авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Разработка современных методов расчета и проектирования автомобильных глушителей шума с требуемыми характеристиками

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КОМКИН АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ГЛУШИТЕЛЕЙ ШУМА С ТРЕБУЕМЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

01.04.06 – Акустика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург

2012

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете

им. Н.Э. Баумана

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тупов Владимир Борисович

доктор технических наук, профессор

Усков Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор

Цукерников Илья Евсеевич

Ведущая организация – Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт „НАМИ“, г. Москва.

Защита состоится 29 марта 2012 г в 15.00 на заседании диссертационного совета Д.212.010.01 в Балтийском государственном техническом университете «Военмех» им. Д.Ф. Устинова по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., 1, ауд. 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.

Автореферат разослан « » февраля 2012 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Дроздова Л.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Среди глобальных проблем развития современной цивилизации шум относятся к числу наиболее важных. Неблагоприятное воздействие шума в той или иной степени ощущает на себе каждый второй человек на планете. Он отрицательно влияет на производительность труда и здоровье людей. Энергетические установки, такие как двигатель внутреннего сгорания, являются основными источниками шума в окружающей среде. Уже сейчас, например, передовые страны расходуют на борьбу с шумом транспортных средств около одного процента своего бюджета. Вместе с тем, учитывая тенденцию, с одной стороны, к повышению энергонасыщенности вновь разрабатываемых машин, а с другой стороны, к необходимости снижения их шума, следует ожидать, что проблема снижения шума машин будет становиться все более острой.

В связи с этим становится очевидным, что создание машин с пониженным уровнем вибрации и шума представляет собой важную научно-техническую проблему, требующую серьезных фундаментальных исследований. К основным источникам шума энергетических установок является газодинамический шум выпускной системы. Проблема снижения этого шума решается с помощью применения эффективных глушителей.

До настоящего времени не разработано единой методики расчета глушителей шума. Проектирование глушителей на большинстве предприятий, специализирующихся на их производстве, проводится на основе проведения экспериментальных работ, связанных со значительными материальными затратами, когда разработчик, основываясь на своем опыте, изготавливает несколько опытных вариантов глушителей, проводит их стендовые испытания, и на их основе выбирает лучший вариант. Такой подход далеко не всегда приводит к желаемому результату, вследствие чего подготовленные к производству глушите­ли в большинстве случаях нужда­ются в дальнейшей доработке.



Эффективность работ, связанных с разработкой глушителей шума может быть существенно повышена с использованием модульного принципа расчета и проектирования, что позволяет оперативно выявлять рациональные пути снижения шума до допустимых норм. В настоящее время многие вопросы, связанные с модульным проектированием глушителей шума, были рассмотрены поверхностно или вообще не рассматривались, что существенно снижает расчетных методов.

В связи с этим весьма актуальной является задача разработки методов расчета глушителей шума, которые бы позволяли не только адекватно описывать результаты экспериментальных исследований, но и давали возможность проектировать глушители с заданной акусти­ческой эффективностью, при удовлетворении требованиям на гидрав­лическое сопротивление, габаритные размеры.

Целью настоящей работы является создание современных методов расчета автомобильных глушителей шума, позволяющих на стадии проектирования определять конфигурацию и параметры глушителя с требуемыми акустическими характеристиками.

Научная новизна:

  1. Разработана математическая модель распространения звуковых волн в каналах с учетом вязкости и теплопроводности среды при числах Прандтля близких к , позволяющая оценивать потери при распространении звука, как в канальных элементах глушителей шума, так и в звукопоглощающем материале.
  2. Разработаны математические модели типовых элементов глушителей шума и получены матрицы передачи этих элементов в безразмерном виде с привязкой к диаметру их патрубков, что позволяет реализовывать модульный принцип проектировании глушителей шума с использованием глушителей-прототипов.
  3. Предложен новый метод измерения акустических характеристик звукопоглощающих конструкций в импедансной трубе с использованием нелинейной регрессии, позволяющий повысить точность измерений.
  4. Проведена теоретическая и экспериментальная оценка акустических характеристик звукопоглощающего материала на основе базальтового волокна, использование которых в расчетных моделях диссипативных глушителей и последующее сравнение результатов расчетов с результатами измерений, показало достоверность полученных данных.
  5. Впервые для оценки акустической эффективности глушителей предложен интегральный показатель, так называемые обобщенные потери передачи, и показана возможность его использования для оптимизации камерных глушителей шума.
  6. Разработана методика выбора по заданным исходным данным геометрических параметров резонаторных глушителей шума, в частности резонаторов Гельмгольца, позволяющая с учетом поставленной целевой функции сделать такой выбор однозначным.
  7. Теоретическое и экспериментальное исследование системы активного гашения периодических составляющих шума, как системы с деструктивной интерференцией, реализуемой методом синтез гасящей волны, позволили получить диаграмму устойчивости такой системы и показать эффективность ее работы.
  8. Разработана методика оптимизации путей снижения внешнего шума автомобиля до требуемых норм и показано ее применение при снижении внешнего шума большегрузного автомобиля.
  9. Создана конечно-элементная модель излучения шума выпускной системой автомобиля, позволившая, с одной стороны, оценить влияние на характеристики излучения параметров газового потока, а с другой стороны, показать, что использования специальных насадок на срезе выпускной трубы может быть весьма эффективным средством для дополнительного снижения шума выпуска.
  10. Разработана математическая модель для оценки излучения выпускной системой автомобиля в расчетной точке над подстилающей поверхностью, и показана необходимость использования в этом случае при пересчете шума из одной расчетной точки в другую дополнительной поправки на подстилающую поверхность.
  11. Впервые для оценки эффективности установки глушителя в выпускную систему автомобиля предложен интегральный критерий: обобщенные вносимые потери.
  12. Разработана методика расчета и проектирования глушителей шума для систем выпуска автомобиля, основанная на использовании спектра незаглушенного шума выпуска и интегрального критерия вносимых потерь.

Практическая значимость.

Состоит в том, что полученные результаты позволяют на стадии проектирования определять конфигурации глушителей шума с требуемыми характеристиками, тем самым способствуя решению проблемы создания автотранспортных средств с пониженным уровнем шума.

Внедрение результатов работы. Разработанная методология расчета и проектирования автомобильных глушителей шума была внедрена на ведущем отечественном предприятии по производству глушителей шума ООО «НТЦ МСП». Это позволило сократить сроки повысить качество разработки и испытаний опытных глушителей шума, которые в дальнейшем стали производится серийно и поставляться на ведущие заводы автомобильной промышленности: КАМАЗ, ГАЗ, ЗИЛ, УАЗ.

Кроме того, результаты работы используется на кафедре экологии и промышленной безопасности МГТУ им. Н.Э. Баумана при обучении студентов по направлению «Техносферная безопасность».

Апробация работы. Результаты данной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы фундаментальных наук» (Москва, 1991); Всероссийской конференции «Внешний и внутренний шум автомототехники (Дмитров, 1993); Second International Symposium «Transport Noise and Vibration» ( St.-Peterburg, 1994); Международной научно-технической конференции «100 лет российскому автомобилю» (Москва, 1996); III Всероссийской научно-технической конференции «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1998); IV Всероссийской научно-технической конференции «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1999); Sixth International congress on sound and vibration (Copenhagen, 1999); Всероссийской конференции ААИ (Дмитров, 1999); 5-th International Symposium «Transport Noise and Vibration» (St.-Peterburg, 2000); XI сессии Российского акустического общества (Москва, 2001); Международной конференции «Машиностроение и техносфера ХХI века» (Севастополь, 2004); Международной конференции «Образование через науку» (Москва, 2005); XVI сессии Российского акустического общества (Москва, 2005); XIХ сессии Российского акустического общества (Москва, 2007); XХ сессии Российского акустического общества (Москва, 2008); II Всероссийской научно-практической конференции «Защита населения от повышенного шумового воздействия» (Санкт-Петербург, 2009); конференции к 100-летию А.В. Римского-Корсакова (Москва, 2010); семинар "Акустика неоднородных сред" (Москва, 2011); III Всероссийской научно-практической конференции «Защита населения от повышенного шумового воздействия» (Санкт-Петербург, 2011).

Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала Высшей школы» (регистрационный номер 2.1.2/6509).

Публикации. Общее количество работ, опубликованных по теме диссертации – 52, в том числе по перечню, рекомендуемому ВАК, – 26.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

– математические модели и расчетные схемы:

а) типовых элементов глушителей шума и соответствующие им безразмерные матрицы передачи;

б) излучения на срезе выпускной трубы с различными резонаторными насадками и при наличии подстилающей (отражающей) поверхности;

в) двигателя внутреннего сгорания как источника шума выпуска автомобиля;

– результаты теоретических исследований:

а) распространения звука в каналах с учетом вязкости и теплопроводности среды, а так же при наличии в каналах неоднородностей;

б) прохождения звука через типовые элементы глушителей шума;

в) устойчивости и быстродействия систем активного гашения шума;

– результаты экспериментальных исследований:

а) акустических характеристик волокнистых звукопоглощающих материалов;

б) акустических характеристик типовых элементов глушителей шума;

в) акустической эффективности активной системы гашения шума;

– интегральные показатели эффективности глушителей шума:

а) обобщенные потери передачи;

б) обобщенные вносимые потери;

– разработанные методики:

а) оптимизации конфигурации камерных глушителей шума;

б) выбора геометрических параметров резонаторных глушителей шума в канале;

в) оценки акустических характеристик звукопоглощающих материалов в импедансной трубе;

г) оптимизации пути снижения шума автомобиля до требуемых норм;

д) учета влияния на результаты измерения шума выпуска подстилающей поверхности при пересчете ;

е) проектирования глушителей шума выпуска автомобилей с требуемыми характеристиками;

– результаты практических работ по доводке глушителей шума для систем выпуска ряда автомобилей.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка литературы, приложений и содержит 373 страницу основного текста, 7 таблиц, 170 рисунков, список использованных источников включает 685 наименований, из них 519 иностранных.





СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы.

В первой главе дан обзор состояния проблемы и определены задачи исследования.

Расчетам глушителей шума начали уделять внимание еще в начале прошлого века, с той поры как сами глушители начали находить широкое практическое применение. Первые подходы к расчету глушителей шума основывались на методе электроакустических аналогий, когда расчет глушителя, как акустического фильтра, сводился к расчету соответствующего электрического фильтра.

В настоящее время наиболее распространенным аналитическим методом расчета является метод передаточных матриц. В отечественной литературе данное направление связано с именем Б.К. Шапиро и в дальнейшем нашло отражение в работах Д.В. Баженова, Л.А. Баженовой, И.И. Клюкина, П.Н. Кравчуна, А.В. Римского-Корсакова, А.Д. Лапина, Р.Н. Старобинского, В.В. Тупова, К.В. Чернышева. Заметный вклад в это направление расчета и проектирования глушителей шума внесли J. Miles, P.O.A.L. Davies, R.J. Alfredson, J.W. Sullivan, M.J. Crocker, M.L. Munjal, M.G. Prasad, L.J. Eriksson. Дальнейшее развитие этого метода осуществляли K.S. Peat, J.-G. Ih, E. Documaci, A. Selamet, C.-N. Wang.

При таком подходе глушитель рассматривается как акустический фильтр и представляется в виде эквивалентного четырехполюсника, характеризующегося матрицей передачи с коэффициентами TA, TB, TC, TD, которая связывает звуковое давление Pu и колебательную скорость Vu на входе глушителя с такими же параметрами на его выходе:

, (1)

где с, скорость звука и плотность газовой среды в патрубках глушителя.

Для оценки акустической эффективности глушителей используются потери передачи TL, определяемые через коэффициенты матрицы передачи (1) в виде

, (2)

где Su и Sd –площади сечений входного и выходного патрубков глушителя.

При расчетах в качестве показателя эффективности установки глушителя шума в систему выпуска используются вносимые потери , где Pr0 , Pr спектры звукового давления в контрольной точке для выпускной системы соответственно без глушителя и с глушителем. Если Zs и Zr акустические импедансы соответственно источника и излучения на срезе выпускной трубы, а коэффициенты матрицы передачи выпускной системы без глушителя равны TA0, TB0, TC0, TD0, то вносимые потери равны

. (3)

Вместе с тем, существующие аналитические методы расчета не позволяют осуществлять оптимизацию и синтез конфигурации глушителя шума с требуемыми характеристиками. Это можно сделать, опираясь на модульный принцип проектирования глушителей шума, когда конфигурация глушителя набирается из набора типовых элементов глушителей шума. При этом сами типовые элементы и их акустические характеристики должны определяться безразмерными параметрами, сделав универсальным их использование.

Наряду с этим в последнее время все большее распространение находят численные методы расчета, основанные на использовании методов конечных и граничных элементов. Они позволяют рассчитывать конкретные конфигурации глушителей шума, даже весьма сложные, и при этом получать подробную информацию об особенностях гашения шума в них. Однако численные методы не позволяет осуществить выбор конфигурации глушителя шума, удовлетворяющего исходным требованиям, а по сути лишь заменяют трудоемкие экспериментальные исследования по поиску подходящего варианта глушителя шума, являясь менее затратными. При этом также сохраняется основной недостаток расчетных методов, когда возможно решение только прямой задачи определения эффективности глушителя конкретной конфигурации, а не более важной обратной задачи нахождения конфигурации глушителя с требуемой эффективностью.

Кроме того, анализ литературных источников показал, что существующие методы расчета глушителей шума не позволяют непосредственно связать требования на вклад шума выпуска во внешний шум автомобиля, оцениваемый обычно в уровнях звука, с акустическими характеристиками самого глушителя.

Таким образом, основными задачами исследования являются:

1. Разработка математических моделей типовых элементов глушителей шума и определение их матриц передачи, выраженных в безразмерном виде.

2. Анализ акустических характеристик (потерь передачи) типовых элементов глушителей шума и их зависимости от характерных параметров элементов.

3. Выработка интегрального критерия эффективности глушителей шума, позволяющего получать как достоверную оценку акустической эффективности глушителя, так и проводить сравнительную оценку эффективности глушителей различных типов.

4. Разработка методики оптимизации типовых элементов глушителей шума с помощью интегрального критерия эффективности и глушителей-прототипов.

5. Разработка методики экспериментальной оценки акустических характеристик глушителей шума и их элементов. Проведение экспериментальных исследований и сравнение полученных результатов с результатами расчетов.

6. Исследование активного глушителя, реализуемой методом синтез гасящей волны; анализ быстродействия, устойчивости и эффективности такой системы. Изготовление и испытание макетного образца активного глушителя.

7. Разработка методики расчета и проектирования глушителей шума для систем выпуска автотранспортных средств и ее применение на практике при проектировании и доводке глушителей шума выпуска автомобилей.

Во второй главе рассмотрено распространение звука в прямом канале с вязкой теплопроводной средой. Решается общая система уравнений газовой динамики. Показано, что при числе Прандтля Pr=3/4 система уравнений разделяется, так что акустические волны в такой системе могут рассматриваться отдельно от тепловых волн. Это существенно упрощает решение уравнений, в сравнении с традиционным способом, предложенным Кирхгоффом. При этом результирующая звуковая волна в канале рассматривается как суперпозиция акустической и вязкой волн (рисунок 1).

Приведены частные решения полученного уравнения, в частности для плоской задачи, а также каналов квадратного и круглого поперечного сечения.

В общем случае, постоянная распространения

, (4)

где k=/c – волновое число; – –круговая частота; c – скорость звука; – параметр, для канала круглого поперечного сечения радиуса равный

; (5)

J0, J1 – функции Бесселя нулевого и первого порядков; ; – показатель адиабаты; s – число Стокса, ; v – кинематическая вязкость среды.

Для широких, относительно глубины проникновения вязких волн, каналов, когда , формула (5) упрощается и принимает вид



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.