МНОГОСЕКЦИОННЫЙ ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА
MULTI-SECTION NOISE SUPPRESSOR

Изобретение относится к технике глушения шума.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности является многосекционный глушитель шума по патенту РФ №2281405, F01N 1/00, (прототип), содержащий цилиндрический корпус, торцовый выпускной патрубок, жестко соединенный с центральной трубой, имеющей перфорацию, перфорированные перегородки выполнены в виде коаксиально расположенной к корпусу и центральной трубе дополнительной перфорированной трубы, а торцы всех труб жестко соединены с корпусом посредством глухих перегородок.
Недостатком прототипа является сравнительно невысокая эффективность шумоглушения за счет возможности возникновения «лучевого эффекта» и вследствие этого проникновения звуковых волн как по оси глушителя, так и через его две стенки.
Технически достижимый результат - повышение эффективности шумоглушения за счет исключения «лучевого эффекта» и проникновения звуковых волн как по оси глушителя, так и через его две стенки путем введения на пути распространения звуковых волн звукопоглощающих элементов.
Это достигается тем, что в многосекционном глушителе шума, содержащем цилиндрический корпус, торцевой впускной патрубок, жестко соединенный с центральной трубой, имеющей перфорацию и образующей с корпусом посредством перфорированных перегородок в виде по меньшей мере одной коаксиально расположенной к корпусу и центральной трубе дополнительной перфорированной трубы, а торцы всех труб жестко соединены с корпусом посредством сплошных перегородок, причем одна из них жестко связана с впускным патрубком, а другая расположена с противоположной патрубку стороне, между корпусом и перфорированной трубой расположен звукопоглощающий элемент и в торцевой части центральной трубы расположен звукопоглощающий элемент, фиксируемый стопорной шайбой, причем пористость звукопоглощающего элемента, расположенного между корпусом и перфорированной трубой, в 2,5…5,0 раз ниже пористости звукопоглощающего элемента, расположенного в торцевой части центральной трубы, звукопоглощающий элемент, перекрывающий отверстия в торцевой части центральной трубы, выполнен кольцевого типа и в виде двух перфорированных стенок, между которыми расположен звукопоглощающий элемент, звукопоглощающий элемент выполнен двухслойным, причем слой, прилегающий к одной из стенок, выполнен звукопоглощающим, а прилегающий к другой перфорированной стенке выполнен из звукоотражающего материала сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, 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, 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.
На фиг. 1 представлен фронтальный разрез предлагаемого глушителя шума, на фиг. 2 - схема фрагмента стенки звукопоглощающего элемента 8 кольцевого типа, перекрывающего отверстия 6 и фиксируемого стопорной шайбой 9 в торцевой части центральной трубы 3, на фиг. 3 - вариант звукопоглощающего элемента 8.
Многосекционный глушитель шума состоит из цилиндрического корпуса 1, жестко связанного с торцевым впускным патрубком 2, жестко соединенным с центральной перфорированной трубой 3. Между корпусом 1 и центральной трубой 3 коаксиально расположена, по меньшей мере одна, дополнительная перфорированная труба 4. Торцы всех труб жестко соединены с корпусом 1 посредством глухой перегородки 5, расположенной со стороны, противоположной впускному патрубку 2. Другая перегородка, связывающая торцы труб, является либо продолжением фланца впускного патрубка (как показано на чертеже), либо может быть жестко прикреплена к нему любым известным способом (на чертеже не показано). Отверстия 6, составляющие перфорацию в трубах на их периферийных частях, расположены с чередованием их места расположения, т.е. в центральной трубе - со стороны глухой перегородки 5, в дополнительной - со стороны впускного патрубка 2, а в корпусе 1 - снова со стороны глухой перегородки 5 и т.д. Для увеличения звукопоглощающей способности глушителя между корпусом 1 и перфорированной трубой 4 расположен звукопоглощающий элемент 7. Для исключения прямого проникновения звуковой волны в торцевой части центральной трубы 3 расположен звукопоглощающий элемент 8, фиксируемый стопорной шайбой 9. Звукопоглощающие элементы 7 и 8 могут быть выполнены как из жестких звукопоглощающих материалов, например типа «акмигран», винипор и др., так и из мягких, например минеральной ваты или стекловолокна, тогда в этом случае звукопоглощающие элементы 7 и 8 должны быть помещены в стеклоткань (на чертеже не показано), чтобы предотвратить «выдувание» звукопоглотителя из отверстий 6.
Звукопоглощающий элемент 8 (фиг. 2), перекрывающий отверстия 6, выполнен кольцевого типа и фиксируется стопорной шайбой 9 в торцевой части центральной трубы 3.
Звукопоглощающий элемент 8 кольцевого типа выполнен в виде двух перфорированных стенок 10 и 11, между которыми расположен двухслойный комбинированный звукопоглощающий элемент, причем слой 12, прилегающий к одной из стенок 10, выполнен звукопоглощающим, а слой 13, прилегающий к другой перфорированной стенке 11, выполнен из звукоотражающего материала, сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны. Перфорированная стенка 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 3 выполнен как плиты из минеральной ваты и помещен в акустически прозрачный материал 14, например стеклоткань типа ЭЗ-100, или полимер типа «повиден», или нетканый материал, например «лутрасил».
Каждая из стенок 10 и 11 может быть выполнена из конструкционных материалов, с нанесением 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 10 и 11 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 10 и 11 может быть выполнена из твердых, декоративных вибродемпфирующих материалов, например пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим».
3
3
В качестве материала звукоотражающего слоя 13 может быть применен материал на основе алюминиесодержащих 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 12 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 вспененный полимер, например полиэтилен или полипропилен.
В качестве звукоотражающего материала применен материал на основе магнезиального вяжущего с армирующей стеклотканью или стеклохолстом.
Звукопоглощающий элемент 8 (фиг. 2) работает следующим образом.
Звуковая энергия от оборудования, находящегося в помещении, или другого, излучающего интенсивный шум, объекта, пройдя через перфорированные стенки 10 и 11, попадает на слои 12 и 13. Слой 13 позволяет отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, а часть звуковой энергии проходит через слой 13 из звукоотражающего материала и взаимодействует со слоем 12 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 тем, что на средних и высоких частотах коэффициент звукопоглощения волокнистых материалов находится в пределах 0,4…1,0.
Многосекционный глушитель шума работает следующим образом.
Звуковые волны вместе с турбулентным потоком сжатого воздуха поступают в полость центральной перфорированной трубы 3, при этом явление лучевого эффекта полностью исключается за счет наличия глухой перегородки 5, выполняющей функции звукоизолирующего экрана. Резонансные полости, образованные коаксиально расположенными трубами, выполняют функции резонаторов Гельмгольца, при этом отверстия 6 являются горловиной резонаторов, расположенных последовательно. Подбирая зазоры между трубами 1, 3, 4 и диаметры отверстий 6, можно настроить резонаторы Гельмгольца на любую частотную полосу, где требуется шумоглушение, а количеством резонансных полостей можно добиться любой требуемой эффективности. За счет наличия в предлагаемом глушителе нескольких труб увеличивается звукоизолирующая способность шумоглушения на прямое проникновение звуковых волн. Сопротивление предлагаемого глушителя шума невелико за счет расположения отверстий 6 в несквозном исполнении, что позволяет увеличить их проходную способность. Повышение эффективности шумоглушения происходит за счет исключения «лучевого эффекта» и проникновения звуковых волн через стенки глушителя за счет введения на пути распространения звуковых волн звукопоглощающих элементов 7 и 8.
Причем пористость звукопоглощающего элемента 7 в 2,5…5,0 раз ниже пористости звукопоглощающего элемента 8 для исключения возможного повышения сопротивления глушителя шума, что может существенно повлиять на производительность оборудования.
Коаксиальное расположение труб позволило существенно упростить конструкции предлагаемого глушителя шума, а также улучшить его эксплуатацию за счет того, что из него легко удаляются загрязнители: капельки воды, масла, которые могут в процессе длительной эксплуатации повысить сопротивление глушителя шума.
На фиг. 3 представлен вариант звукопоглощающего элемента.
Звукопоглощающий элемент выполнен в виде внешней 15 и внутренней 16 перфорированных поверхностей, между которыми размещен звукопоглотитель, состоящий из трех слоев звукопоглощающего материала, при этом первый слой 17, более жесткий, выполнен сплошным и профилированным и закреплен на внешней поверхности 15, второй слой 18, более мягкий, чем первый, выполнен прерывистым и расположен в фокусе звукоотражающих поверхностей первого слоя 17.
Прерывистый звукопоглощающий слой 18, расположенный в фокусе сплошного профилированного слоя 17, выполнен в форме тел вращения, например в виде шаров, эллипсоидов вращения, и крепится с помощью стержней 20 (на чертеже показано сечение с одним стержнем 20), параллельных перфорированным поверхностям 1 и 2, которые жестко связаны между собой посредством вертикальных, перпендикулярных к ним, крепежных элементов, например в виде пластин 7, один конец которых жестко закреплен на внешней поверхности 1, а второй выполнен в виде хомута, охватывающего стержень 20 и стягивающего его винтом (на чертеже не показано).
Сплошной профилированный слой 17 звукопоглощающего элемента выполнен из более жесткого звукопоглощающего материала, у которого коэффициент отражения звука больше, чем коэффициент звукопоглощения, причем профили 19 образованы сферическими поверхностями, соединенными между собой таким образом, что в целом каждый из профилей 19 образует цельный куполообразный профиль, фокусирующий отраженный звук на один и тот же мягкий прерывистый звукопоглощающий слой 18.
Третий слой 22 звукопоглощающего элемента выполнен из вспененного звукопоглощающего материала, например строительной герметизирующей пены, который повышает звукоизолирующие свойства конструкции в целом, за счет заполнения пустот, образованных слоями 15 и 16, а также увеличивает надежность конструкции в целом при установке ее на оборудовании, работающем в условиях с повышенными ударными и вибрационными нагрузками. Третий слой 22 расположен между первым, более жестким слоем 17, и перфорированной поверхностью 16 звукопоглощающего элемента.
3
В качестве звукопоглощающего материала первого, более жесткого, слоя 17 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.
В качестве звукопоглощающего материала второго, более мягкого, слоя может быть применена минеральная вата на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральная вата типа «URSA», или базальтовая ваты типа П-75, или стекловата с облицовкой стекловойлоком, или вспененного полимера, например полиэтилена или полипропилена.
Материал перфорированных поверхностей 15 и 16 может быть выполнен из твердых, декоративных вибродемпфирующих материалов, например пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим», причем внутренняя поверхность перфорированной поверхности 20, обращенная в сторону звукопоглощающей конструкции, облицована акустически прозрачным материалом, например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «Повиден».
Звукопоглощающий элемент (фиг. 3) работает следующим образом.
Звуковая энергия, пройдя через слой внешней перфорированной поверхности 15 и третий слой 18 звукопоглощающего элемента, выполненного из вспененного звукопоглощающего материала, падает на прерывистый звукопоглощающий слой, расположенный в фокусе сплошного профилированного слоя 17, где происходит первичное рассеивание звуковой энергии. Затем звуковая энергия попадает на сплошной профилированный слой 17 из звукопоглощающего материала, образованного сферическими поверхностями, образующими цельный куполообразный профиль, фокусирующий отраженный звук на мягкий звукопоглотитель.
3
Возможен вариант, когда в качестве звукопоглощающего материала слоев 12 и 17 звукопоглощающего элемента 8 кольцевого типа 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.