РЕАКТИВНЫЙ ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к технике глушения шума. Предлагаемая конструкция может быть использована для снижения уровня шума двигателя внутреннего сгорания (ДВС), роторных и поршневых компрессоров, газодувок, т.е. для энергетических установок, работа которых сопровождается аэродинамическими и акустическими излучениями с выраженными дискретными составляющими в широком диапазоне частот (63-4000 Гц).
Известны реактивные глушители шума, работа которых основана на интерференционных процессах наложения прямых и отраженных волн в камерах и патрубках (патенты на полезную модель RU № 128246, кл. F01N 1/00, опубл. 20.05.2013 и RU № 144064, кл. F01N 1/00, опубл. 10.08.2014). Эти конструкции содержат несколько расширительных камер, соединенных патрубками определенной длины, в которых происходит наложение волн в противофазе и отражение звуковой энергии назад к источнику ее генерации. Для эффективного снижения шума размеры элементов таких глушителей (длина камер и соединительных патрубков) должны равняться четверти длины волны. На низких частотах, например на частоте 63 Гц, их длина должна составлять 1365 мм, что нецелесообразно с конструктивной и экономической точках зрения. Кроме того, заглушение в таких конструкциях на высоких частотах происходит также и за счет сравнительно высокого аэродинамического сопротивления газовому потоку.
Технической проблемой предлагаемой полезной модели является устранение отмеченных недостатков и создание такой конструкции реактивного глушителя шума, которая состояла бы из отдельных стандартных резонаторных камер и каналов и позволила получить высокую эффективность снижения шума как на низких, так и на высоких частотах, без использования звукопоглощающих материалов и при минимальном аэродинамическом сопротивлении в газовоздушном канале глушителя.
Технический результат заключается в расширении частотного диапазона высокой эффективности шумоглушения за счет создания оригинальной конструкции, составленной из набора различных элементов резонансного типа, настроенных на дискретные частоты спектра шума энергетических установок.
Проблема решается и технологический результат достигается тем, что реактивный глушитель шума содержит корпус цилиндрической формы, ограниченный с двух торцов стенками и имеющий две внутренние непроницаемые продольную и поперечную перегородки и разделенный ими на четыре камеры, а также газовоздушный канал в виде трубы с отверстиями, который выполнен в виде гладкой трубы -образной формы, проходящей последовательно через две первые камеры, расположенные вдоль корпуса, поворачивающийся на 180° и проходящий в обратном направлении последовательно через две другие камеры, также расположенные вдоль корпуса, имеющий круглые отверстия на боковой поверхности в зоне двух смежных камер у одного торца корпуса, образуя, таким образом, два кольцевых резонатора, и прямоугольные окна в зоне двух смежных камер у другого торца корпуса, образуя две расширительные камеры с вдвинутыми в них отрезками трубы. Длина двух отрезков трубы, образованных наличием в ней прямоугольных окон, в одной расширительной камере размером  может составлять соответственно  и  а длина двух отрезков трубы, образованных прямоугольными окнами, в другой расширительной камере соответственно  и . Поворотная часть -образной трубы может быть соединена перемыкающим каналом, при этом длина перемыкающего канала и длина поворотной части соотносятся как 1:3.
На фиг. 1 изображен реактивный глушитель шума.
На фиг. 2 схематически изображены стоячие волны, образующиеся в расширительных камерах при распространении акустической волны и их отражении от торцевых стенок.
На фиг. 3 показана изогнутая часть -образного канала.
Глушитель содержит корпус 1 в сечении цилиндрической формы, который ограничен торцевыми стенками 2 и 3. Внутренний объем корпуса разделен на четыре камеры 4, 5, 6 и 7 непроницаемой продольной перегородкой 8 и поперечной перегородкой 9. Газовоздушный канал глушителя выполнен в виде трубы 10 -образной формы. Один конец трубы 10 прикреплен к выхлопному патрубку ДВС фланцевым соединением 11.
3
2
0
Канал, по которому протекает газовоздушный поток и распространяются акустические волны, последовательно проходит через все камеры. Камеры 4 и 7 примыкают друг к другу, и каждая камера представляет собой полость объемом V(м), соединенную с каналом отверстиями 12 диаметром 8 ÷ 20 мм в зависимости от диаметра трубы 10: каждое площадью S(м), в количестве, равном n. Кольцевые резонаторы настроены на любые низкие частоты, например 63, 125 или 250 Гц, т.е. среднегеометрические частоты трех первых октавных полос. Собственная частота таких резонаторов ƒ определяется выражением
где c - скорость звука в газовоздушном потоке с учетом его температуры, м/с; L - эффективная длина горла резонатора, которая определяется по формуле
4
0
где t и d - соответственно глубина отверстий (толщина стенки трубы 10) и их диаметр, м. Подбором количества отверстий n, их диаметра d и площади S при известном объеме камер V можно добиться искомого результата ƒ Гц.
Камеры 5 и 6, также примыкающие друг к другу, представляют собой расширительные камеры 13, 14, 15 и 16 с вдвинутыми в них отрезками трубы 10 различной длины, образованные наличием прямоугольных окон 17. Вышеназванные отрезки трубы в расширительных камерах 5 и 6 образуют четвертьволновые резонаторы, настроенные на различные гармонические дискретные составляющие спектра шума энергоустановок. При длине расширительных камер (м) их основная резонансная частота определяется выражением
i
K
а первая и последующие гармоники ƒопределяются как
где i - натуральные числа 1, 2, 3,… и т.д.
1
3
5
2
6
10
4
12
8
В узлах стоячих волн (фиг.2) звуковое давление равно нулю, и через узловые точки звуковая энергия не распространяется. В связи с этим отрезки трубы 10, расположенные в камерах 5 и 6, имеют длину, достигающую узлов различных гармонических составляющих заглушаемого шума. Все нечетные гармоники ƒ, ƒ, ƒ и т.д. в середине расширительной камеры имеют узел звукового давления, т.е. заглушение этих гармонических составляющих шума в камере 5 может достигнуто длиной отрезка трубы (6), равной  Для заглушения гармоник ƒ, ƒ, ƒ длина отрезка трубы 13 должна равняться  гармоник ƒ, ƒ длина отрезка трубы 16 должна равняться  гармоники ƒ длина отрезка 15 должна равняться Таким образом, расширительные камеры обладают широкополосным заглушением в средней и высокочастотной частях спектра - от первой до пятнадцатой гармонической дискретной составляющей шума.
Изогнутая часть трубы 10 соединена перемыкающим каналом 18. При этом длина перемыкающего канала и длина поворотной части соотносятся как 1:3. Следовательно, звуковые волны из точки А распространяются по двум направлениям: -образному каналу и перемычке.
Две волны встречаются в точке В, и на определенных частотах волны встретятся в противофазе. Заглушение за счет явления интерференции наблюдается на частотах, связанных с длиной перемычки,  определяемых из выражения
где i - натуральные числа 1, 2, 3, и т.д.
На этих частотах разность хода двух волн составляет нечетное число половин длин волн. Такой элемент конструкции можно назвать «полуволновый резонатор».
Анализ акустических характеристик предлагаемого реактивного глушителя с применением численного метода расчета на основе конечно-элементного моделирования с помощью программного пакета «COMSOL Multiphysics» показал высокую эффективность заявленной конструкции (более 30-40 дБ в частотном диапазоне 100-3600 Гц). Что касается аэродинамического сопротивления газовоздушному потоку, то он минимален, т.к. последний движется беспрепятственно по трубе, имея всего один сглаженный поворот.