УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ УРОВНЯ КОРПУСНОГО ШУМА, ИЗЛУЧАЕМОГО ЭЛЕМЕНТАМИ СИСТЕМЫ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЕЙ КОЛЕСНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Полезная модель относится к технике исследований источников шума колесных транспортных средств, выполняемых в акустической полубезэховой камере и конкретно имеет отношение к конструкциям устройств, применяемых для экспериментальных стендовых исследований корпусного шума, излучаемого элементами системы выпуска отработавших газов двигателей колесных транспортных средств.
Решение проблемы уменьшения акустического загрязнения окружающей среды и улучшения акустического комфорта наземных колесных транспортных средств - важная актуальная задача разработчиков и исследователей транспортной техники, требующая больших материальных, временных и интеллектуальных затрат. Наиболее мобильными и продуктивными процессами исследований и доводки, в частности, колесных транспортных средств по шуму и виброкомфорту являются экспериментальные исследования, проводимые в стендовых условиях, с привлечением многообразной техники имитации скоростных и нагрузочных режимов, идентичных дорожным - полевым условиям испытаний, например, динамических стендов с беговыми барабанами, стационарной измерительной и анализирующей аппаратуры. Постоянные, не зависящие от погоды и состояния дорожного покрытия условия испытаний, удобство фиксации и анализа измерительной информации способствуют все более широкому распространению стендовых исследований виброакустических процессов, протекающих в наземных колесных транспортных средствах. Ввиду того, что основным виброшумоактивным источником транспортного средства является его энергетическая установка - двигатель внутреннего сгорания (далее ДВС) и, в особенности, его система газообмена, включающая систему впуска и систему выпуска отработавших газов, как наиболее интенсивных источников шума, то весьма важно проводить их исследования и доводку на динамическом стенде при имитации различных скоростных и нагрузочных режимов путем изменения оборотов ДВС, угла открытия дроссельной заслонки и т.п. в условиях аналогичных условиям свободного звукового поля в которых находится транспортное средство при его эксплуатации на автостраде или открытом пространстве.
Достаточно полную имитацию условий скоростных и нагрузочных режимов движения автомобиля в реальных дорожных условиях можно достичь на стендах с беговыми барабанами, практика использования которых нашла широкое распространение на предприятиях производящих автотранспортную технику и в научно-исследовательских институтах. С другой стороны - условия свободного звукового поля возможно реализовать поместив этот динамический стенд с беговыми барабанами в специальное строительное сооружение - полубезэховую или безэховую акустическую камеру.
В связи с этим, современные технологии исследования акустических процессов, реализующихся на транспортных средствах - автомобилях, тракторах, мотоциклах и прочих видах колесных транспортных средств, предусматривают, в частности, применение специальных низкошумных беговых барабанов, позволяющих имитировать различные скоростные и нагрузочные режимы работы энергетических и трансмиссионных агрегатов транспортных средств в условиях размещения их в специальных безэховых или полубезэховых акустических камерах, способствующих формированию свободного звукового поля в зонах измерений.
Безэховая - полностью заглушенная или полубезэховая - заглушенная, с отражающим полом, испытательные камеры представляют собой помещение, установленное на отдельном, виброизолированном от основного здания фундаменте. В такой камере, виброизолированно от основного здания и корпуса камеры, размещается динамический стенд с беговыми барабанами или моторный тормозной стенд. Привод и тормозная установка размещаются в подвальном, или находящимся на одном уровне с камерой, специальном машинном помещении. Для приближения акустических свойств камеры к свободному звуковому полю выполняется направленное согласование акустических импедансов - сопротивлений воздушной среды в свободном пространстве камеры и в пористой структуре звукопоглощающего материала, облицовывающего - футерующего звукоотражающие поверхности стен, потолка, пола. Именно, поэтому конструкция звукопоглощающей облицовки стен, пола, потолка камеры выполняется пористой и имеет структурную плотность - пористость, плавно изменяющуюся по глубине покрытия в направлении распространения звуковых волн к жесткой звукоотражающей поверхности стен, пола, потолка. Причем, наибольшая плотность пористой звукопоглощающей облицовки реализуется непосредственно у стенок камеры, а наименьшая - на внешнем - приемном поверхностном слое звукопоглощающей футеровки стен и потолка помещения испытательной камеры. Необходимые условия такого волнового согласования сред распространения и поглощения звука в зонах стен и потолка достигаются, в частности, применением различных объемных поглотителей звука клинообразной - пирамидальной формы. Основными материалами, из которых изготавливаются звукопоглощающие поглотители, являются открытоячеистый пенополиуретан, стекловолокно, супертонкое базальтовое волокно, винипор с огнестойкой пропиткой.
Измерение шума выпуска отработавших газов ДВС колесного транспортного средства, в частности, легкового автомобиля для оценок достигнутых значений уровней излучаемого газодинамического шума выпуска, последующих сравнительных оценок эффективности шумозаглушающих характеристик глушителей шума системы выпуска, а также корпусного шума, излучаемого динамически возбуждаемыми стенками корпусов глушителей, трубопроводов и тонкостенных термоизолирующих экранов элементов системы выхлопа отработавших газов производится с использованием измерительных микрофонов, располагаемых вблизи от свободного - открытого, на заданном конкретном расстоянии, среза выхлопной трубы или от вибрирующей шумоизлучающей стенки корпусного элемента системы выпуска ДВС автомобиля, установленного в акустической полубезэховой камере на динамическом стенде с беговыми барабанами. Во время стендовых акустических исследований системы выпуска отработавших газов ДВС колесного транспортного средства, установленного на беговых барабанах динамического стенда, как правило, очень трудно добиться необходимой точности результатов измерений уровней звука при оценках эффективности шумозаглушающих характеристик различных конструкций глушителей, а также при исследовании корпусного шума, излучаемого элементами системы выпуска отработавших газов. Причина сложности получения объективных результатов заключается в наличии высокого уровня "паразитного" маскирующего шумового фона в точке измерений - в зоне установки измерительного микрофона вблизи среза выхлопной трубы или вблизи корпусного элемента системы выпуска. Высокий "паразитный шумовой фон", воспринимаемый в данном случае как "помехи", передается в эту измерительную зону в первую очередь из пространства моторного отсека исследуемого транспортного средства в виде шумового излучения работающего ДВС - излучения звука от вибрирующих поверхностей корпусных деталей ДВС, аэрогазодинамического шума систем впуска и охлаждения ДВС, кроме того, от вращающихся на барабанах стенда шин, контактирующих с рабочей поверхностью беговых барабанов стенда и излучающих шум вследствие этого взаимодействия, а также шума, излучаемого трансмиссионными агрегатами транспортного средства. Проблему ослабления уровня "паразитного" маскирующего шумового фона специалисты в области акустических исследований решают, например, применением дополнительных шумоизолирующих устройств в виде специальных акустических экранов, капсул, звукоизолирующих перегородок, выводом выхлопной трассы в отдельную автономную звукозаглушенную камеру. При оценке корпусного шума, излучаемого динамически возбуждаемыми стенками корпусов, трубопроводов и тонкостенных термоизолирующих экранов элементов системы выхлопа отработавших газов ДВС транспортного средства, как правило, применяется вывод выхлопной трассы за пределы пространства кузова колесного транспортного средства для максимального удаления от источников «паразитного шумового фона» и последующего звукоизолирования этих источников, в том числе - корпусного шума системы выпуска ДВС, от излучающих шум агрегатов трансмиссии, вращающихся на беговых барабанах шин колесного транспортного средства и тому подобных источников. В этом случае, возникают проблемы качественного, с точки зрения виброакустики, монтажа исследуемой выхлопной трассы в пространстве испытательной камеры. Зачастую стендовые устройства, используемые при исследовании корпусного шума элементов системы выпуска являются стационарными и нерегулируемыми устройствами транспортного средства или испытательного стенда, что усложняет и/или увеличивает длительность подготовки и проведения исследований выхлопных систем различной конфигурации выхлопных трасс и различным расположением по высоте отдельных устройств заглушения шума - глушителей.
Например, известно устройство оценки шума системы выхлопа ДВС, представленное в публикации Klaus Peter Mayer und Bernd Nowotny "Ein Berechnungsverfahren fur Abgasschalldampfer von Viertaktmotoren", MTZ Motortechnische Zertschrift 42 (1981) №10, стр.391-396., которое представляет собой расположенные рядом две спаренные испытательные камеры, в одной из которых смонтирован моторный стенд с присоединенной исследуемой системой выпуска, причем, свободный срез хвостовой части выхлопной трубы исследуемой системы выпуска выводится через соединительное окно в межкамерной перегородке во вторую, звукозаглушенную камеру, с установленным в ее пространстве измерительным микрофоном. Данное устройство оценки шума системы выхлопа ДВС является сложным и дорогостоящим, требует строительства дополнительных дорогостоящих камер и применения дополнительного стендового оборудования, а использовать его возможно только узконаправленно, в частности, оно позволяет исследовать только газодинамический шум, излучаемый свободным срезом хвостовой трубы глушителя. В это же время, оценка корпусного шума, излучаемого динамически возбуждаемыми стенками корпусов глушителей, корпусов нейтрализаторов, трубопроводов и тонкостенных термоизолирующих экранов элементов системы выхлопа отработавших газов, затруднена ввиду размещения части выхлопной трассы в зашумленном пространстве камеры моторного бокса, соединительном окне и звукопоглощающей облицовке измерительной акустической камеры. Представленный комплекс измерительных камер для исследования шума систем выхлопа отличается сложностью компоновки выхлопной трассы через соединительное окно межкамерной перегородки в процессе монтажа реальных объектов испытаний (конкретной модели ДВС и конкретного типа выхлопной системы) и обеспечения при этом высокой звукоизолирующей способности межкамерной перегородки. В особенности, это относится к применению выхлопных автомобильных систем - трасс, в которых корпуса глушителей и нейтрализаторов располагаются несоосно, с сдвоенными автономными выхлопными трассами, например, в широко применяемых V-образных 8-цилиндровых ДВС легковых автомобилей.
Из патента ФРГ DE 4019581, МПК 5 G01M 15/00, публ. 02.01.1992 г., известна конструкция устройства для оценки корпусного и газодинамического шума систем выхлопа ДВС в виде комплекса двух камер, с выводом выхлопной трассы в отдельное безэховое помещение. Существенным недостатком данной конструкции является ее узкая специализация, сложность и дороговизна строительного сооружения, сложность компоновки выхлопной трассы, невозможность многоцелевого использования данной испытательной камеры. Излучение звука корпусными элементами исследуемой системы выпуска производится в заглушенную камеру относительно небольшого объема, что неблагоприятно с точки зрения получения объективных результатов измерений вследствие формирования интенсивного вклада отраженного акустического поля, по сравнению с излучением звука в пространство крупногабаритных камер.
Известно устройство для исследования корпусного и газодинамического шума системы выпуска ДВС колесного транспортного средства, в частности, грузового автомобиля, представленное в публикации Mineichi INAGAWA, Koo NAKAMURA "Reducing Exhaust System Noise of Heavy Trucks", JSAE Review, 1980, №2, p.41-52. В соответствии с материалами данной публикации, при исследовании корпусного шума элементов системы выпуска, выхлопная трасса выводится вбок за пространство колесного транспортного средства, при этом вблизи транспортного средства со стороны вывода выхлопной трассы и вблизи свободного среза выхлопной трубы установлены звукоизолирующие панели. Кроме звукоизолирующей функции, панели выполняют роль опорных стоек трубопроводов исследуемой системы выпуска. Недостатком данного устройства для исследования корпусного и газодинамического шума системы выпуска ДВС колесного транспортного средства является жесткая и интенсивная передача вибровозбуждения на пол испытательного помещения через звукоизолирующие панели от трубопроводов исследуемой системы выпуска отработавших газов, что вызывает дополнительное динамическое возбуждение пола испытательной камеры, и, соответственно, излучение им дополнительного структурного шума, искажающего реальные характеристики акустического излучения корпусов элементов системы выпуска. Кроме этого, интенсивно вибрирующие элементы системы выпуска отработавших газов могут передавать вибровозбуждение на присоединительные элементы звукоизолирующих панелей с последующим излучением ими паразитного шума. Такая компоновочная схема установки выхлопной трассы отличается ограниченностью применения при исследовании колесных транспортных средств с различной высотой расположения выхлопной трассы, а также сложностью и отсутствием мобильности при монтаже-демонтаже данного устройства.
Известно устройство для исследования корпусного и газодинамического шума системы выпуска ДВС колесного транспортного средства, представленное в публикации Frank Lehringer "Die Berechnung der akustischen Eigenschaften von Abgasanlagen mit Hilfe von Transfermatrizen", Automobil Industrie, 1988, №6, стр.3-15. Данное устройство также имеет в качестве опорных стоек исследуемой выхлопной трассы сплошные звукоизолирующие перегородки и обладает аналогичными конструктивными недостатками, описанными выше.
Известно устройство для исследования корпусного и газодинамического шума системы выпуска ДВС колесного транспортного средства, представленное в публикации Frank Lehringer und Dieter Kattge "Schallabstrahlung von Abgasanlagen", ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 87 (1985) 10, стр.559-563. При исследовании корпусного шума элементов системы выпуска выхлопная трасса выводится в отдельное пространство, ограниченное перегородками, измерительные микрофоны устанавливаются вблизи трубопроводов и корпусов глушителей исследуемой системы выпуска. Перегородки являются жесткими опорными связями трубопроводов выхлопной трассы, принимающими вибрационное воздействие от вибрирующих участков трубопроводов, что приводит к динамическому возбуждению структур перегородок и, соответственно, переизлучению в виде структурного шума вибрирующих стенок перегородок в пространство с установленными измерительными микрофонами. Кроме этого, большая площадь поверхности установленных перегородок вызывает возникновение звукоотражающих эффектов от падающих на перегородки звуковых волн, излучаемых элементами исследуемой системы выпуска с последующим искажением звукового поля в измерительных точках. Вышеперечисленные недостатки приводят к искажению реальных характеристик корпусного шума трубопроводов, корпусов глушителей, термоизоляционных щитков системы выпуска ДВС колесного транспортного средства. Известное устройство для исследования корпусного и газодинамического шума системы выпуска ДВС колесного транспортного средства является достаточно громоздким, сложным и трудоемким при монтаже.
В качестве наиболее близкого по технической сущности аналога предполагаемого изобретения рассматривается устройство для оценки уровня корпусного шума, излучаемого элементами системы выпуска отработавших газов двигателей колесных транспортных средств, известное из описания к патенту на полезную модель RU 48224, МПК 7 G01M 17/00, G01H 5/00, опубликованное в бюллетене №27 от 27.09.2005., которое смонтировано в акустической камере с жестким звукоотражающим полом и содержит, в частности, звукоизолирующую перегородку, исследуемую выхлопную трассу, упруго смонтированную на подвеске, размещенные в непосредственной близости от выхлопной трассы измерительные микрофоны, а также легкосъемные поглотители звука, установленные на жесткую поверхность пола полубезэховой камеры в зоне расположения подвески исследуемой выхлопной трассы, выполненные из пористого волокнистого или пенистого звукопоглощающего материала на основе базальтовых или стеклянных волокон, открытоячеистого пенополиуретана, с защитной звукопрозрачной оболочкой из тонкой стеклоткани, или алюминизированной пленки и т.п. Недостатком известного устройства для оценки уровня корпусного шума, излучаемого элементами системы выпуска отработавших газов двигателей колесных транспортных средств, является плоская прямоугольная форма легкосъемных поглотителей звука, что ухудшает акустические свойства данных поглотителей и отрицательно влияет на точность и объективность результатов качественных акустических стендовых исследований систем выпуска ДВС.
Для улучшения акустических свойств поглотителей звука целесообразно обеспечить более качественное согласование акустических импедансов воздушной среды пространства камеры и пористой среды звукопоглощающего материала, ослабляющее процесс отражения звуковых волн в пространстве безэховой камеры. С этой целью, более предпочтительной является клинообразная - пирамидальная конструкция поглотителей звука, с направлением вершины звукопоглощающей пирамиды в сторону источника излучения звуковых волн - исследуемой выхлопной трассы.
Технической задачей на решение которой направлена предлагаемая полезная модель является обеспечение необходимых акустических условий, направленное на повышение точности измерений при проведении акустических стендовых исследований систем выпуска ДВС за счет улучшения акустических свойств поглотителей звука применяемых в устройстве для оценки уровня корпусного шума, излучаемого элементами системы выпуска отработавших газов двигателей колесных транспортных средств.
Сущность полезной модели заключается в том, что в известном устройстве для оценки уровня корпусного шума, излучаемого элементами системы выпуска отработавших газов двигателей колесных транспортных средств, смонтированном в акустической камере с жестким звукоотражающим полом и содержащем, в частности, звукоизолирующую перегородку, упруго смонтированную на подвеске, исследуемую выхлопную трассу, размещенные в непосредственной близости от выхлопной трассы измерительные микрофоны и установленные на жесткую поверхность пола полубезэховой камеры в зоне расположения подвески исследуемой выхлопной трассы, легкосъемные поглотители звука, звукопоглощающая поверхность легкосъемных поглотителей звука образована неразъемно сопряженными между собой пирамидами с боковыми гранями, выполненными под углом, величина которого находится в диапазоне 75-90 градусов и с вершинами направленными в сторону исследуемого источника излучения звуковых волн.
Устройство по полезной модели поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 представлена полубезэховая акустическая камера с установленным в ней, заявляемым в качестве полезной модели, устройством для оценки корпусного шума, излучаемого элементами системы выпуска отработавших газов двигателей колесных транспортных средств.
Позициями на фиг.1 обозначены:
1 - полубезэховая камера;
2 - звукопоглощающая облицовка кулисного типа;
3 - пружины;
4 - фундамент динамического барабанного стенда;
5 - беговые барабаны;
6 - колесное транспортное средство;
7 - звукоизолирующая перегородка;
8 - измерительные микрофоны;
9 - исследуемая выхлопная трасса;
10 - подвеска выхлопной трассы;
11 - раструб устройства для дистанционного отвода выхлопных газов.
12 - пол испытательной полубезэзовой камеры
13 - легкосъемные поглотители звука.
На фиг.2 представлена конструкция подвески выхлопной трассы, заявляемого в качестве полезной модели устройства для оценки корпусного шума, излучаемого элементами системы выпуска отработавших газов двигателей колесных транспортных средств.
На фиг.3 показан вид "А", сбоку на несущую П-образную стойку.
На фиг.4 показано сечение по А-А несущей П-образной стойки.
На фиг.5 показана звукопоглощающая поверхность поглотителей звука, с горизонтальной проекцией на ней исследуемой выхлопной трассы.
На фиг.6 показана конструкция поглотителя звука.
На фиг.7 схематично представлен вид исследуемой выхлопной трассы со стороны выхлопного патрубка.
Подвеска выхлопной трассы представляет собой набор несущих П-образных стоек 14 (см. фиг.2 и 3), выполненных из металлического замкнутого, с пустотелым сечением, трубчатого профиля 15, что позволяет впоследствии заполнить внутреннее пространство этого профиля сыпучим, пенистым или другим вибродемпфирующим веществом 16 (см. фиг.4), например: кварцевым песком, интегральной полимерной пеной, свинцовой, чугунной дробью, или сочетанием в смеси этих веществ в заданных пропорциях, для обеспечения требуемого высокого шумовибродемпфирующего эффекта в структуре стоек. Для снижения передачи вибрационного воздействия от несущей стойки на поп испытательной камеры, и от пола на несущую стойку, основание 17 несущей стойки футеровано упругой виброизолирующей подложкой 18, например, резиновой. В верхней части П-образной стойки жестко смонтированы, например, сварочным швом, две втулки 19 с внутренней резьбой в полости втулок. Во втулках 19 ввинчены регулировочные штифты 20 с вмонтированными на нижних торцах штифтов подвесными крюками 21. На подвесных крюках 21 подвешены упругие эластичные элементы 22, например, штатные элементы подушек подвески системы выпуска ДВС исследуемого колесного транспортного средства, к которым непосредственно, с использованием штатных крепежных кронштейнов, монтируется исследуемая выхлопная трасса. Регулировочные штифты 20 за счет соединения типа "винт-гайка" имеют возможность перемещаться в вертикальном направлении на заданную высоту, что позволяет выполнять регулировку подвески выхлопной трассы в зависимости от высоты расположения трубопроводов исследуемой системы выпуска ДВС колесного транспортного средства. Представленная конструкция подвески выхлопной трассы является малогабаритной, лепювесной, отличается простотой выполнения монтажных операций, легко переносится в заданное место установки или хранения.
На жестком полу 12 (см. фиг.1) испытательной полубезэховой камеры, в зоне смонтированной на подвеске исследуемой выхлопной трассы, установлены легкосъемные поглотители звука 13, выполненные из пористого звукопоглощающего материала 23 (см. фиг.6). Пористая структура звукопоглощающего материала 23 поглотителя 13 заключена в защитную звукопрозрачную оболочку 24, например, из тонкой стеклоткани, алюминизированной пленки, и т.п.. Сама пористая структура поглотителя 23 может представлять собой известный пористый волокнистый или пенистый звукопоглощающий материал, на основе базальтовых или стекляных волокон, из открытоячеистого пенополиуретана или другого аналогичного звукопоглощающего материала. Звукопоглощающая поверхность лепюсъемных поглотителей звука образована неразъемно сопряженными между собой пирамидами с боковыми гранями, выполненными под углом "а", величина которого, как установлено в результате практических экспериментальных исследований, должна находиться в диапазоне 75-90 градусов, а вершины соответственно должны быть направлены в сторону исследуемого источника излучения звуковых волн.
Защитная звукопрозрачная оболочка 24 поглотителя 13 изготавливается преимущественно из моющегося, огнестойкого, влаго-масло-бензостойкого материала, не пропускающего указанные вещества внутрь структуры поглотителя, легко подвергающегося очистке пылесосом или влажной очистке. Размеры поверхности, образованной установленными поглотителями звука 13, определяются с учетом габаритов исследуемой выхлопной трассы 9. При регистрации уровней корпусного шума, излучаемого корпусами глушителей, нейтрализаторов, компенсаторов колебаний, трубопроводами, термоизоляционными щитками - измерительные микрофоны 8 (см. фиг.1) располагаются в непосредственной близости от поверхностей исследуемой выхлопной трассы, на расстоянии, задаваемым исследователем для решения конкретных технических задач и целей исследований, а излучение аэрогазодинамического звука открытым срезом выхлопного патрубка и выброс отработавших газов ДВС производится в открытый раструб 11 устройства для дистанционного отвода выхлопных газов.
Практическая реализация устройства по предлагаемой полезной модели позволяет уменьшить эффект звукоотражения звуковых волн от внешней поверхности элементов поглотителей звука и повысить точность измерений при проведении акустических стендовых исследований систем выпуска ДВС.