Научно-производственная фирма "ИМКАС"

2.1. Глушители двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

В период создания первых глушителей звука выстрела были уже отработаны варианты автомобильных глушителей, где также уменьшался звук выхлопа газов высокой температуры и давления. В автомобильных глушителях снижали температуру и давление газов последовательно в нескольких камерах, расположенных радиально или последовательно относительно продольной оси выхлопной трубы. С некоторыми изменениями, учитывающими физические характеристики пороховых газов дульного выхлопа, эти принципы нашли применение в глушителях для огнестрельного оружия.

В настоящее время результаты работ по изучению физических явлений при выхлопе двигателя внутреннего сгорания и определению конструктивных схем глушителя звука выхлопа все так же представляют значительный интерес для разработчиков глушителей звука выстрела огнестрельного оружия.

Работы по созданию глушителей для двигателей внутреннего сгорания могут быть использованы при конструировании и экспериментальной отработке глушителей звука выстрела огнестрельного оружия [160-175].

Ниже изложены основные принципы глушения звука выхлопа двигателей внутреннего сгорания.

При распространении плоской звуковой волны в канале и отсутствии отражения звуковых волн за глушителем величина снижения шума глушителем определяется зависимостью [163]:

где ρc – удельное акустическое сопротивление среды в канале;
Z– акустическое сопротивление глушителя, представляющее собой сумму активного Ra и реактивного φa сопротивлений Za=Ra+a ;
S – площадь поперечного сечения канала.

Глушители шума должны уменьшать уровень шума и не препятствовать функционированию устройства, генерирующего шум. Кроме этого, к глушителям, в зависимости от эксплуатационных особенностей, предъявляются требования по габаритам, форме, массе, стоимости, использованию конструкционных и поглощающих звук материалов и т.п.

Эффективность глушителя характеризуют эффектом установки глушителя: по звуковому давлению в точке контроля шума ΔL=L1-L2 и по звуковой мощности ΔLp=Lp1-Lp2 , где Lp1 и Lp2 – уровни звуковой мощности в системе за глушителем до и после его установки.

Эффект глушителя по мощности, измеренной при установке не отражающих звук воздуховодов на входе и выходе глушителя

называют трансмиссионными потерями и чаще всего используют для оценки эффективности конструкции глушителя.

Рис. 2.1. Распределение потоков звуковой энергии в глушителе:
1 – приемная труба глушителя; 2 – выпускная труба;
3 – корпус глушителя шума; ЗПМ-звукопоглощающий материал.

Уровень баланса звуковой энергии (мощности) в глушителе (рис. 2.1) имеет вид:

где Pпад Pпрош , Pотр , Pпогл , Pизл , Pген , – соответственно звуковая энергия падающих, прошедших, отраженных волн, энергия, поглощенная в глушителе, излучаемая в пространство и генерируемая в нем в единицу времени.

В правильно спроектированном глушителе энергией Pген в приведенном уравнении баланса можно пренебречь. Эффективными средствами уменьшения генерации энергии являются уменьшение скорости потока в глушителе и придание внутренним элементам глушителя обтекаемой формы.

Передача звука через глушитель происходит по газу, находящемуся в полости глушителя, и по элементам конструкции глушителя. Энергия, передаваемая по конструкции, обычно невелика вследствие большой разницы акустических сопротивлений воздуха и металла (материала корпуса глушителя).

По принципу действия глушители делят на две основные группы – отражающие (реактивные, рефлекторные) и диссипативные (активные) глушители (см. таблицу 2.1) [162].

Таблица 2.1. Классификация шумозащитных конструкций

 

В отражающих глушителях уменьшение шума за глушителем достигается главным образом за счет отражения энергии набегающих на него волн (Pотр>Pпогл); в диссипативных – за счет превращения звуковой энергии набегающих волн в тепло в элементах глушителя. Глушители, для которых существенны и отражение и диссипация, называются комбинированными.

В глушителях активного типа звуковая энергия превращается в тепло в звукопоглощающем материале (ЗПМ), который размещают на внутренних полостях глушителя, в воздуховодах и вблизи их выходов в атмосферу. Поток газов в таких глушителях обычно направляется вдоль поверхности поглотителя. Их гидравлическое сопротивление в большинстве случаев невелико.
Эффективная работа поглощающих конструкций в широком диапазоне частот обеспечивается при толщинах размещенных на них слоев поглотителя порядка четверти длины волны заглушаемого звука. Для уменьшения уровня низкочастотного шума необходимые размеры поглощающих элементов становятся слишком большими и более эффективным оказывается применение реактивных глушителей.

Активные глушители целесообразнее всего применять для уменьшения передачи шума на частотах, для которых  – характерный поперечный размер воздуховода; Fв – его площадь.

Реактивные глушители наиболее эффективны на частотах, для которых 0,5λ>bx.

Реактивные глушители шума выполняются обычно в виде системы расширительных и резонансных камер, соединенных между собой и с объемом воздуховода с помощью труб и отверстий. Комбинированные (активно-реактивные) глушители выполняются с камерами изнутри облицованными звукопоглощающим материалом (ЗПМ).

При этом в низкочастотной области камеры работают как отражатели, а в высокочастотной – как поглотители звука.

Характерная особенность глушителей активного типа – довольно плавная кривая частотной характеристики уменьшения шума, а у глушителей реактивных эта кривая имеет ряд острых пиков и провалов.

К наиболее простым глушителям шума активного типа относится участок 1 трубопровода круглого и прямоугольного сечения, облицованный звукопоглощающим материалом (рис. 2.2 а).

В технике борьбы с производственными шумами одной из задач является звукоизоляция цилиндрических труб и оболочек.

В частности, на газокомпрессорных и газораспределительных станциях, а также отводах газа для промышленных предприятий уровень шума снаружи трубопровода достигает 100-120 дБ.

Звукопоглощающий материал 5 (рис. 2.2) применяют в виде набивки или матов, которыми обертывается внутренняя перфорированная труба 3. Обычно шаг перфорации t=2d , где d – диаметр перфорации (4…8 мм). При этом коэффициент перфорации принимается равным 0,2. При уменьшении его заметно снижается эффективность глушителя на высоких частотах.

Для перфорированных пластин расстояние между отверстиями должно быть, по-возможности, малым. Если отверстия отстоят друг от друга более чем на 2-3 диаметра (d), то они излучают узкополосный шум синхронно (когерентно), и уровень звука от когерентно излучающих отверстий примерно на 20lnдБ выше, чем от одиночного отверстия. Когда расстояние между отверстиями меньше 1,2, отверстия излучают узкополосный шум в общем случае не синхронно, и его уровень ниже.

Акустически связанные отверстия в плоской пластине не излучают узкополосный шум, если L/d>4 , где L – толщина пластины, d – диаметр отверстия.

Когда L/d<4 , узкополосный шум, если он не полностью исключается, будет иметь сравнительно низкий уровень.

Рис. 2.2. Глушители шума активного типа:
а – принципиальная схема; б – трубчатый глушитель;
в – пластинчатый глушитель; г – сотовый глушитель;
д – частотная характеристика затухания в трубчатом глушителе на длине, равной трем калибрам.
1 – трубопровод; 2 – кожух; 3 – отверстие в трубопроводе (перфорация);
4 – промежуток без звукопоглощающего материала;
5 – звукопоглощающий материал.

Затухание в трубчатом глушителе ΔL приближенно можно определить, используя график (рис. 2.2, д), а также формулу Белова

где ∏ – периметр проходного сечения, м;
l – длина глушителя, м;
S – площадь проходного сечения, м2;
αэкв – эквивалентный коэффициент звукопоглощения облицовки, определяемый по таблице 2.2 в зависимости от коэффициента звукопогло-щения α .

Таблица 2.2. Зависимость коэффициента αэкв от α

α αэкв α αэкв

0,1

0,1

0,6

0,9

0,2

0,2

0,7

1,2

0,3

0,4

0,8

1,6

0,4

0,5

0,9

2,0

0,5

0,6

1,0

4,0


Для трубчатых глушителей с внутренним диаметром D и длиной l затухание определяется по формуле:

 

В целом затухание шумов в трубчатых глушителях пропорционально числу калибров глушителя:

Под калибром глушителя kгл понимают отношение его длины к среднему поперечному размеру внутренней трубы:

 - гидравлический диаметр проходного сечения, м.

К звукопоглощающим материалам, используемым в различных глушителях шума, предъявляются следующие требования:

  • высокая звукопоглощаемость в нужном диапазоне частот;
  • безвредность, отсутствие неприятного запаха;
  • негорючесть;
  • малая объемная плотность;
  • малая гигроскопичность;
  • биостойкость;
  • стабильность свойств при воздействии рабочих факторов;
  • долговечность, экономичность, доступность.

Глушители шума реактивного типа подразделяются на камерные, резонансные и комбинированные.

Существенным достоинством реактивных глушителей является отсутствие ЗПМ, что особенно важно при использовании в системах с запыленными и химически активными потоками и в системах выброса продуктов сгорания, где применение ЗПМ осложнено его запылением, замасливанием, коксованием продуктов сгорания.

Если в спектре излучаемого шума имеются низкие и высокие частоты, то целесообразно применение комбинированных глушителей.

Реактивные и комбинированные глушители шума компонуют обычно из элементов двух типов – отражающих и соединительных с разграниченными функциями.

Первые создают отражение звука, вторые – обеспечивают условия благоприятной работы отражающих элементов и транспортировку рабочей среды между отражающими элементами. Роль отдельных элементов на разных частотах различна в зависимости от специфики их частотных характеристик и характеристик отдельных элементов.

Особенностью реактивных глушителей является резонансный характер их характеристик. При возбуждении реактивного глушителя широкополосным шумом большая часть энергии передается через него вблизи резонансных частот системы за счет возбуждения собственных колебаний газа, соответствующих собственным частотам, близким к частотам входного сигнала. Подавление резонансной передачи звука составляет основу методов повышения эффективности реактивных глушителей шума.

Камерные глушителя шума представляют собой расширительные камеры в сечении трубопровода.

Схема простейшего глушителя, представляющего собой одиночную расширительную камеру, представлена на рис. 2.3, а.

Рис. 2.3. Схемы глушителей шума реактивного типа и соответствующие частотные характеристики затухания шума:
а – однокамерного; б – двухкамерных, соединенных наружными трубками разной длины;
в – двухкамерных, соединенных внутренними трубками разной длины.

Его эффективность можно рассчитать по формуле:

где  – отношение площади камеры расширения к площади сужения;
 – длина расширительной камеры;
 – волновое число, м-1.

Выражение справедливо лишь для плоских волн, если попереч­ный разрез камеры меньше половины длины звуковой волны.

Частотная характеристика затухания в камерном глушителе имеет ряд чередующихся максимумов, значение которых определяется значениями параметра m, а частота – длиной камеры расширения – lk. Если m увеличивается, то растет и затухание, и наоборот. Так, при m=9, на максимальной частоте ΔL=13дБ, а при m=16ΔL=18дБ (см. рис. 2.3).

Заглушающее действие одномодовых камер эффективно лишь при условии, что основной канал выхлопного тракта имеет поперечные размеры много меньше поперечного размера камеры, в свою очередь, малого в сравнении с минимальной длиной звуковой волны, из диапазона частот шума, подлежащего заглушению.

Если однокамерный реактивный глушитель не обеспечивает достаточного шумопоглощения, используют многокамерные глушители. Добавление второй камеры обычно эффективнее, чем простое удвоение объема глушителя.

Эффективность глушителей шума растет с увеличением числа камер, которые соединяются друг с другом с помощью отверстий в разделительных перегородках или с помощью внутренних или наружных соединительных трубок (см. рис. 2.3 б, в). Двухкамерные глушители в 1,5 ... 2 раза эффективнее однокамерных.

Если N однокамерных камер длиной lk расположены в цепочку и соединены между собой трубками длиной lmp , то эффективность многокамерного глушителя, дБ, определяется по формуле:

где  – универсальный камерный глушитель, m=S1/S2;
Sи S2 – площади поперечного сечения расширительной камеры и соединительной трубки ячейки глушителя, соответственно;
lk и lmp – длина камер и трубки;
k – волновое число, равное 2πƒ/c;
ƒ – частота;
c – скорость звука газов, проходящих через глушитель.

Влияние конструктивных факторов глушителей на частотные характеристики глушения шума выхлопа двигателей внутреннего сгорания приведены в таблице 2.3, полученной в работе [162] при испытаниях моделей глушителей одинаковых размеров трех основных типов (реактивно-расширительные, резонансные и комбинированные) с элементами "сглаживания" газовой струи (перфорированные трубки, перфорированные перего¬родки, соединительные трубки, перегородки и др.). 

Таблица 2.3. Опытные глушители шума выхлопа д.в.с.

Номер глушителя

 

Тип глушителя

Схема глушителя

Обозначение на схеме

Снижение

общего звукового давления, дБ

уровня звука, дБА

01

Реактивно-расширительный однокамерный

11

4

02

То же

 

9

4

03

Реактивно-расширительный четырехкамерный

1 – соединительная трубка;

6 – перегородка с отверстиями

2 – перфорирован­ная выходная перегородка

3– перфорирован­ная выходная трубка;

4 – перфорирован­ная перегородка

5 – перфорирован­ная выходная трубка

11

11

04

Реактивно-расширительный однокамерный

14

9

05

Реактивно-расширительный двухкамерный

14

13

06

То же

22

15

07

Реактивно-расширительный однокамерный

 

21

15

08

То же, что и 04

 

11

5

09

Реактивно-расширительный трехкамерный

15

12

10

Резонансный однокамерный

9 – проходная перфорирован­ная труба

11

8

11

То же

10 – проходная труба с отдельными отверстиями

10

4

12

Реактивно-расширительный трехкамерный

11 – соединительная трубка с отдельными отверстиями;

12 – выходная труба

15

11

13

Комбинированный резонансно-расширительный двухкамерный

13 – входная труба с отдельными отверстиями

16

11

14

Реактивно-расширительный однокамерный

15

10


Результаты акустических испытаний опытных глушителей в 1/3 октавных полосах частот в диапазоне 25-10000 Гц представлены на рис. 2.4 для моделей 01, 02, 03; рис. 2.5 – модели 05, 06, 09; рис. 2.6 – модели 01, 10, 13. 

Рис. 2.4. Частотные характеристики снижения шума опытными глушителями:
1 – выхлопная труба;  2 – глушитель 02;  3 – глушитель 01;  4 – глушитель 03.

Рис. 2.5. Частотные характеристики снижения шума опытными глушителями:
1 – глушитель 09;  2 – труба;  3 – глушитель 06;  4 – глушитель 05.

Рис. 2.5. Частотные характеристики снижения шума опытными глушителями:
1 – глушитель 09;  2 – труба;  3 – глушитель 06;  4 – глушитель 05.

При испытаниях было установлено, что полая расширительная камера снижает уровень звукового давления на 8-15 дБ, а на отдельных частотах – до 30 дБ в диапазоне частот 25-800 Гц и на 2-7 дБ в диапазоне 1250-10000 Гц (рис. 2.6).

Незначительные заглушения на высоких частотах объясняются отсутствием в полой расширительной камере устройств, сглаживающих газовый поток.

При уменьшении длины расширительной камеры на 1/4 заглушение глушителя уменьшается на 2-7 дБ в диапазоне 25-100 Гц и сов¬сем незначительно изменяется на высоких частотах.
Изменение длины расширительной камеры влияет на заглушение в основном на низких частотах. Таким образом, полая расширительная камера работает как акустический фильтр в низко- и среднечастотном диапазонах.

При введении в конструкцию глушителя устройств, превративших его из однокамерного в четырехкамерный, заглушение в диапазоне 25-200 Гц ухудшилось в среднем на 4-10 дБ за счет взаимных акустических резонансов камер. На высоких частотах в диапазоне 1000-8000 Гц за счет сглаживания газового потока при перетекании из одной камеры в другую заглушение глушителей повышается на 4-10 дБ (на отдельных частотах до 14 дБ).

При замене в конструкции глушителя выхода в виде трубы на перфорированную перегородку его заглушение (по сравнению с полой камерой) несколько возрастает на низких (до 100 Гц) частотах, а также на 3-7 дБ возрастает в диапазоне 2500-8000 Гц.

Поворот газового потока в глушителе существенно (до 5-10 дБ) увеличивает его заглушение на высоких частотах.

Сравнение частотных характеристик заглушения трехкамерного и четырехкамерного глушителей (в последнем в передней перегородке проходит соединительная трубка) показывает, что их эффективность на высоких частотах практически не отличается, т.е. заглушение не увеличивается с увеличением числа камер сверх трех.

В то же время наличие соединительной трубки между камерами из-за резонансных явлений значительно (до 5-8 дБ) ухудшает эффективность четырехкамерного глушителя на низких (25-125 Гц) частотах.

Можно предполагать, что соединительные трубки между перегородками и увеличение числа камер глушителя во всех случаях снижают его заглушение на низких частотах.

Сравнение результатов испытаний трехкамерного глушителя и двухкамерного с входной и выходной перфорированными трубками показывает (см. рис. 2.5), что заглушение второго глушителя на высоких частотах несколько выше, чем первого, т.е. перфорированные трубки эффективнее сглаживают газовый поток, чем отверстия в перегородках.

На низких и средних частотах заглушение двухкамерного глушителя с перфорированной соединительной перегородкой в среднем на 5-10 дБ, а на отдельных частотах на 20 дБ выше, чем трехкамерного глушителя.

Это происходит из-за отсутствия резонансов и более полного использования полезного объема глушителя.

Сравнение эффективности глушителей, на выходе одного из которых установлена перфорированная перегородка, а другого – трубка, (см. рис. 2.5) показывает, что первый несколько (на 3-6 дБ) более эффективен на очень высоких частотах (выше 4000 Гц) из-за большей площади перфорации. В остальном частотном диапазоне второй глушитель более эффективен, особенно на низких частотах.

Однокамерный глушитель с перфорированными входной и выходной трубками гораздо более эффективен (в среднем – на 7-15 дБ) почти во всем диапазоне частот по сравнению с полым глушителем. Увеличение общей площади перфорации путем введения дополнительной перегородки, т.е. превращение однокамерного глушителя в двухкамерный, положительно влияет на акустическую характеристику глушителя на высоких частотах.

Сравнение заглушения резонансных глушителей, один из которых имеет трубку с малой и частой перфорацией, а другой с крупными одиночными отверстиями, показывает, что заглушение последнего в диапазоне частот 31,5-1600 Гц в среднем на 9-16 дБ хуже, чем первого. Можно предположить, что второй глушитель не сглаживает газовый поток и почти не работает как резонатор.

Сочетание в конструкции комбинированного глушителя принципа резонансного и расширительного глушителей позволяет получить существенное дополнение заглушения по сравнению с резонансным (только) глушителем.

Это заглушение составляет 3-6 дБ на низких и 6-12 дБ на высоких (свыше 2000 Гц) частотах (см. рис. 2.5). Комбинированный двухкамерный резонансно-расширительный глушитель в широком диапазоне частот на 4 – 10 дБ эффективнее, чем однокамерный глушитель, за исключением низкочастотного диапазона (23-63 Гц), где эффективность обеих глушителей примерно одинакова.

За счет отсутствия резонансов однокамерный глушитель с перфорированной входной и выходной трубами (перфорации большего диаметра) имеет более высокое (на 5-18 дБ) заглушение на низких частотах в диапазоне 25-100 Гц, чем аналогичный трёхкамерный глушитель.

Испытания глушителей показали:

  • заглушение шума выхлопа д.в.с. резонансными глушителями незначительно из-за влияния газового потока;
  • комбинированные глушители нецелесообразны из-за малого заглушения резонансного элемента;
  • увеличение числа камер в резонансно-расширительных глушителях нецелесообразно;
  • эффективное заглушение достигается применением элементов глушителя с перфорацией (трубки и перегородки);
  • с увеличением площади перфорации и длины пути, проходимого выхлопными газами, заглушение глушителя растет;
  • поворот потока газов (перед выходом из глушителя) увеличивает его заглушение;
  • для снижения низкочастотных составляющих шума выхлопа д.в.с. необходимо увеличивать объем глушителя; для снижения средне- и высокочастотных – увеличивать площадь перфорации в глушителе.

Перспективные схемы глушителей шума выхлопа д.в.с. показаны на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Перспективные схемы глушителей шума выхлопа д.в.с.:
1, 3 – реактивно-расширительные двухкамерные с перфорацией;
2 – то же, трехкамерный с перфорацией;
4 – то же, многокамерный с увеличенной площадью перфорации.

Борьба с шумом должна следовать такой методологии:

  1. Теоретические исследования.
  2. Выявление и разделение источников шума.
  3. Проектирование и разработка приборного оборудования испытательных установок.
  4. Выявление механизмов генерирования шума.
  5. Предложение технических решений по снижению шума.
  6. Испытания и проверка.
  7. Проектирование, разработка, проверка и испытание изделия.
  8. Государственные сертификационные испытания.

Глушители ДВС изготавливаются из материалов, стойких к коррозии, эрозии и воздействию тепловых нагрузок (не менее 400-500°С). Корпус, внутренние перегородки и концевые крышки должны быть из стали, толщиной не менее 1,5 мм.

При проектировании глушителей также необходимо учитывать следующее:

  • при прочих равных условиях увеличение объема глушителя повышает его эффективность;
  • увеличение диаметра глушителя предпочтительнее увеличения его длины;
  • производительность глушителя тесно связана с организацией газового потока; более трех резких поворотов потока в глушителе нецелесообразно.

Для снижения аэродинамических составляющих шума в глушителях применяются элементы, воздействующие на поток с целью уменьшения его скорости, температуры и пульсации (давления).

Это достигается:

  • удлинением расстояния движения газового потока;
  • разделением потоков;
  • совершением механической работы;
  • реверсированием;
  • охлаждением газового потока и пр.

Для организации газового потока и снижения пульсации в глушителе применяются следующие конструктивные элементы:

  • профилированные и (или) глухие трубки и перегородки;
  • направляющие лопатки и козырьки;
  • резонансные и расширительные камеры;
  • спирали и винты;
  • диффузоры и конфузоры;
  • сопла;
  • дефлекторы, отклоняющие пластины;
  • сетки;
  • конусные перегородки;
  • сильфоны и пружины.

Глушители разделяют по двум основным принципам работы:

  • глушители звука (скорость газового потока не превышает 60 м/с);
  • гасители звукового потока.

В свою очередь глушители звука можно разделить на:

  • активные (конструктивно выполняются прямоточными, щелевыми или грибковыми);
  • резонаторные (объемный, четверть- и полуволновые, интерференционный, механический, резонаторная камера, концентрический резонатор);
  • реактивно-расширительные (расширительная камера, двух- и трехкамерные, камеры с соединительной трубкой, тупиковые камеры одно-, двух- и трехступенчатые);
  • комбинированные (активно-резонансный, активно-реактивный, резонансно-расширительный);
  • экранные (с различным расположением экранов разной формы).

Глушители-гасители газового потока по принципу действия разделяют на:

  • фрикционные (с последовательной, параллельной и последовательно-параллельной фрикцией);
  • сопловые (рупорные);
  • преобразователи (ультразвуковой и механический);
  • собственно гаситель;
  • с элементами упругости; 
  • на встречных газовых потоках;
  • температурный;
  • механический;
  • с элементами перфорации;
  • с элементами вращения газовой струи;
  • с изменением направления газовой струи;
  • с элементом уменьшения пульсаций газовой струи и др. 

Анализ достоинств и недостатков описанных систем заглушения, а также рассмотрение области их применения, позволяет утверждать, что в практике для снижения шума выхлопа д. в. с. наибольшее распространение нашли двух- и трехкамерные реактивно-расширительные и комбинированные резонансно-расшири¬тельные глушители звука и гасители с элементами изменения направления движения газового потока и перфорацией (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Распространенные схемы глушителей шума выхлопа ДВС:
1 – резонансный трехкамерный; 2 – реактивно-расширительный трехкамерный; 
3 – комбинированный (резонансно-расширительный) двухкамерный;
4 – то же трехкамерный; 5 – резонансный;
6 – реактивно-расширительный
однокамерный с перфорацией.