РЕЗОНАНСНЫЙ ШУМОГЛУШИТЕЛЬ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА
RESONANT SOUND DAMPER OF REFLECTING TYPE

Изобретение относится к области устройств подавления излучения звука в окружающую среду в системах удаления отходящих промышленных газов.
Известен шумоглушитель активного типа (http://wayblog.ru/pages/konstrukcia-shumoglushiteley.html), в котором используется эффект нейтрализации шума воздействием эквивалентного шума, отстающего от основного на половину длины волны. Шумоглушитель состоит из трубчатого шумоглушителя, на торцах которого размещены: микрофон детектирования на входе и контрольный на выходе из шумоглушителя. Микрофон детектирования воспринимает входящий звук и передает его на электронное вычислительное устройство, которое определяет спектр частот и вырабатывает электрические сигналы звука, подавляющего шум и отстающего от основного на половину длины волны, которые передает на громкоговоритель. В результате сложения звуковых волн основного и генерируемого шумов происходит гашение. Контрольный микрофон на выходе контролирует уровень звукового давления на выходе из шумоглушителя и вносит необходимые коррективы в работу электронного генератора подавления шума.
Недостатком этого метода является невозможность его реализации в системах удаления отходящих промышленных газов из-за сложности устройства, трудности реализации громкоговорителя, способного подавить звук в большом сечении дымовой или вентиляционной трубы, непригодность компонентов глушителя к использованию в газах с высокой температурой и/или насыщенных парами агрессивных жидкостей.
Известен вентиляционный шумоглушитель (патент РФ 2279015), имеющий корпус, ограниченный стенками и присоединительными элементами, зигзагообразные воздухопроводящие каналы, образуемые внутри корпуса его стенками и шумопоглощающими элементами. Воздухопроводящие каналы внутри корпуса выполнены в виде ряда чередующихся, различных по высоте косоугольных конфузоров и диффузоров с углами схождения и раскрытия, образующими циклично переменные в сечении зигзагообразные проходы для воздуха по ширине корпуса с перекрытием прямого просвета через присоединительные элементы. Повышается эффективность шумоглушения на низких частотах звука, выравнивается общая частотная эффективность вентиляционного шумоглушителя при одновременном сокращении удельных массогабаритных показателей.
Недостатком этого глушителя является уменьшение поперечного сечения трубопровода, в котором он устанавливается, что приводит к увеличению аэродинамического сопротивления трубопровода, в котором он устанавливается, и, как следствие, к увеличению габаритов, мощности и энергопотребления тягодутьевых устройств, обеспечивающих движение газов в трубопроводе.
Известны абсорбционные глушители (ГОСТ 31328-2006. Руководство по снижению шума глушителями, Ф.Е.Григорьян, Е.А.Перцовский. Расчет и проектирование глушителей шума энергоустановок. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние. 1980), в которых используется гашение звука звукопоглощающими волокнистыми облицовочными материалами.
Недостатком абсорбционных глушителей является то, что охлаждение дымовых газов приводит к конденсации влаги, которая насыщает волокнистые облицовки и снижает эффективность. Особенно это проявляется в холодное время года и при работе агрегатов с перерывами, что типично для условий работы многих металлургических производств с невысокой степенью загрузки оборудования.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является система отвода газа с резонаторами Гельмгольца (патент США 6705428). Резонаторы Гельмгольца устанавливаются в разных местах трубопровода отвода газа (включая дымовую трубу), причем резонаторы Гельмгольца экранированы от потока газа акустически прозрачным образом перфорированными стенками с абсорбционными шумоглушителями. Резонаторы Гельмгольца должны устанавливаться в пучностях давления звуковых волн. Для поглощения звука средних и высоких частот устанавливается абсорбционный глушитель в газоотводящем тракте.
Недостатком этого устройства является то, что для эффективного шумоподавления в режиме широкополосного поглощения звука для его реализации требуется большое количество крупногабаритных резонаторов Гельмгольца. Во многих случаях реального производства для установки такого количества резонаторов Гельмгольца такого размера просто нет места. Для того чтобы установить резонаторы Гельмгольца в пучностях давления звуковых волн, выдвигаются специальные требования ко всему тракту газоотвода, что приводит к излишним конструктивным и строительным сложностям. Применение резонаторов Гельмгольца для поглощения звука низкой частоты не избавляет от необходимости устанавливать абсорбционный глушитель для поглощения звука средних и высоких частот, что порочит саму идею использования резонаторов Гельмгольца. Кроме того, из-за больших размеров резонаторов Гельмгольца они имеют большую теплоотдающую поверхность, так что для поддержания неизменной частоты резонанса их приходится термоизолировать. Наконец, абсорбционные шумоглушители обладают вышеупомянутыми недостатками, свойственными всем абсорбционным шумоглушителям.
Основной задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание малогабаритного стабильного устройства подавления излучения звука в окружающую среду в системах удаления отходящих промышленных газов, способного работать с широким спектром высокотемпературных промышленных газов, насыщенных пылью и парами агрессивных жидкостей, и не создающего большого аэродинамического сопротивления отходящим газам.
Поставленная цель достигается тем, что резонаторы Гельмгольца используются не в режиме поглощения звука, а в режиме его отражения, для чего выполняется определенное соотношение между импедансом резонатора Гельмгольца и импедансом среды в трубопроводе. Отраженный звук возвращается к источнику звука, тогда как мощность звука, излучаемого в окружающую среду, падает. Некоторое возрастание интенсивности звука в трубопроводе до шумоглушителя практически не заметно на фоне многочисленных источников производственного шума. Так как резонаторы Гельмгольца, работающие в режиме отражения звука, много меньше по габаритам, чем резонаторы Гельмгольца, работающие на поглощение, то их полный набор можно установить внутри кожуха небольших габаритов, что обеспечивает их естественное термостатирование теплом отходящих газов и поддержание высокой стабильности частоты резонанса каждого резонатора и полосы отражения всего набора резонаторов.
На фиг.1 представлен резонансный глушитель отражательного типа.
Устройство содержит акустически прозрачный перфорированный трубопровод 1, первый и второй фланцы 2 и 3 соответственно, насаженные на края этого трубопровода 1, наружный кожух 4 (не показан), охватывающий устройство по периметру фланцев 2 и 3, набор резонаторов Гельмгольца 5, оснащенных горловинами 6 и установленных в объеме, ограниченном фланцами 2 и 3, акустически прозрачным перфорированным трубопроводом 1 и кожухом 4, при этом объем каждого резонатора Гельмгольца и геометрия его горловины выбираются таким образом, чтобы импеданс каждого резонатора превышал импеданс среды не менее чем в 3,4 раза, а полоса отражаемых частот для всего резонансного шумоглушителя охватывала полосу частот подавляемого шума.
Резонансный глушитель отражающего типа устанавливается в разрыв трубопровода отвода отходящих газов, при этом внутренний диаметр этого трубопровода равен внутреннему диаметру акустически прозрачного перфорированного трубопровода 1 резонансного глушителя. Волны звука, распространяющиеся по акустически прозрачному перфорированному трубопроводу 1 в среде отходящих газов, возбуждают собственные колебания в наборе резонаторов Гельмгольца 5 на резонансной частоте каждого резонатора. Резонансная частота определяется геометрическими характеристиками горловин 6 и объемом резонаторов. Объем резонаторов выбирается также таким образом, чтобы для каждого резонатора выполнялось такое отношение акустического импеданса резонатора к акустическому импедансу среды, при котором мощность отраженной резонатором волны звука превышает поглощенную резонатором мощность и режим работы набора резонаторов Гельмгольца 5 на отражение становится выгоднее их работы на поглощение.
Для практического использования данного устройства необходимо получить значение отношения импедансов резонатора Гельмгольца и среды, при котором мощность отраженной им волны звука превысит мощность поглощенного им звука.
1
2
2
Пусть Z - импеданс среды распространения звука [кг/с], Z - импеданс резонатора Гельмгольца [кг/с], Pпад - действующее значение акустического давления волны звука, распространяющейся в трубопроводе [Н/м], Sтр - поперечное сечение трубопровода.
Использование электроакустической аналогии (Справочник по акустике. Иоффе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. / Под редакцией М.А.Сапожкова. - М.: Связь, 1979), представляющей резонатор Гельмгольца последовательным LCR-контуром, позволяет записать мощность, поглощаемую резонатором Гельмгольца, следующим образом:
2
2
Mпог=(Pпaд*Sтp)/Z, Вт.
1
2
Акустическое давление в волне, отраженной от границы раздела сред с импедансами Z и Z (граница раздела создается как раз резонатором Гельмгольца), равно
2
1
2
1
Pотр=Pпад*((Z-Z)/(Z+Z)).
Соответственно, мощность отраженной волны можно записать в виде:
2
2
2
1
2
1
2
1
1
Mотр=(Pотр*Sтр)/Z=(Pпад*Sтр)*((Z-Z)/(Z+Z))/Z, Вт.
Отношение отраженной акустической мощности к поглощенной равно:
2
1
2
1
2
1
2
γ=Mотр/Mпог=((Z-Z)/(Z+Z))*(Z/Z).
2
1
Введем отношение импедансов α=Z/Z, тогда
2
γ=α((α-1)(α+1)).
Для пограничного значения γ=1, определяющего равенство поглощенной и отраженной мощностей, можно найти значение α, решив кубическое уравнение
2
α((α-1)(α+1))=1.
Численное решение дает значение α≈1,4.
Импеданс резонатора Гельмгольца (в его основной, излучательной части) равен
2
2
Z=(ρ/4πс)ωSгр (Справочник по акустике. Иоффе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. / Под редакцией М.А. Сапожкова. - М.: Связь, 1979), где ρ - плотность среды, с - скорость звука в среде, ω - собственная круговая частота, Sгр - поперечное сечение горловины резонатора Гельмгольца.
Собственная круговая частота колебаний резонатора Гельмгольца равна:
1/2
ω=c(Sгp/LгpV) (Справочник по акустике. Иоффе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. / Под редакцией М.А. Сапожкова. - М.: Связь, 1979), где Lгр - длина горловины резонатора Гельмгольца.
С использованием выражения для собственной частоты импеданс резонатора Гельмгольца можно записать в виде:
2
3
Z=(ρс/4π)*(Sгр/LгрV).
Из выражения для Mпог следует, что для увеличения поглощения звука резонатором Гельмгольца необходимо уменьшать его импеданс или, как следует из последнего выражения, увеличивать объем. Именно поэтому поглощающие резонаторы Гельмгольца имеют очень большие габариты.
Напротив, из выражения для Mотр следует, что для увеличения отражения от резонатора Гельмгольца надо увеличивать его импеданс и, соответственно, уменьшать объем.
Резонансную частоту при данном объеме резонатора можно определить геометрией его горловины.
Малогабаритные резонаторы Гельмгольца из набора 5 легко компонуются в небольшую конструкцию и находятся при одной и той же температуре отходящих газов, как правило, существенно превышающих температуру окружающей среды. Даже при изменении температуры газов, температура резонаторов Гельмгольца изменяется синхронно, так что полоса излучения набора резонаторов 5 смещается параллельно самой себе вдоль оси температур, так что, в сущности, смещаются только границы полосы излучения. Последнее легко учитывается некоторым расширением этой полосы.
Соотношения, связывающие резонансную частоту, добротность и импеданс резонатора Гельмгольца с его геометрией, приведены во множестве источников, например в книге Ларионов В.М., Зарипов Р.Г. Автоколебания газа в установках с горением. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2003. 227 с.
Справедливость приведенных соображений и реализуемость устройства подтверждены экспериментально построением и вводом в эксплуатацию резонансного глушителя по фиг.1 (кожух устройства не показан) на установке сушки скрапа. На фиг.2 приведены спектры шума установки сушки скрапа на границе санитарно-защитной зоны (расстояние 500 м от среза выхлопной трубы) до и после установки резонансного глушителя отражательного типа, достигнутые при его установке на одном из предприятий Урала (http://ст.рф/catalog/detail.php?SECTION_ID=60&ELEMENT_ID=191): кривая 1 - исходный спектр; кривая 2 - спектр после установки глушителя; спектры предельно допустимого уровня шума: кривая 3 - дневной спектр; кривая 4 - ночной спектр.