ОДИНОЧНЫЙ ЗВУКОПОГЛОТИТЕЛЬ КОЧЕТОВА
KOCHETOV(S SINGLE ACOUSTIC ABSORBER

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. В случае двух и более профилированных пористых листов они могут располагаться как с зазорами между ними, так и без зазоров. Боковые замкнутые поверхности обечаек могут иметь в сечении не только круг в случае цилиндрической формы, а также форму треугольника, многогранника, эллипса, или любую комбинацию из этих фигур.
Недостатком его 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 одиночный звукопоглотитель по патенту РФ №2392501 [5], F01N 1/00, который выполнен цилиндрической формы, а его каркас выполнен из крышек, соединенных центральным стержнем с перфорированной цилиндрической втулкой, которая состоит из двух перфорированных обечаек, пространство между которыми заполнено звукопоглощающим элементом, при этом снаружи втулки расположен слой акустически прозрачной оболочки, а звукопоглощающий материал, расположенный во внутренней полости перфорированной цилиндрической втулки имеет более высокую пористость по сравнению с звукопоглотителем внутри ее обечаек, и выполнен из раскручивающегося рулона звукопоглотителя, один конец которого жестко зафиксирован на центральном стержне, а свободный конец упирается во внутреннюю обечайку перфорированной цилиндрической втулкой с образованием в сечении, перпендикулярном оси стержня замкнутой формы в виде спирали Архимеда с увеличивающимися от центра к периферии воздушными промежутками.
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 на высоких частотах путем введения в звукопоглощающий элемент, расположенный внутри обечаек перфорированной цилиндрической втулки звукоотражающих слоев, которые выполняют функцию звукоизоляции на высоких частотах.
Это достигается тем, что в одиночном звукопоглотителе, содержащем цилиндрический каркас в виде перфорированной втулки и крышек, заполненный звукопоглотителем, а снаружи втулки расположен слой акустически прозрачной оболочки из капроновой сетки или стеклоткани, а каркас содержит крышки с кольцевыми буртиками для крепления цилиндрической втулки, при этом крышки соединены центральным стержнем с крючками на обоих концах, а цилиндрическая втулка состоит из двух перфорированных обечаек - внешней и внутренней, пространство между которыми заполнено звукопоглощающим элементом, а снаружи перфорированной цилиндрической втулки расположен слой акустически прозрачной оболочки, выполненной из капроновой сетки или стеклоткани, при этом звукопоглощающий материал, расположенный во внутренней полости звукопоглотителя, выполнен из раскручивающегося рулона, один конец которого жестко зафиксирован на центральном стержне, а свободный конец упирается во внутреннюю обечайку с образованием в сечении, перпендикулярном стержню замкнутой формы в виде спирали Архимеда с увеличивающимися от центра к периферии воздушными промежутками, при этом он имеет более высокую пористость по сравнению со звукопоглотителем, расположенным внутри обечаек, а крышки имеют на внешних поверхностях обтекатели конической формы, а звукопоглощающий элемент содержит перфорированные стенки, между которыми расположены слои звукоотражающего, а также звукопоглощающего материалов разной плотности, расположенные в два слоя, причем слои звукоотражающего материала выполнены сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, и которые расположены соответственно у перфорированных стенок, а слои звукоотражающего материала выполнены из теплоизоляционного материала, способного поддерживать заданный микроклимат в помещении, а в качестве звукопоглощающего материала используются плиты из минеральной ваты на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральной ваты типа «URSA», или базальтовой ваты типа П-75, или стекловаты с облицовкой стекловойлоком, причем звукопоглощающий элемент по всей своей поверхности облицован акустически прозрачным материалом, например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «повиден», а каждая из перфорированных стенок 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.
На фиг.1 представлен общий вид одиночного звукопоглотителя глушителя шума, на фиг.2 - схема звукопоглощающего элемента, расположенного внутри обечаек перфорированной цилиндрической втулки.
Одиночный звукопоглотитель шума состоит из каркаса, который содержит крышки 1 и 2 с кольцевыми буртиками 3 для крепления цилиндрической втулки, при этом крышки соединены центральным стержнем 4 с крючками на обеих концах, а цилиндрическая втулка состоит из двух перфорированных обечаек - внешней 7 и внутренней 8, пространство между которыми заполнено звукопоглотителем 9. Снаружи перфорированной цилиндрической втулки расположен слой акустически прозрачной оболочки 11, выполненной, например, из капроновой сетки или стеклоткани. Звукопоглощающий материал 10, расположенный во внутренней полости звукопоглотителя выполнен из раскручивающегося рулона, один конец которого жестко зафиксирован на центральном стержне 4, а свободный конец упирается во внутреннюю обечайку 8 с образованием в сечении, перпендикулярном стержню 4 замкнутой формы в виде спирали Архимеда с увеличивающимися от центра к периферии воздушными промежутками (на чертеже не показано), при этом он имеет более высокую пористость по сравнению со звукопоглотителем 9, расположенным внутри обечаек 7 и 8. При этом крышки 1 и 2 имеют на внешних поверхностях обтекатели 5 и 6 конической формы для снижения гидравлического сопротивления при установке одиночного звукопоглотителя в системах глушения шума компрессорных станций, а цилиндрическая втулка фиксируется крышками 1 и 2 посредством гаек 12 на стержне 4.
Боковые замкнутые поверхности обечаек 7 и 8 могут иметь в сечении не только круг в случае цилиндрической формы, а также форму треугольника, многогранника, эллипса, или любую комбинацию из этих фигур.
Обечайки 7 и 8 выполнены из перфорированного листа 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.
В качестве звукопоглощающего материала звукопоглотителя 9 используется пористый шумопоглощающий материал, например пеноалюминий или металлокерамика, или металлопоролон, или 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 (на чертеже не показано).
В качестве звукопоглощающего материала 10, расположенного во внутренней полости одиночного звукопоглотителя, используется 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.
Звукопоглощающий элемент (фиг.2) для акустических экранов, штучных звукопоглотителей, перегородок выполнен в виде симметрично расположенных перфорированных 13 и 18 стенок, между которыми расположены слои звукоотражающего 14 и 17 материала, а также звукопоглощающего 15 и 16 материалов разной плотности, расположенные в два слоя, причем слои звукоотражающего материала выполнены сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, и которые расположены соответственно у перфорированных 13 и 18 стенок, а каждая из перфорированных стенок 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.
Каждая из перфорированных стенок 13 и 18 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 перфорированных стенок 13 и 18 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.
3
В качестве материала звукоотражающих слоев 14, 17 может быть применен материал на основе алюминийсодержащих 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.
3
В качестве материала звукоотражающих слоев 14, 17 могут быть применены звукоизоляционные плиты на базе стеклянного штапельного волокна типа «Шумостоп» с плотностью материала, равной 60÷80 кг/м.
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 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. Во-вторых, 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. Коэффициент звукопоглощения α равен отношению не отразившейся (поглощенной внутри и прошедшей сквозь) от поверхности энергии колебания воздуха к полной энергии, воздействующей на поверхность.
В качестве звукопоглощающего материала слоев 15 и 16 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. Поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух (например, Acutex Т) или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например Лутрасилом.
Каждая из перфорированных стенок 13 и 18 может быть выполнена из твердых, декоративных вибродемпфирующих материалов, например пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим», причем внутренняя поверхность перфорированной поверхности, обращенная в сторону звукопоглощающей конструкции, облицована акустически прозрачным материалом, например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «повиден», или неткаными материалами, например «лутрасилом».
Одиночный звукопоглотитель работает следующим образом.
Звукопоглощение на низких и средних частотах осуществляется за счет мембранного возбуждения стенок корпуса и, косвенно, внутренних объемов воздуха в воздушных промежутках звукопоглощающего материала 10, расположенного по спирали Архимеда. Переход звуковой энергии в тепловую (диссипация, рассеивание энергии) происходит в порах звукопоглощающего материала, 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.
Звукопоглощающий элемент работает следующим образом.
Звуковая энергия от оборудования, находящегося в помещении, или другого излучающего интенсивный шум объекта, пройдя через перфорированные стенки 13 и 18 попадает на слои 14 и 17 звукоотражающего материала сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, и которые расположены соответственно у перфорированных 13 и 18 стенок, а затем падает на слои 15 и 16 мягкого звукопоглощающего материала разной плотности, расположенные в два слоя (например, выполненного из базальтового или стеклянного волокна). 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. Во-вторых, 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.