УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ШУМА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к системам, предназначенным для подавления шума, и может быть использована в транспортном машиностроении, в частности для подавления шума, создаваемого транспортными средствами, а также в строительной индустрии для подавления шума, создаваемого в помещениях, преимущественно, работой средств жизнеобеспечения, в частности, работой систем вентиляции и кондиционирования, и воздействующего на находящихся в них людей и на окружающую среду.
Уровень техники
Характерной особенностью шума, воздействующего сегодня на человека и окружающую среду, является широкий частотный спектр, содержащий ряд доминирующих областей, сформированных чаще всего интенсивными дискретными составляющими (ДС); последнее особенно справедливо для техногенного шума. Поэтому в звукопоглощающих устройствах и материалах нередко используют конструкции резонансного типа, в том числе резонаторы Гельмгольца (РГ), собственные частоты которых настраивают различными способами на доминирующие спектральные составляющие.
Из уровня техники известны устройства и системы для подавления шума, согласно которым, при неизменных внешних габаритах РГ, содержащихся в системах, настройку резонансной частоты РГ производят изменением действующих (эффективных) размеров горла и полости (камеры) РГ.
В частности, известен глушитель системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (RU 2351773), содержащий корпус, поперечные перегородки, разделяющие корпус на камеры, и перфорированную трубу, проходящую сквозь камеры. Тем самым образуется набор РГ, которые, различаясь объемом камер и проходным сечением отверстий, настроены каждый на определенную частоту, а вместе перекрывают частотный диапазон шума ДВС. Недостатком изобретения, наряду с громоздкостью используемой конструкции (глушитель содержит до 10-15 камер различных размеров), является сложность его реализации в других практически важных задачах, например, в случае применения в действующей вентиляционной системе, связанная с необходимостью включения глушителя в канал воздуховода, либо перфорирования воздуховода на значительном протяжении.
Из уровня техники известно устройство для снижения шума, связанного с работой ДВС (EP 0111336 А2), выполненное с возможностью изменения проходного сечения горла РГ. Для реализации данной функции РГ содержит коническую вставку, которая может вдвигаться из полости РГ в горло (также имеющее форму усеченного конуса), изменяя эффективное сечение горла и, соответственно, перестраивая резонансную частоту. Однако таким образом обеспечивается регулировка шумоподавления лишь в незначительном интервале частот - от 50 Гц до 180 Гц, что является недостатком данного изобретения.
Известно устройство гашения акустических колебаний (EP 1158247 А2), содержащее РГ, имеющий горло и полость; часть объёма полости РГ занимает внутренняя полость переменного объёма, который варьируется путем подачи или отвода жидкости, используемой для изменения эффективного объема полости РГ. Однако известное устройство характеризуется незначительной шириной полосы подавляемых частотных составляющих, ограниченной возможностью изменения объёма полости РГ. Кроме того, работа устройства связана с необходимостью подачи жидкости в систему и наличием резервуара для размещения жидкости.
Известно также устройство для снижения шума системы выпуска ДВС (RU 2362892), основанное на использовании акустического резонатора типа РГ с изменяемой резонансной частотой, который устанавливают перед глушителем. Согласно изобретению, предварительно получают спектр шума внутри трубы и определяют спектральные составляющие частоты следования выхлопов с повышенными уровнями, а резонансную частоту акустического резонатора при работе двигателя на любых оборотах синхронно настраивают на частоту гармоники следования выхлопов с повышенными уровнями шума. Резонансную частоту РГ настраивают на доминирующую область спектра шума подбором его геометрических параметров, а «тонкую» подстройку (в пределах приблизительно октавы) производят путём изменения объёма полости РГ. Для этого задняя стенка предлагаемого РГ выполнена в виде подвижного поршня, перемещаемого посредством управляющего сигнала, подаваемого на исполнительный механизм. Снижение шума резонатором происходит благодаря трению при колебаниях газовой среды в горловине резонатора. Увеличить трение в горловине можно путем установки внутри нее продуваемого материала, например, металлической сетки. Данное техническое решение принято за прототип.
В изобретении по патенту RU 2362892 оценка резонансной частоты проведена исходя из известной формулы:
f
с -
S -
l -
V
рез
где  - собственная частота РГ,  скорость звука,  площадь поперечного сечения горла,  длина горла, - объём полости.
l
При оценке резонансной частоты под понимается эффективная длина горла, превышающая фактическую (конструктивную) длину на величину так называемой концевой поправки. Введением данной поправки учитывается физический эффект увеличения колеблющейся в объёме горла массы воздуха на величину присоединенной массы, образующейся за счёт диссипативных потерь энергии звуковой волны в окрестностях входного и выходного сечений горла. Наиболее распространенная в практических приложениях формула оценки:
l = l
d
0
+ 0,8,
l
d
0
где  - фактическая длина горла, а  - его диаметр.
f
V
S
l
f
S
d
l
l
V
L
L
l
рез
0
рез
0
0
2
3
2
Из формулы (1) следует, что резонансная частота РГ  пропорциональна 1/√, то есть увеличение объема полости резонатора приводит (при неизменных значениях  и ), к снижению значения . Этот принцип и положен в основу реализуемого в прототипе устройства, один из резонаторов которого должен быть настроен на изменение его резонансной частоты в диапазоне 45-105 Гц (с. 6 описания). Однако для получения значения резонансной частоты, равного 50 Гц, при =1 см (=1,13 см) и =8 см (=7,1 см), необходим объём полости  =1500 см, для чего при диаметре полости, равном 10 см (площадь сечения 78 см), потребуется установить длину  полости равной 19 см. Длина РГ в целом составит при этом  +=26 см, что делает такую  систему звукопоглощения громоздкой и неудобной для использования на низких звуковых частотах, а возможность использования её в инфразвуковом диапазоне практически исключает. Это является серьёзным недостатком прототипа.
Технической проблемой, решаемой заявляемой полезной моделью, является существенное расширение границ диапазона рабочих частот шумоподавления в низкочастотную область, вплоть до инфразвукового диапазона, без увеличения габаритов РГ.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом является обеспечение возможности шумоподавления в диапазоне рабочих частот, нижняя граница которого находится в пределах инфразвукового диапазона, без увеличения объема резонатора.
Технический результат достигается устройством для подавления шума, содержащим упругий поглощающий элемент типа резонатора Гельмгольца (РГ), включающего горло с расположенным в нем диссипативным элементом, выполненным в виде решетки, соединенное с камерой, заполненной газовой средой, при этом устройство содержит дополнительный диссипативный элемент в виде вязкой среды с большей плотностью, по сравнению с газовой средой, являющейся средой заполнения камеры РГ, размещенный в горле резонатора между двумя изолирующими слоями, внутренним и внешним, выполненными из газовлагонепроницаемой динамически податливой пленки.
3
В качестве вязкой среды используют жидкость, или гель, или метаматериал, имеющий акустические характеристики, близкие к характеристикам вязкой жидкости, и обладающий свойством сохранения формы. Внутренний слой плёнки расположен между размещенным в горле дополнительным диссипативным элементом и камерой, а внешний слой плёнки отделяет горло резонатора от внешней среды. В одном из вариантов осуществления полезной модели РГ снабжен поршнем, образующим заднюю стенку камеры, выполненным с возможностью изменения объема камеры. В качестве дополнительного диссипативного элемента может быть использовано масло касторовое плотностью 947 кг/м. Горло с диссипативными элементами и камера РГ могут быть выполнены в виде отдельных сборочных единиц. Дополнительный диссипативный элемент может быть размещен в горле с полным или частичным его заполнением.
Использование РГ, горло которого заполнено жидкостью или гелем, с плотностью, значительно (примерно на три порядка) превышающей плотность воздуха, позволяет значительно снизить резонансную частоту при сохранении размеров резонатора. При выявлении в спектральной полосе частот нескольких доминирующих ДС, в том числе отличающихся по частоте на декаду и более, на инфразвуковых и низких звуковых частотах применяют резонатор с увеличенной массой среды в горле, а на высоких частотах применяют резонатор с газовой средой во всём его объеме.
Среда, отличная от газовой и имеющая увеличенную массу, например, жидкость или гель, удерживается в горле РГ двумя изолирующими слоями, выполненными, например, из газовлагонепроницаемой динамически податливой плёнки, таким образом, что внутренний слой плёнки разделяет между собой горло и полость, а внешний слой плёнки отделяет горло резонатора от внешней среды.
Использование полезной модели позволяет существенно расширить диапазон рабочих частот звукопоглощающих систем и материалов, включив в него области низкочастотного шума и, частично, инфразвука, при габаритных размерах, не превышающих габариты известных средств подавления шума.
1
Если горло РГ заполнено средой с плотностью ρ, отличной от плотности ρ заполняющего полость РГ воздуха, формула для оценки резонансной частоты принимает вид
Формула (2) следует из приведенных в книге (Исакович М.И. Общая акустика. - М.: Наука, 1974. С. 371) математических зависимостей, с учетом соотношения, связывающего сжимаемость со скоростью звука и плотностью. Из формулы (2) следует, что резонансная частота может быть значительно снижена при неизменных значениях геометрических параметров РГ, если конструкция резонатора допускает возможность заполнения его горла средой, плотность которой многократно превышает плотность воздуха. Этот принцип положен в основу заявляемого технического решения.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлена схема устройства с одним из вариантов крепления изолирующих слоев (1 - горло резонатора, 2 - полость резонатора, 3 - поршень, 4 - шток, 5 - внутренний изолирующий слой, 6 - внешний изолирующий слой, 7 - передняя стенка полости, 8 - стенка горла, 9 - решетка);
на фиг. 2 - схема выполнения горла как отдельной сборочной единицы;
на фиг. 3 представлена типовая схема вентиляции помещения (Интернет-ресурс: https://tehnika.expert/klimaticheskaya/ventilyator/montazh-kanalnogo.html);
на фиг. 4 представлена одна из возможных схем установки РГ на элементы воздуховода (1 - горло резонатора, 2 - полость резонатора, 10 - резонатор, 11 - воздуховод);
на фиг. 5 представлена схема устройства с частичным заполнением горла (1 - горло резонатора, 2 - полость резонатора, 5 - внутренний изолирующий слой, 6 - внешний изолирующий слой, 7 - передняя стенка полости, 8 - стенка горла, 12 - слой жидкости);
на фиг. 6 схематично показан пример выполнения горла из двух сборочных единиц (1 - горло резонатора, 2 - полость резонатора, 12 - слой жидкости, 13 - первый сборочный элемент горла, 14 - внешний изолирующий слой, 15 - внутренний изолирующий слой, 16 - второй сборочный элемент горла).
Осуществление полезной модели
Далее представлено подробное описание заявляемой полезной модели, которое носит пояснительный характер, демонстрирующий возможность достижения заявленного технического результата, не ограничивающее сущность полезной модели. Настоящее техническое решение может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения данного описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний. Например, может изменяться состав заполняющей горло среды, исполнение изолирующих слоёв и т.д.
ι
d
D
L
0
3
3
Заявляемая конструкция устройства схематично представлена на фиг. 1. Цилиндрический РГ содержит горло 1 длиной  и диаметроми полость 2 диаметром  и длиной, объем которой можно изменять перемещением поршня3, образующего заднюю стенку камеры 2, например, путём воздействия на шток 4 исполнительного механизма (на схеме не показан). Горло 1 может быть заполнено вязкой жидкостью или гелем; в таблице приведены результаты расчёта собственной частоты резонатора для случаев заполнения горла маслом касторовым техническим, имеющим плотность 947 кг/м (ГОСТ 6757-96. Масло касторовое техническое. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2011) и глицерином техническим Т-94, имеющим плотность 1244 кг/м (ГОСТ 6824-96. Глицерин дистиллированный. Общие технические условия. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1997). В полости 2 находится воздух. Жидкость удерживается в горле 1 двумя изолирующими слоями, внутренним 5 и внешним 6, газовлагонепроницаемой динамически податливой пленки. Внутренний 5 слой, закреплённый на передней стенке 7 полости 2, герметично отделяет горло 1 от полости 2. Внешний 6 слой, закреплённый кольцеобразно по внешней поверхности края стенки 8 горла 1, герметично закрывает входное сечение горла 1. При этом, наряду с удержанием жидкости в горле 1, выполняется дополнительно функция защиты внутренней среды РГ от загрязнения возможными включениями, переносимыми потоком воздуха. В горле 1 помещена решётка 9, являющаяся дополнительным диссипативным элементом, выполненная из прутьев плохообтекаемой формы, например, квадратного сечения. Возможна конструкция горла 1 как отдельной сборочной единицы, предусматривающая крепление внутреннего 5 слоя пленки на выходном сечении горла 1 аналогично и симметрично тому, как крепится внешний 6 слой на входном сечении (фиг. 2).
В качестве материала внутреннего 5 и внешнего 6 слоев может быть использована пленка толщиной от тысячных долей до 0,1 мм (Цельноформованные шумопоглощающие структуры для улучшения акустического комфорта автотранспортных средств. А.В. Краснов, М.И. Фесина, А.А. Балуев. В кн.: Сборник тезисов докладов на Международной научно-технической конференции с участием молодых учёных «Динамика и виброакустика машин», 5-7 сентября 2012 г. - Самара: Издательство Самарского государственного аэрокосмического университета, 2012.). Свойствами газовлагонепроницаемости и динамической податливости обладает широкий класс пленок, в частности, пленки уретановые, виниловые, полиэтиленовые, полиэстеровые алюминизированные, а также тонкая алюминиевая фольга.
При монтаже РГ оформленное таким образом горло 1 соединяется с полостью резонатора (камерой резонатора) 2, например, адгезивным способом. С учетом сложности конструкции, при незначительных её размерах, изготовление РГ может быть реализовано с применением технологии 3D-печати.
Возможность значительного, в сравнении с прототипом, снижения нижней границы частотной характеристики поглощения, осуществляемого за счёт увеличения массы среды, колеблющейся в горле 1, доказывает следующий пример реализации заявляемого технического решения.
3
Использован РГ с параметрами, указанными в нижеприведенной таблице (скорость звука при оценочных расчетах принимается равной 340 м/с, плотность воздуха - равной 1,20 кг/м).
Таблица
<i>Параметры</i>
<i>Заявляемая полезная модель</i>
<i>Прототип</i>
<i>Заявляемая полезная модель</i>
<i>Заявляемая полезная модель</i>
<i>Прототип</i>
<i>Заявляемая полезная модель</i>
1
2
3
4
5
6
7
<i>S</i><sub><i></i></sub>(горла), <i>см</i><sup><i>2</i></sup>
1 (<i>d</i>=1,13)
1
1
1
1
1
<i>V </i>(полости), <i>см</i><sup><i>3</i></sup>
80
80
21
5,3
156
80
<i>l</i>, <i>см</i>
5 (<i>l</i><sub><i>0</i></sub>=4,1)
5
3 (<i>l</i><sub><i>0</i></sub>=2,1)
3
3
5
Среда заполнения горла
Маслокасторовое
Воздух
Маслокасторовое
Маслокасторовое
Воздух
Глицерин
<i>f</i><sub><i>рез</i></sub>, Гц
10
270
25
50
250
9
D=
V
L
раб
раб
3
Значение резонансной частоты такого РГ в соответствии с формулой (2), составит 10 Гц. Если камера 2 имеет диаметр 5см, то для создания рабочего объёма =80см требуется рабочая длина (удаление поршня 3 от передней стенки полости 2) =4см. Перемещая поршень 3 вперёд или назад (и соответственно уменьшая или увеличивая рабочий объём полости 2), можно осуществлять тонкую подстройку в пределах, приблизительно, одной октавы. Минимально возможное значение рабочей частоты, достигаемой с помощью заявляемого устройства, составляет единицы герц. Для сравнения, РГ с теми же геометрическими параметрами, но с воздушной средой во всём объёме резонатора (графа 3 таблицы), будет иметь резонансную частоту 270 Гц. Использование РГ с горлом, заполненным жидкой средой, обеспечивает возможность снижения собственной частоты резонатора в 27 раз, в сравнении с РГ таких же размеров с газовой средой в горле.
3
Низкочастотный шум является одним из главных факторов окружающей среды, негативно влияющих на физическое и психическое состояние людей. В многоэтажных зданиях источником его, в большинстве случаев, являются средства жизнеобеспечения, такие, как системы водоснабжения, вентиляции и кондиционирования, лифты. Примером могут служить мощные вентиляторы, производительностью в несколько тысяч м/ч, работающие на скоростях вращения около 1200-1300 об/мин, и создающие интенсивный шум в области частот вблизи 20 Гц. Данные о соответствии нормам в сертификатах на вентиляторы не должны успокаивать потребителей - измерения шума, в соответствии с нормативной документацией (ГОСТ 31353.1-2007 (ИСО 13347-1:2004). Шум машин. Промышленные вентиляторы. - Интернет-ресурс: https://docs.cntd.ru), производятся в октавных полосах, начиная с октавы 63 Гц. Для более низких, тем более инфразвуковых частот, нормы отсутствуют и замеры не делаются. В такой ситуации применение эффективных в этом диапазоне звукопоглощающих устройств может дать положительный результат.
Возможный вариант применения РГ для снижения шума в вентилируемом помещении (см. типовую схему вентиляции на фиг. 3) проиллюстрирован схемой, приведенной на фиг. 4.
Резонаторы 10, в данном примере - четыре (для упрощения показаны одинаковыми), устанавливаются на стенках воздуховода 11. В данном примере элемент воздуховода 11, на котором выполнена установка РГ, имеет квадратное сечение. Возможна установка такого или большего числа резонаторов на стенках переходника вентиляционной решетки (фиг. 3) или иного элемента воздуховода с прямоугольным сечением. Настройку резонансной частоты производят подбором геометрических параметров резонаторов 10, преимущественно применяя на частотах инфразвука и низкочастотного шума РГ с жидкостью в горле 1, а на более высоких частотах - РГ с воздушной средой во всём объеме. Пример подбора параметров резонатора приведен в таблице.
Для перестройки частотной характеристики РГ можно также применить частичное заполнение горла 1 жидкостью такой же плотности (фиг. 5): слой 12 жидкости в данном случае занимает часть длины горла 1.
1
i
0
рез
l
=l
f
При изменении длины слоя 12 изменяется масса среды в горле 1 и, соответственно, изменяется плотность ρ, входящая в формулу 2. Например, при /4 значение плотности уменьшится в 4 раза, что приведет к увеличению в 2 раза значения . Для удержания в горле 1 слоя 12 могут быть использованы, так же, как и в описанном выше варианте резонатора (фиг. 1), два изолирующих слоя, внутренний 5 и внешний 6, например, такой же газовлагонепроницаемой динамически податливой пленки, с той разницей, что внутренний 5 слой закрепляют по образующей внутренней поверхности стенки 8 на требуемом расстоянии от границы горла 1 с полостью 2. Возможен также вариант исполнения горла 1 сборным, из двух частей (фиг. 6).
l
i
При этом часть 13 горла 1 с жидкостью 12 имеет длину , объем её полностью занят жидкостью. Герметичность обеспечивается двумя изолирующими часть 13 горла 1 слоями 14 и 15, выполненными, например, из газовлагонепроницаемой динамически податливой плёнки. При монтаже сборочные единицы горла 1, части 13 и 16, соединяются между собой и затем - с камерой 2. В обоих случаях в слое 12 жидкости помещена решётка 9 (на фиг. фиг. 5, 6 не показана). Возможно применение при изготовлении РГ в данном варианте технологии 3Д-печати.
Заявляемая полезная модель может быть использована для снижения шумности в обитаемых модулях российского сегмента Международной космической станции (МКС). Данные измерений, проведенных за период 2008-2015 гг. показали, что в модулях станции шумность не соответствовала установленным нормам. Превышение предельно-допустимых уровней звука зарегистрировано в модулях СМ и МИМ-1 в 90%, а в модуле ФГБ в 80% наблюдений (Афанасьев А.В. и др. Акустический фон российского сегмента Международной космической станции: результаты измерений и проблемы его снижения. - Космонавтика и ракетостроение. 2015. №5 (84). С. 61-69.). Медицинскими работниками отмечено негативное влияние повышенной шумности на здоровье членов экипажей МКС, снижение работоспособности в период пребывания на станции (Кутина И.В. и др. О снижении уровня шума в российском сегменте Международной космической станции. - Авиакосмическая и экологическая медицина. 2017. Т. 51. № 2. С. 5-12). Основными источниками шума являются системы жизнеобеспечения станции, прежде всего системы вентиляции и кондиционирования. Характерной особенностью спектра акустического фона служебного модуля станции (основного места работы и отдыха космонавтов) являются выраженные ДС в третьоктавах с частотами 25 и 50 Гц, а также подъем спектра в области 200…250 Гц, формируемый, в основном, вкладом ДС частотой около 250 Гц. В случае реализации заявляемого способа на станции, РГ с жидкостью (или гелем) в горле для частот 25 и 50 Гц будут иметь возможные геометрические параметры, указанные в таблице (графы 4, 5). Для подавления тонального шума с частотой около 250 Гц целесообразно использовать РГ прототипа, целиком заполненный воздухом (таблица, графа 6).
Для обеспечения необходимых характеристик изделие целиком или его конструктивные элементы могут быть изготовлены из акустического метаматериала. Акустические метаматериалы, работающие в низкочастотном диапазоне, в случае изделия, выполненного из одного материала, могут быть изготовлены с помощью простого одностадийного метода (такого как традиционная механическая обработка или 3-Д печать) [C. Choi, S. Bansal, S. Subramanian, N. Münzenrieder. Fabricating and Assembling Acoustic Metamaterials and Phononic Crystals. Adv. Eng. Mater. 2021, 23, 2000988]. Их преимуществами, помимо экономичности, доступности и простоты, является также возможность быстрого прототипирования посредством автоматизированного проектирования (САПР), совместимого как с технологиями 3-Д печати [S. A. M. Tofail, E. P. Koumoulos, A. Bandyopadhyay, S. Bose, L. O’Donoghue, C. Charitidis, Additive manufacturing: scientific and technological challenges, market uptake and opportunities. Mater. Today. 2018, 21, 22], так и с технологиями обработки станком с числовым программным управлением (ЧПУ). В случае изделия, состоящего из разных материалов, может понадобиться многостадийный способ изготовления, включающий склейку или иные дополнительные операции.