму шумовипромінювання струменя, що формується глушником, в порівнянні з циліндричною струменем з октавной смуги частот 2 кГц в смугу частот 8 кГц.

    Розроблений глушник забезпечує необхідну акустичну ефективність у всьому діапазоні витрат повітря від 1 кг / с до 10 кг / с (рис. 5).

    Відмінною особливістю даного пристрою є повна відсутність в конструкції глушника будь-яких пористих або шумопоглинаючих матеріалів, що заповнюють внутрішній простір між ступенями. Використання таких матеріалів обмежило б витрата робочого середовища при тих же розмірах глушника. Весь ефект зниження шумності досягається за рахунок оптимізації структури витікання струменя, тобто основою ефекту є «чиста газодинаміка».

    Подібні пристрої можуть бути використані в будь-яких пневматичних і пневмогідравлічних системах для зниження шумності газових струменів при скиданні стисненого повітря. Внаслідок простоти і надійності в експлуатації подібних пристроїв доцільно встановлювати їх на всі кінцеві трубопроводи в системах зі стисненим повітрям.

    ЛІТЕРАТУРА

    1. Авіаційна акустика. Під ред. А. Г. Мунін, В. Е. Квітки. М., «Машинобудування», 1973 р.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити