УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ ЗВУКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ЛОКАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ

Полезная модель относится к технике исследования источников шума транспортных средств, выполняемых как в дорожных (полевых) условиях, так и в стендовых условиях, например, в акустической полубезэховой (с жестким звукоотражающим полом) камере с беговыми барабанами, имитирующей дорожные (полевые) режимы испытаний, и конкретно имеет отношение к конструкциям микрофонных стоек, применяемых для установки измерительных микрофонов, регистрирующих акустические сигналы в конкретной измерительной точке пространства, на заданном расстоянии и с заданным углом разворота оси микрофона относительно исследуемого объекта испытаний.
Весьма актуальной является задача разработки транспортных средств с высоким виброакустическим комфортом на рабочем месте водителя, что связано с его возможным утомлением от воздействия высоких шумов и вибраций и, в конечном итоге, с безопасностью эксплуатации транспортного средства. Данная проблема актуальная и для пассажирских отделений транспортных средств с целью обеспечения в них высокого виброакустического комфорта, создания повышенных потребительских свойств и конкурентоспособности.
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 дорожных (полевых) условиях, с привлечением портативной измерительной и анализирующей аппаратуры.
Ввиду того, что основными виброшумоактивными источниками транспортного средства являются его энергетическая установка - двигатель
внутреннего сгорания (ДВС), в особенности, его система газообмена, включающая систему впуска и систему выпуска отработавших газов, как наиболее интенсивных газодинамических источников шума, а так же корпусные (картерные) детали ДВС и трансмиссионных узлов, излучающие структурный шум, т.е. шум генерируемый вибрирующими стенками корпусных (картерных) деталей, то весьма важно проводить их целенаправленные исследования, доводку и оптимизацию механоакустических характеристик, с тем, чтобы обеспечить минимальное звуковое излучение от внешних вибрирующих стенок этих деталей. При проведении акустических исследований транспортных средств используется различное приборное оборудование, регистрирующее акустические излучения от исследуемых источников (объектов) и, в частности, устройства для установки и позиционирования измерительных микрофонов в заданных измерительных точках. Как правило, эти устройства выполняются в виде треножных или одностоечных микрофонных стоек.
Проведение объективных качественных и количественных экспериментальных оценок изменения акустических качеств различных доработанных вариантов конструкций агрегатов ДВС и трансмиссии часто затруднено наличием высокого уровня шумового фона в точке измерений. В ряде случаев, «полезный» (излучаемый непосредственно исследуемым агрегатом) акустический сигнал, регистрируемый измерительным микрофоном, соизмерим или даже ниже по уровню с сигналом шумовых помех (например, шумовых помех от стендового приводного оборудования, на котором испытывается и оптимизируется данный агрегат по виброакустике). В этом случае, для объективного выбора наименее шумообразующего конструктивного варианта опытного образца агрегата по результатам измерений уровней шума с использованием аппаратурных измерительных средств, требуется значительное подавление внешних шумовых помех, что, как правило, не всегда технически осуществимо или же нецелесообразно по стоимостным соображениям. Другим, более рациональным, дешевым и простым в осуществлении способом является оценка излучающей звук локальной зоны поверхности агрегата с направленной установкой измерительного микрофона в непосредственной близости от исследуемого объекта (например, под днищем кузова автомобиля или в «стесненном», загроможденном агрегатами и системами пространстве моторного отсека транспортного средства при закрытом капоте, и использование специальных звукоизолирующих устройств, охватывающих оцениваемую локальную зону излучающей звук поверхности агрегата, в виде малой
звукоизолирующей камеры, плотно прилегаемой к поверхности излучения корпусной детали агрегата открытым окном и в полости которой находится измерительный микрофон. В этом случае, шумовые помехи (звуковое излучение от «посторонних, не исследуемых» источников) в зоне измерительного микрофона являются существенно ослабленными, а соотношение сигналов («полезный» сигнал - шумовые помехи) - возрастает. Таким образом, увеличивается динамический диапазон измерений, измерения носят более объективный характер и появляется возможность оценок акустических характеристик различных конструктивных исполнений (доработок) исследуемого агрегата в более широком динамическом и частотном диапазонах. Кроме этого, установка микрофонов в таких труднодоступных местах с использованием треножных и одностоечных стоек, зачастую технически невозможна, либо связана с определенными трудностями, обусловленными необходимостью применения неустойчивых консольных микрофонных стрел и сложностью обеспечения точного позиционирования микрофонов в пространстве исследуемой локальной зоны.
Известно устройство для позиционирования измерительной аппаратуры при исследовании звукового излучения транспортных средств, представленное в публикации «Akustik-und Schwingungs-komfort des neuen BMW 5er», Sonderausgabe von ATZ und MTZ, 2003 г., стр.154-159. В данной публикации, в частности, приведен пример исследования шума автомобиля BMW 5-ой серии в условиях стендовых испытаний на беговых барабанах динамометрического стенда, установленного в акустической полубезэховой камере. Для монтажа измерительных микрофонов в камере размещены телескопические микрофонные треножные стойки с консольными микрофонными стрелами, конструкция которых так же не позволяет производить установку измерительных микрофонов ни под днищем (полом) кузова автомобиля, ни в замкнутом пространстве моторного отсека при закрытом капоте. В связи с этим, представленные в данной публикации устройства для позиционирования измерительной аппаратуры при исследовании звукового излучения транспортных средств обладают теми же конструктивными недостатками, что и описанные выше и имеют ограниченное применение.
Известен способ и устройство измерения акустического излучения коробок перемены передач транспортных средств в виде жесткой оболочки конусообразной формы малой заглушенной камеры, герметично примыкающей к стенке картера исследуемой коробки передач. Один конец камеры, выполненный
в виде цилиндрической части диаметром 250 мм - открыт, другой, диаметром 70 мм, - закрыт. Открытый конец (окно) такой измерительной заглушенной камеры плотно сопрягается с шумозаглушающим участком стенки картера коробки передач с использованием резинового уплотнительного кольца, а в зоне закрытого торца с отверстием для вывода кабеля из камеры - установлен измерительный микрофон. Стенки камеры изнутри футерованы звукопоглощающим материалом (см. публикацию в журнале MTZ, 1971, 25,Mai, s. 145... 152, Thien G. und Fachbach H. Gerauschverminderung an Dieselmotoren durch Ander - und auberen Bauteile und schalldammenden Verkleiden). В данной публикации указано на неразрешенную проблему и не полностью преодолеваемые трудности конструирования заглушенной измерительной камеры такого типа с тем, чтобы избежать образования в ней интенсивных звуковых давлений на собственных модах воздушной полости образуемой оболочкой камеры, как путем ограниченного варьирования размерами и геометрией камеры, так и использования в ней футеровки стенок звукопоглощающим материалом. Учитывая, что замкнутое пространство камеры образовано жесткой несущей оболочкой из плотного звукоотражающего материала - данная проблема может быть решена лишь частично, так как пористый звукопоглощающий материал внутренней футеровки камеры может лишь ограниченно ослабить резонансное усиление звука на собственных модах воздушной полости камеры. Вследствие этого, частотные характеристики измерительного тракта становятся существенно нелинейными (с эффектами усиления на частотах собственных мод камеры), а сами измерения, в связи с этим, в определенной степени - теряют свою объективность. С другой стороны, несмотря на применение виброизолирующего уплотнителя на открытом конце камеры, в силу его естественной ограниченной виброизолирующей способности, при измерениях звукового излучения от интенсивно вибрирующих поверхностей стенок картера трансмиссионных узлов, возможно существенное структурное возбуждение жесткой несущей оболочки камеры с соответствующим дополнительным генерированием структурной составляющей звуковой энергии в замкнутое пространство в зоне измерительного микрофона, что дополнительно исказит частотную характеристику измерительного тракта и снизит объективность оценок акустических характеристик испытуемого агрегата. Также передаваемая к микрофону по несущей жесткой оболочке вибрационная энергия может отрицательно сказаться на его надежности и долговечности в процессе длительной эксплуатации устройства.
2
Известно также устройство для измерения акустического излучения поверхности тела по авторскому свидетельству СССР №539386, М.кл H 04 R 29/00, публ. 15.12.76, БИ №46, содержащее микрофон, подвешенный посредством пружин в жестком конусообразном кожухе, выполненном с противоположных сторон - с выпуклой крышкой и с входным отверстием и снабженным расположенным внутри него конусообразным звукопоглощающим покрытием. Наряду с высокой чувствительностью данного устройства, оно обладает аналогичными отрицательными техническими характеристиками, присущими известным вышеуказанным устройствам - большими нелинейными искажениями, вносимыми резонирующей на собственных модах замкнутой воздушной полостью, образуемой жесткой оболочкой, в которой помещен измерительный микрофон и сопрягаемой локальной поверхностью стенки картера исследуемого агрегата, потенциально возможным вибрационным возбуждением жесткой оболочки устройства от стыковочных зон с вибрирующей поверхностью исследуемого объекта и переизлучением, вследствие этого, структурного звука в воздушную полость оболочки, нежелательной передачей вибровозбуждения на чувствительный элемент микрофонного капсюля.
Известно устройство для позиционирования измерительной аппаратуры при исследовании звукового излучения транспортных средств в акустической полубезэховой камере, представленной в свидетельстве на полезную модель Российской Федерации №30195, МПК7 G 01 М 17/00, публ. 20.06.2003, БИ №17 - принятое в качестве прототипа. На фиг.1 данной публикации, показаны измерительные микрофоны, установленные на полу камеры на треножных, регулируемых по высоте, стойках телескопического типа, предназначенные, в силу своих габаритов и ограниченных функциональных возможностей, преимущественно для измерений внешнего шума транспортного средства, которые, в это же время, не обеспечивают, в частности, возможности установки микрофонов как под днищем кузова транспортного средства, так и в «стесненном» пространстве моторного отсека на малых расстояниях и заданной угловой ориентацией к конкретным локальным излучателям звука.
Технический результат заявляемого технического решения выражается, в частности, в устранении или, по крайней мере, существенном ослаблении воздействия вышеперечисленных отрицательных свойств и факторов, присущих известным измерительным и позиционирующим устройствам.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве для позиционирования измерительной аппаратуры и измерения звукового излучения
от локальных источников на транспортных средствах, содержащем замкнутую звукоизолирующую камеру конусообразной формы, открытым концом герметично примыкающую к локальной шумоизлучающей исследуемой зоне поверхности, микрофонную стойку с микрофонной державкой штатива с закрепленным измерительным микрофоном, установленным внутри замкнутой полости звукоизолирующей камеры и микрофонным предусилителем сигналов, подключенным посредством кабеля к регистрирующей аппаратуре, микрофонная стойка выполнена в виде компактной складывающейся конструкции, трансформирующейся в ограниченном монтажном пространстве, например, на полу измерительной камеры под днищем кузова транспортного средства, или на поверхности кузовной панели в замкнутом пространстве моторного отсека транспортного средства и состоит из Г-образного кронштейна и регулировочной пластины, устанавливаемых на опорной платформе, оборудованной вибропоглощающими опорами, выполненными в виде резиновых присосок, на полке кронштейна смонтирована виброизолирующая накладка, соединенная с шаровым переходником, сочленение подвижных деталей устройства в местах соединения основания с регулировочной пластиной, регулировочной пластины с кронштейном, кронштейна с шаровым переходником выполнены между собой болтами-барашками со стопорными шайбами, внутри звукоизолирующей оболочки размещен закладной элемент, выполненный в виде жесткого стержневого каркаса, металлической или полимерной сетки со сквозными отверстиями или ячейками, или перфорированных металлических или полимерных листов, по обе стороны закладного элемента размещены открытопористые звукопоглощающие футеровки, например, из листового вспененного открытоячеистого пенополиуретана, цельноформованного волокнистого материала из натуральных или искусственных волокон со связующими, или другого, аналогичного по своим физико-механическим свойствам пористого звукопоглощающего материала, звукоизолирующая оболочка снабжена уплотнительной эластичной частью, выполненной в виде торцевого пазового выреза, размещенной между торцом закладного элемента и поверхностью объекта испытаний, микрофон установлен в звукоизолирующей оболочке посредством втулки из упругого-демпфирующего материала (например, резины), смонтированной в закладном элементе, внешние поверхности пористого материала звукоизолирующей оболочки облицованы тонкой звукопрозрачной пленкой, например, полиэстеровой, уретановой, тканевой (типа малифриз), фольгой алюминизированной, или другого типа
пленкой или покрытием с близкими акустическими и эксплуатационными характеристиками.
Для повышения прочности контакта, монтажная поверхность присосок вибропоглощающих опор может контактировать с соответствующей поверхностью источника локального звукового излучения посредством слоя липкого (клеевого) вещества.
Сущность полезной модели иллюстрируется на чертежах (фиг.1, фиг.2). В заявляемом устройстве (фиг.1), включающем измерительный микрофон 1, помещенный в замкнутую звукоизолирующую оболочку 2, содержащую открытое измерительное окно с сопрягающейся исследуемой поверхностью 21 (фиг.2), например, стенкой блока цилиндров ДВС 22, излучающей шум данного объекта испытаний, не содержится сплошной жесткой плотной несущей оболочки. Несущим элементом устройства звукоизолирующей оболочки камеры является несущий закладной элемент 3, типа жесткого стержневого каркаса, металлической или полимерной сетки, перфорированного металлического или полимерного листа со сквозными отверстиями или ячейками. По обе стороны одного из возможных вариантов конструктивного исполнения такого несущего элемента звукоизолирующей оболочки камеры устанавливаются открытопористые звукопоглощающие футеровки 4 и 5, например, из листового вспененного открытоячеистого пенополиуретана, цельноформованного волокнистого материала из натуральных или искусственных волокон со связующими, или другого типа известного эффективного пористого звукопоглощающего материала. Гарантированное уплотнение замкнутой звукоизолирующей оболочки от передачи в ее полость внешних «паразитных» шумовых сигналов обеспечивается эластичной уплотнительной частью 6, выполненной в виде торцевого пазового выреза, в которой отсутствует жесткий несущий закладной элемент, за счет эластичного плотного прилегания с возможным уплотнительным герметизирующим деформированием в зоне прилегания 7 пористых звукопоглощающих футеровок к исследуемой звуко излучающей поверхности. Такая звукопоглощающая структура оболочки камеры не образует замкнутой звукоотражающей воздушной полости с присоединяемой исследуемой шумоизлучающей поверхностью исследуемого объекта и не создает, в связи с этим, условий для формирования собственных мод замкнутой воздушной полости камеры и ее резонансного возбуждения, искажающего амплитудно-частотную характеристику измерительного тракта в целом, так как структура стенок камеры, включая
несущий закладной элемент и пористый слой, является не плотной звукоотражающей, а пористой звукопоглощающей. Именно вследствие сквозной пористости по всей толщине стенки пористого слоя такой оболочки, облицованной звукопрозрачной пленкой, и высоких звукопоглощающих свойств такой структуры стенок исключается формирование в воздушной полости под оболочкой выраженных собственных мод полости, искажающих амплитудно-частотную характеристику измерительного тракта. В это же время, с другой стороны, зона нахождения микрофона в замкнутой полости, вследствие высоких звукопоглощающих свойств пористой оболочки, в достаточной степени звукоизолирована от внешних шумовых помех (шумового фона), за счет процесса поглощения энергии «паразитных» шумов, в особенности в области средних и высоких частот звукового спектра, где звукопоглощающая способность пористых вспененных или волокнистых материалов является наиболее высокой, а излучающие агрегатами шумы от работы, например, зубчатых зацеплений трансмиссионных агрегатов транспортных средств в данном частотном диапазоне, как известно, носят доминирующий характер. Даже в случае интенсивного структурного вибрационного возбуждения перфорированных стенок несущего элемента камеры, собственное излучение звука от такой перфорированной структуры будет чрезвычайно слабым вследствие реализации процесса короткого акустического замыкания протекающего в зонах перфорированных отверстий путем интенсивного выравнивания полей давлений через данные отверстия. С другой стороны, перфорированная оболочка, как излучатель звука, отличается и малой площадью самого излучателя (площадью каркаса с исключенной площадью отверстий в стенке). Отсутствие непосредственного жесткого контакта между несущим закладным элементом и исследуемой поверхностью позволяет снизить передачу структурной вибрационной энергии при измерениях звукового излучения от интенсивно вибрирующих поверхностей стенок, например, исследуемого картера трансмиссионных узлов. Для снижения вибрационной энергии несущего закладного элемента, которая может отрицательно сказаться на надежности и долговечности микрофона в процессе длительной эксплуатации устройства, а также для удобства монтажа микрофона в звукоизолирующей оболочке, применяется резиновая втулка 8, которая дополнительно исключает непосредственный жесткий вибрационный контакт микрофонного предусилителя 9 и несущего закладного элемента и, за счет упругих свойств резины, надежно удерживает микрофон в посадочном гнезде камеры, позволяя при
необходимости корректировать расстояние от плоскости чувствительного элемента микрофона до измеряемой поверхности. Для повышения эксплуатационных характеристик камеры в процессе ее длительной эксплуатации, сохранения стабильных звукопоглощающих свойств стенками, исключение попадания в пористую структуру стенок камеры влаги, пыли, масла, топлива, удобства очистки стенок без заметного ухудшения звукопоглощающих свойств пористого материала, футерующего несущий каркас камеры, внешние поверхности пористого материала содержат тонкую звукопрозрачную пленку 10, например, алюминизированную полиэстеровую, уретановую, тканевую (типа малифриз), или другого типа пленку или покрытия с близкими акустическими и эксплуатационными характеристиками. Микрофонная стойка, выполнена в виде двух металлических (например, стальных или алюминиевых) пластин - Г-образного кронштейна 11 и регулировочной пластины 12. В зависимости от схемы трансформации, обеспечиваемой заданное пространственное расположение микрофона, нижняя часть регулировочной пластины и (или) кронштейна соединяется с помощью болта-барашка (для удобства пользования) 13 со стопорной шайбой 14, обеспечивая, таким образом, надежное закрепление регулировочной пластины и (или) кронштейна, с опорной платформой 15, выполненной в виде металлического (например, алюминиевого) основания для повышения устойчивости устройства в целом за счет понижения центра тяжести устройства с тремя лапками, на концах которых установлены резиновые подушки-присоски 16, обеспечивающие устойчивую безопасную эксплуатацию устройства, ввиду исключения возможного опрокидывания стойки и надежное закрепление основания на устанавливаемой поверхности, например, на наклонных поверхностях панелей брызговиков колес (фиг.2) 23 в замкнутом пространстве моторного отсека транспортного средства, ограниченном силовым агрегатом (ДВС) 22, капотом 24. На интенсивно вибрирующие опорные поверхности, например, поверхности панелей кузова транспортного средства, резиновые подушки-присоски для повышения прочности контакта устанавливаются с применением клеевого слоя.
С другой стороны, резиновые подушки-присоски являются эффективными вибропоглотителями, которые снижают передачу вибрационной энергии от, например, вибрирующих поверхностей панелей кузова, таким образом, снижая уровни вибрационных помех воздействующих на измерительный микрофон и повышая точность измерений уровней шума. Кронштейн 11 и регулировочная пластина 12 соединяются при различных схемах трансформации также болтами-
барашками (для удобства пользования) 13 со стопорными шайбами 14. На верхней полке кронштейна 11 через наклеенную вибродемпфирующую накладку 17 (например, резиновую), применяемую для дополнительного ослабления вибрационной энергии, передающейся на кронштейн (реализуется двойной каскад виброизоляции), которая может отрицательно сказаться на надежности и долговечности микрофона в процессе длительной эксплуатации устройства, устанавливается шаровой переходник 18 штатной микрофонной державкой 19, в которой монтируется микрофонный предусилитель 9 с микрофоном 1 и соединительным кабелем 20. Шаровой переходник позволяет значительно расширить возможности трансформации предлагаемой микрофонной стойки, обеспечивая заданную угловую пространственную ориентацию микрофона относительно локального излучателя звука. Таким образом, достигаются малые габариты и компактность конструкции устройства при устойчивом надежном закреплении устройства на устанавливаемой поверхности, повышается точность измерений и надежность в эксплуатации измерительных средств (микрофонов).
[1] Свидетельство на полезную модель Российской Федерации №30195, МПК7 G 01 М 17/00, публ. 20.06.2003, БИ №17 - прототип.[2] Thoma G.; Bersiner F.:
«Akustik-und Schwingungs-komfort des neuen BMW 5er», Sonderausgabe von ATZ und MTZ, №7, 2003 г., стр.154-159.
[3] «Thien G. und Fachbach H. Gerauschverminderung an Dieselmotoren durch Ander - und auberen Bauteile und schalldammenden Verkleiden», MTZ, 1971, 25, Mai, стр.145-152.
2
[4] Авторское свидетельство СССР №539386 М.кл. H 04 R 29/00, публ. 15.12.76, БИ №46.