ГЛУШИТЕЛЬ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ШУМА В ТРУБОПРОВОДЕ
MUFFLER OF HYDRODYNAMIC NOISE IN PIPELINE

Изобретение относится к машиностроительной акустике и может быть использовано для глушения гидродинамического шума, передаваемого преимущественно насосным оборудованием и арматурой по заполняющей трубопроводы жидкой рабочей среде.
Известны резонаторы Гельмгольца [УДК: Бельян Р.Х. и др. Терминологический словарь-справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1989, стр.182], имеющие множество конструктивных реализаций.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является гидроакустический резонатор, представляющий собой инерционный элемент в виде заключенного в отрезок трубы из жесткого материала столба жидкости и связанный с ним упругий элемент, выполненный из эластичного материала, включающего герметичные воздушные полости [Ионов А.В., Чижов В.Ю., Шляпочников С.А., Валянтинас К.И. «Гидроакустический резонатор», патент РФ №2321785]. Существенными признаками этой известной конструкции является наличие емкости, заполненной воздухом и соединенной с водной средой с помощью отверстий или отрезка трубы (горла). При этом находящийся в емкости и играющий роль упругого элемента воздух отделен от рабочей среды эластичной, например резиновой, оболочкой.
Недостатком известной конструкции является то, что при изменении гидростатического давления в рабочей среде изменяется объем воздуха в емкости упругого элемента, что, в свою очередь, приводит к изменению частотного диапазона эффективности устройства и, как следствие, к снижению его звукоизолирующей эффективности в необходимом диапазоне частот. Автоматическое поддержание первоначального объема воздуха в емкости потребует сложной и достаточно громоздкой системы изменения давления в воздушной емкости, что в большинстве практических случаев неприемлемо. Кроме того, в известной конструкции для настройки на тот или иной частотный диапазон эффективности необходимы различные объемы воздушной емкости, что не дает возможности унифицировать габаритные размеры устройства.
Данное устройство выбрано авторами в качестве наиболее близкого аналога.
Задача заявляемого изобретения заключается в обеспечении поддержания высокой звукоизолирующей эффективности устройства во всем диапазоне гидростатических давлений рабочей жидкости в трубопроводе с возможностью настройки (перенастройки) частотного диапазона звукоизолирующей эффективности глушителя при сохранении постоянных унифицированных и оптимизированных габаритов устройства.
Задача решена тем, что в глушителе, содержащем металлический корпус с упругим элементом, сообщенный с трубопроводом с рабочей жидкостью посредством горла, в нем упругий элемент выполнен в виде полых металлических дисков, акустический импеданс которых определен жесткостью их оснований - мембран, а горло выполнено съемным, с возможностью его замены на горла другой длины.
Кроме того, металлические диски установлены концентрично в корпусе, при этом в дисках выполнены центральные отверстия для размещения горла.
Кроме того, металлический корпус установлен на трубопроводе посредством его охвата, при этом в пределе зоны охвата в трубопроводе выполнены сквозные отверстия, часть которых снабжена заглушками для обеспечения дополнительной настройки глушителя.
Предлагаемое устройство позволяет обеспечить высокую звукоизолирующую эффективность во всем диапазоне гидростатических давлений рабочей жидкости за счет выполнения упругого элемента в виде полых металлических дисков. Широкий частотный диапазон звукоизолирующей эффективности обеспечен за счет возможности подбора и поочередной установки горл различной длины, а также за счет выполнения в трубопроводе в пределе зоны его охвата металлическим корпусом отверстий, часть которых снабжена заглушками. Унификация габаритных размеров достигнута за счет концентричной установки в корпусе глушителя упругих элементов - полых металлических дисков, которые при этом нанизаны на горло посредством центральных отверстий, выполненных в упомянутых дисках.
Предлагаемая конструкция гидродинамического шума пояснена чертежами, на которых:
- на фиг.1 изображен общий вид предлагаемого устройства;
- на фиг.2 изображен разрез упругого металлического элемента 3;
- на фиг.3 изображен график экспериментальной частотной зависимости звукоизолирующей эффективности группы глушителей от частоты звукового давления.
Глушитель гидродинамического шума в трубопроводе включает цилиндрический металлический корпус 1, установленный на трубопроводе 2 с рабочей жидкостью и охватывающий его. В металлическом корпусе 1 для повышения сжимаемости жидкости установлены концентрично металлические упругие элементы 3, которые закреплены в корпусе 1 шпильками 4 и закрыты крышкой 5 через резиновое уплотнение 6. Внутренний объем корпуса 1 сообщен с трубопроводом 2 посредством закрепленного на нем с помощью резьбового соединения съемного горла 7 и выполненных в трубопроводе 2 в пределе зоны охвата его корпусом 1 отверстий 8, при необходимости (для обеспечения настройки или перенастройки глушителя) закрываемых заглушками 9.
Упругий элемент 3 (фиг.2) представляет собой полый металлический диск с центральным отверстием для установки его на горле 7. Основания диска представляют собой упругие кольцевые мембраны. При этом акустическое сопротивление (импеданс) [УДК: Физическая энциклопедия. Под ред. A.M.Прохорова. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998, т.2, стр.129] упругого элемента 3 определяется исключительно жесткостью кольцевых мембран, которая не зависит от изменений гидростатического давления в трубопроводе 2. Центральное отверстие, выполненное в упругих элементах 3 позволяет легко производить перенастройку глушителя путем замены горл 7 на горла различной длины через крышку 5. Возможность настройки (перенастройки) глушителя на нужный частотный диапазон звукоизолирующей эффективности обеспечена наличием комплекта съемных горл 7 различной длины, а также заглушек 9 для отверстий 8.
Глушитель работает следующим образом. Звуковая волна, распространяющаяся по трубопроводу 2 с рабочей жидкостью, возбуждает колебания рабочей жидкости в глушителе. При соблюдении условий выполнения уравнения неразрывности среды объемная колебательная скорость рабочей среды в горле 7 и внутри корпуса 1 глушителя одинакова. Поскольку площадь сечения горла 7 глушителя много меньше площади сечения корпуса 1 глушителя, линейная колебательная скорость рабочей среды в горле 7 много больше линейной колебательной скорости в корпусе 1. Следовательно, кинетическая колебательная энергия рабочей среды сосредоточена в горле 7, а потенциальная энергия - в корпусе 1. Таким образом, глушитель представляет собой колебательную систему типа «масса-жесткость», в которой в качестве массы выступает масса рабочей среды, сосредоточенная в горле 7, а жесткостью является объемная жесткость упругих элементов 3, определяемая их акустическим импедансом.
На частотах возбуждения перекачиваемой жидкости, близких к частоте резонанса глушителя, масса жидкости в горле 7 испытывает интенсивные колебания. При этом колебательная скорость жидкости вблизи места установки глушителя на трубопроводе 2 стремится к максимуму, а звуковое давление стремится к нулю. Таким образом, на резонансных частотах глушитель создает скачок акустического сопротивления, от которого происходит интенсивное отражение проходящей по трубопроводу 2 звуковой волны. Ширина частотного диапазона эффективности глушителя обратно пропорциональна его акустической жесткости. В результате, при достаточном количестве упругих элементов 3 создан глушитель, эффективный в широкой полосе частот. Изменяя колебательную массу рабочей среды глушителя путем установки различных по размерам горл 7, частота резонанса глушителя может быть изменена в частотном диапазоне порядка 4-5 октав.
Аналогичную горлу 7 роль играют отверстия 8, создающие дополнительную более высокочастотную колебательную систему, расширяющую звукоизолирующую эффективность глушителя в область более высоких частот. Настройка на необходимый частотный диапазон производится путем закрывания части отверстий 8 заглушками 9.
Установкой в трубопроводную систему подряд нескольких настроенных на одинаковый частотный диапазон глушителей реализуют принцип волноводной звукоизоляции [УДК: Кашина В.И., Исакович М.А., Тютекин В.В. «Применение систем резонаторов для звукоизоляции волн нулевого порядка в трубах и других длинных линиях». Сборник «Морское приборостроение», серия «Акустика», вып.1, 1972, стр.87], что существенно повышает общую звукоизолирующую эффективность системы глушителей в данном частотном диапазоне. При установке в трубопроводную систему нескольких настроенных на различные частотные диапазоны глушителей суммарная частотная область эффективности глушителей, соответственно, увеличивается.
Эффективность глушителей проверена в лабораторных условиях при работе опытного образца насоса системы охлаждения жидкой среды трубопровода. Испытаниям подвергалась группа из 4-х глушителей с унифицированными корпусами, настроенных на частоты 124 Гц, 300 Гц, 580 Гц и 800 Гц. Акустическая эффективность объединенных в систему глушителей проверялась по изменению звукового давления в точке, противоположной от места возбуждения жидкой среды, при замене глушителей на отрезок трубопровода. Экспериментальная частотная зависимость эффективности глушителей приведена на фиг.3, где по вертикальной оси отложена выраженная в дБ звукоизолирующая эффективность глушителей, а по горизонтальной оси - частота звукового давления. Из графика видно, что предлагаемый глушитель обладает звукоизолирующей эффективностью в широкой частотной области.
Таким образом, предлагаемый глушитель по сравнению с известными аналогичными устройствами обладает рядом эксплуатационных преимуществ, основными из которых являются независимость звукоизолирующей эффективности глушителя от изменений гидростатического давления рабочей жидкости, а также обеспечение возможности технологически простой настройки (перенастройки) частотного диапазона звукоизолирующей эффективности глушителя при сохранении унифицированного и оптимизированного по габаритам корпуса и упругих элементов.