МНОГОСЕКЦИОННЫЙ ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА
MULTI-SECTION NOISE SUPPRESSOR

Изобретение относится к технике глушения шума компрессорных станций и испытательных боксов для газотурбинных двигателей.
Известно применение в центробежных вентиляторах, компрессорных станциях и испытательных боксах глушителей шума всасывания и стравливания компрессорных установок [1, 2], которые содержат корпус цилиндрической формы, каркас с центральным стержнем и с перфорированной цилиндрической втулкой, которая заполнена звукопоглощающим материалом.
Недостатком его является сравнительно невысокая эффективность шумоглушения на средних и высоких частотах.
Известен одиночный звукопоглощающий элемент по патенту РФ №2280172 [3], F01N 1/00, содержащий цилиндрический каркас в виде перфорированной втулки и крышек, заполненный звукопоглотителем, а снаружи втулки расположен слой акустически прозрачной оболочки, из капроновой сетки или стеклоткани.
Недостатком его является сравнительно невысокая эффективность шумоглушения на средних и высоких частотах.
Известен звукопоглотитель по патенту РФ №2394162 [4], F01N 1/00, содержащий цилиндрический каркас в виде перфорированной втулки и крышек, заполненный звукопоглотителем, а снаружи втулки расположен слой акустически прозрачной оболочки, из капроновой сетки или стеклоткани. Между обечайками перфорированной втулки расположен звукопоглотитель из профилированного пористого листа, причем профиль листа в сечении может быть треугольным, прямоугольным, трапецеидальным, или в виде дуг окружностей, или синусоидальным.
Известен звукопоглотитель по патенту РФ №2392501 [5], F01N 1/00, содержащий цилиндрический каркас в виде перфорированной втулки и крышек, заполненный звукопоглотителем, а снаружи втулки расположен слой акустически прозрачной оболочки, из капроновой сетки или стеклоткани. Между обечайками перфорированной втулки расположен звукопоглотитель, а снаружи перфорированной цилиндрической втулки расположен слой акустически прозрачной оболочки.
Недостатками их является сравнительно невысокая эффективность шумоглушения на высоких частотах, так как пористость звукопоглощающих элементов одинакова как между обечайками перфорированной втулки, так и внутри ее.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является многосекционный глушитель шума выхлопа по патенту РФ №2280176 [6], F01N 1/00 (прототип), содержащий цилиндрический цоколь, эжектор, выравнивающую решетку, на которой закреплен звукопоглощающий блок, состоящий из слоя звукопоглощающего материала, облицованного изнутри перфорированной оболочкой, причем звукопоглощающий блок состоит из отдельных последовательно соединенных секций, в каждой секции послойно расположены одиночные звукопоглотители, а в верхней части глушителя расположен элемент экранного типа, включающий в себя цилиндрическую обечайку, сверху соединенную с крышкой, состоящей из перфорированного слоя и звукопоглотителя, причем выхлопные отверстия выполнены в виде щелей, выполненных по периферии обечайки, и облицованы звукопоглощающим материалом, одиночные звукопоглотители выполнены в виде двух концентричных объемных поверхностей правильных многогранников, причем одна из поверхностей: внешняя - выполнена перфорированной, а другая: внутренняя - сплошной, а в промежутке между поверхностями расположен звукопоглощающий элемент, при этом поверхности соединены между собой посредством, по крайней мере, двух втулок, выполняющих функции горловин резонатора Гельмгольца, образованного полостью внутри сплошной поверхности правильного многогранника.
Недостатком прототипа является сравнительно невысокая эффективность шумоглушения на высоких частотах, так как звукопоглощающий элемент, расположенный внутри обечаек перфорированной цилиндрической втулки, выполнен однослойным и не имеет звукоотражающих слоев, выполняющих функции звукоизоляции на высоких частотах.
Технический результат - повышение эффективности шумоглушения и надежности конструкции в целом путем введения в звукопоглощающий элемент звукоотражающих слоев, которые выполняют функцию звукоизоляции на высоких частотах.
Это достигается тем, что в многосекционном глушителе шума, содержащем цилиндрический цоколь, жестко соединенный с торцевым впускным и выпускным патрубками, жестко соединенными с центральными перегородками, имеющими перфорацию, на цоколе размещена выравнивающая решетка, соединенная с переходником, на котором закреплен звукопоглощающий блок, состоящий из отдельных последовательно соединенных секций, каждая из которых выполнена из слоя звукопоглощающего материала (ЗПМ), толщиной «a», облицованного изнутри перфорированной оболочкой, причем секция состоит из четырех подсекций с характерным размером «c», в которых расположены одиночные звукопоглотители с определенным шагом «b», причем одиночные звукопоглотители выполнены сферической формы, при этом ЗПМ заключен в полусферы, выполненные из перфорированного материала, а крепление полусфер между собой и в секциях может быть осуществлено посредством крепежных элементов в виде стержней и колец. Одиночный звукопоглощающий элемент глушителя выполнен цилиндрической формы, каркас которого выполнен состоящим из стержней, крышек с отверстиями, причем центральный стержень фиксируется шплинтом. Одиночный звукопоглощающий элемент глушителя выполнен цилиндрической формы реактивного типа, состоящий из центрального стержня, с закрепленными на нем с переменным шагом дисками, а корпус цилиндра выполнен в виде стакана и содержит резонансные отверстия, а сам стакан сверху имеет крышку, причем внутри стакана, в одной или во всех полостях, может быть расположен ЗПМ.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого глушителя шума; на фиг.2 - разрез А-А фиг.1; на фиг.3, фиг.4, фиг.5 - звукопоглощающий элемент глушителя сферической формы и его варианты крепления в глушителе; на фиг.6 - звукопоглощающий элемент глушителя цилиндрической формы; на фиг.7 изображен вид сверху фиг.6; на фиг.8 - звукопоглощающий элемент глушителя цилиндрической формы реактивного типа, на фиг.9 - звукопоглощающая облицовка звукопоглощающего блока.
Многосекционный глушитель шума содержит цилиндрический цоколь 7, в который перпендикулярно его оси входит эжектор 1. На цоколе 7 размещена выравнивающая решетка, соединенная с переходником 6, на котором закреплен звукопоглощающий блок 3, состоящий из отдельных, последовательно соединенных секций 8, разрез одной из которых приведен на фиг.2. Каждая из секций 8 выполнена со звукопоглощающей облицовкой 4, толщиной «a». Секция 8 состоит из четырех подсекций с характерным размером «c» (например, стороной квадрата), в которых расположены одиночные звукопоглотители 5 с шагом «b». Секции 8 могут быть выполнены в сечении, перпендикулярном оси, прямоугольной, цилиндрической и любой другой формы, а также иметь любое количество подсекций, начиная с одного, и в сечении, перпендикулярном оси, иметь прямоугольную, цилиндрическую и любую другую формы (на чертеже не показано). Одиночные звукопоглотители 5 могут быть выполнены сферической формы, как показано на фиг.3-фиг.5. В этом случае ЗПМ 10 заключен в полусферы 9, выполненные из перфорированного материала. Крепление полусфер между собой и в секциях 8 может быть осуществлено посредством крепежных элементов 11 и 12 в виде стержней и колец, как показано на фиг.3-фиг.5. На фиг.6 приведен одиночный звукопоглощающий элемент глушителя цилиндрической формы, каркас которого выполнен состоящим из стержней 12, крышек 11 и 13 с отверстиями 15, причем центральный стержень 14 фиксируется шплинтом 16. ЗПМ 10 в виде шариков различной формы расположен в акустически прозрачной оболочке 9 (например, в перфорированной гибкой оболочке). На фиг.8 изображен одиночный звукопоглощающий элемент глушителя цилиндрической формы реактивного типа, состоящий из центрального стержня 17, с закрепленными на нем с переменным шагом дисками 18. Корпус цилиндра 9 выполнен в виде стакана и содержит резонансные отверстия 19, а сам стакан сверху имеет крышку 20. Внутри стакана, в одной или во всех полостях, может быть расположен ЗПМ 10.
Звукопоглощающая облицовка 4 (фиг.9) звукопоглощающего блока 3 выполнена в виде жесткой стенки 21 и перфорированной стенки 22, между которыми расположен двухслойный комбинированный звукопоглощающий элемент, причем слой 23, прилегающий к жесткой стенке 21, выполнен звукопоглощающим, а прилегающий к перфорированной стенке слой 24 выполнен из звукоотражающего материала, сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны. Перфорированная стенка 22 имеет следующие параметры перфорации: диаметр отверстий - 3÷7 мм, процент перфорации 10% ÷ 15%, причем по форме отверстия могут быть выполнены в виде отверстий круглого, треугольного, квадратного, прямоугольного или ромбовидного профиля, при этом в случае некруглых отверстий в качестве условного диаметра следует считать максимальный диаметр вписываемой в многоугольник окружности. При этом звукопоглощающий слой 23 помещен в акустически прозрачный материал, например стеклоткань типа ЭЗ-100, или полимер типа «повиден», или нетканый материал, например «лутра-сил».
Каждая из стенок 21 и 22 может быть выполнена из конструкционных материалов, с нанесенным на их поверхности с одной или двух сторон слоя мягкого вибродемпфирующего материала, например мастики ВД-17, или материала типа «Герлен-Д», при этом соотношение между толщинами материала и вибродемпфирующего покрытия лежит в оптимальном интервале величин: 1/(2,5…3,5).
Каждая из стенок 21 и 22 может быть выполнена из нержавеющей стали или оцинкованного листа толщиной 0,7 мм с полимерным защитно-декоративным покрытием типа «Пурал» толщиной 50 мкм или «Полиэстер» толщиной 25 мкм, или алюминиевого листа толщиной 1,0 мм и толщиной покрытия 25 мкм. Коэффициент перфорации перфорированных листов принимается равным или более 0,25.
Каждая из стенок 21 и 22 может быть выполнена из твердых, декоративных вибродемпфирующих материалов, например пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим».
3
В качестве материала звукоотражающего слоя 24 может быть применен материал на основе алюминесодержащих сплавов с последующим наполнением их гидридом титана или воздухом с плотностью в пределах 0,5…0,9 кг/м со следующими прочностными свойствами: прочность на сжатие в пределах 5…10 МПа, прочность на изгиб в пределах 10…20 МПа, например пеноалюминия, или применены звукоизоляционные плиты на базе стеклянного штапельного волокна типа «Шумостоп» с плотностью материала, равной 60÷80 кг/м.
В качестве звукопоглощающего материала слоя 23 может быть применена минеральная вата на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральная вата типа «URSA», или базальтовая вата типа П-75, или стекловата с облицовкой стекловойлоком, или вспененного полимера, например полиэтилена или полипропилена. Причем звукопоглощающий материал по всей своей поверхности облицован акустически прозрачным материалом, например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «повиден», или поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух (например, Acutex Т), или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например Лутрасилом.
Кроме того, в качестве звукопоглощающего материала слоя 23 может быть использован пористый шумопоглощающий материала, например пеноалюминий или металлокерамика или камень-ракушечник со степенью пористости, находящейся в диапазоне оптимальных величин: 30÷45%, или металлопоролон, или материал в виде спрессованной крошки из твердых вибродемпфирующих материалов, например эластомера, полиуретана, или пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим», причем размер фракций крошки лежит в оптимальном интервале величин: 0,3…2,5 мм, а также могут быть использованы пористые минеральные штучные материалы, например пемза, вермикулит, каолин, шлаки с цементом или другим вяжущим, или синтетические волокна, при этом поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух, например, типа Acutex Т или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например Лутрасилом.
Для снижения или коррекции времени реверберации помещений в его отделке применяют звукопоглощающие материалы и конструкции (звукопоглотители).
Пористые звукопоглотители изготавливают в виде плит, которые крепятся к ограждающим поверхностям непосредственно или на относе, из легких и пористых минеральных штучных материалов - пемзы, вермикулита, каолина, шлаков и т.п. с цементом или другим вяжущим. Такие материалы достаточно прочны и могут быть использованы для снижения шума в коридорах, фойе, лестничных маршах общественных и промышленных зданий.
Сырьем для их производства служат древесные волокна, минеральная вата, стеклянная вата, синтетические волокна. Поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух (например, Acutex Т), или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например Лутрасилом.
В настоящее время волокнистые звукопоглотители являются наиболее употребительными в строительной практике. Они не только оказались наиболее эффективными с акустической точки зрения в широком частотном диапазоне, но и отвечают возросшим требованиям, предъявляемые к дизайну помещений.
В качестве звукоотражающего материала применен материал на основе магнезиального вяжущего с армирующей стеклотканью или стеклохолстом.
В качестве звукопоглощающего материала использован полиэстер.
В качестве звукопоглощающего материала использован пористый волокнистый или пенистый звукопоглощающий материал, который выполнен на основе базальтовых или стеклянных волокон, или открытоячеистого пенополиуретана с защитной звукопрозрачной оболочки из тонкой стеклоткани или алюминизированной лавсановой пленки.
3
В качестве звукопоглощающего материала использован пористый звукопоглощающий керамический материал, имеющий объемную плотность 500÷1000 кг/м и состоящий из 100 массовых частей перлита с диаметром частиц 0,5÷2,0 мм, 100÷200 массовых частей одного или нескольких спекающих материалов и 10÷20 массовых частей связующих материалов. В процессе спекания частицы перлита в точках соприкосновения образуют смежные поры. Этот материал обладает хорошей звукопоглощающей способностью в широком диапазоне частот, но имеет высокую плотность, связанную с содержанием большого количества спекающих материалов.
Многосекционный глушитель шума работает следующим образом.
Звуковые волны вместе с турбулентным потоком сжатого воздуха из эжектора 1 поступают через выравнивающую решетку 2 в полости секций 8 из ЗПМ. При этом явление лучевого эффекта полностью исключается за счет расположения в полостях этих секций одиночных звукопоглощающих элементов 5 глушителя цилиндрической (фиг.6-фиг.8) или сферической формы (фиг.3-фиг.5). Повышение эффективности шумоглушения происходит за счет исключения «лучевого эффекта» и увеличенной поверхности звукопоглощения за счет выполнения одиночных звукопоглощающих элементов в виде сферической формы, а также расширение полосы частот шумоглушения - за счет наличия резонансных элементов.
Звукопоглощающая облицовка 4 звукопоглощающего блока 3 работает следующим образом. Звуковая энергия от оборудования, находящегося в помещении, или другого, излучающего интенсивный шум, объекта, пройдя через перфорированную стенку 22 попадает на слой 24 из звукоотражающего материала сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, а часть звуковой энергии проходит через слой 24 из звукоотражающего материала, и взаимодействует со слоем 23 из звукопоглощающего материала, где происходит окончательное рассеивание звуковой энергии. В волокнистых поглотителях рассеяние энергии колебания воздуха и превращение ее в тепло происходит на нескольких физических уровнях. Во-первых, вследствие вязкости воздуха, а его очень много в межволоконном пространстве, колебание частиц воздуха внутри поглотителя приводит к трению. Переход звуковой энергии в тепловую (диссипация, рассеивание энергии) происходит в порах звукопоглотителя, представляющих собою модель резонаторов Гельмгольца, где потери энергии происходят за счет трения колеблющейся с частотой возбуждения массы воздуха, находящегося в горловине резонатора о стенки самой горловины, имеющей вид разветвленной сети пор звукопоглотителя. Кроме того, происходит трение воздуха о волокна, поверхность которых также велика. В-третьих, волокна трутся друг о друга и, наконец, происходит рассеяние энергии из-за трения кристаллов самих волокон. Этим объясняется, что на средних и высоких частотах коэффициент звукопоглощения волокнистых материалов находится в пределах 0,4…1,0.
Источники информации
1. Кочетов О.С., Сажин Б.С. Снижение шума и вибраций в производстве: теория, расчет, технические решения. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2001. - 319 с.: стр.278, рис.П.III.30.
2.Кочетов О.С. Расчет аэродинамических глушителей шума. Журнал «Безопасность труда в промышленности», №9, 2013, стр.60-63 (рис.2, стр. 61 и рис.5, стр.62).
3. Кочетов О.С., Кочетова М.О., Ходакова Т.Д. Многосекционный глушитель шума выхлопа. // Патент РФ на изобретение №2280172. Опубликовано 20.07.2006. Бюллетень изобретений №20.
4. Кочетов О.С. Одиночный звукопоглотитель для глушителя шума. // Патент РФ на изобретение №2394162. Опубликовано 10.07.2010. Бюллетень изобретений №19.
5. Кочетов О.С. Одиночный звукопоглотитель Кочетова. // Патент РФ на изобретение №2392501. Опубликовано 20.06.2010. Бюллетень изобретений №17.
6. Кочетов О.С., Кочетова М.О., Ходакова Т.Д., Шестернинов А.В., Львов Г.В., Куличенко А.В. Многосекционный глушитель шума. // Патент РФ на изобретение №2280176. Опубликовано 20.07.2006. Бюллетень изобретений №20.