CC BY
17
УДК 621.9.06:628.5
О.А.КАЛАШНИКОВА, С.А.ШАМШУРА
МОДЕЛИРОВАНИЕ ШУМООБРАЗОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДЛИННОМЕРНЫХ ДЕТАЛЕЙ В СОРАЗМЕРНЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ
Приведены результаты теоретического описания шумообразования крупногабаритного оборудования в соразмерном помещении при наличии шумозащитной конструкции. Исходя из условий обеспечения санитарных норм шума получено выражение необходимой толщины элементов звукоизолирующей конструкции. Определены зависимости мощности применительно кдлинномерным деталям. Ключевые слова: шумозащита, щумоглушение, уровни шума, соразмерные помещения.
Введение. Особенности эксплуатации оборудования для обработки длинномерных деталей заключаются в том, что вследствие повышенной шумно-сти это оборудование располагается в отдельном помещении. Кроме этого габаритные размеры самого оборудования одного порядка с размерами производственного помещения, что соответствует категории соразмерных помещений.
Постановка задачи. Для выполнения санитарных норм шума следует проектировать системы шумозащиты и рассчитывать их по критерию эффективности шумоглушения (Д1):
А L = Ц - Ц , (1)
где Ц/ - уровни шума источника, дБ; - санитарные нормы шума, дБ.
Уровни шума в помещении при условии расположения источника шума под звукозащитным ограждением определяются по формуле [1]:
Ц = ЬШо+р 101ё ^ + 101ё SЗИ+ 101ё ^ ^ - ,ДБ, (2)
^огр Вогр SР ВП
где Вор и Вп - постоянные ограждения и производственного помещения, м2; Sогр - площадь внутренней поверхности звукозащитного ограждения, м2; % и у - коэффициенты звукового поля над ограждением в производственном помещении; ЗИ - звукоизоляция ограждения, дБ; Ы -уровни звуковой мощности источника шума, дБ.
Методы решения. Для оборудования обработки и испытаний длинномерных изделий характерно то, что длина существенно больше ширины и высоты. Поэтому целесообразно применять систему шумозащиты в виде оболочек полуцилиндрической формы или комбинации цилиндрических и плоских элементов. Значительная длина установки определяет соотношение > 1, где г - расстояние от центра источника шума до расчетной
точки, м; I - длина лонжерона, м. Поэтому %=4 [1], и в этом случае выражение (2) примет вид:
L = Ш + 10lg 1 + y
So6 a io6Sio6
i= 1
i= 1
^2
0 32 Sm - a mSm
+ 10lg -V + 4y u^T1-------------------------- , (3)
r
a mSm
i= 1
где аоб и a,п - частотно-зависимые коэффициенты звукопоглощения системы шумозащиты оборудования и производственного помещения; S^ и Sn - площади соответствующих элементов системы шумозащиты оборудования и производственного помещения, м2; k - количество элементов системы шумозащиты оборудования; k - количество элементов производственного помещения;
к к S - 1,3 a д. a д.
У =------------f1--------при - <—^------------------- 1,5 ;
S - a д. S - a д.
i= 1 i= 1
к
a .S.
У = -,55 при ——k-----------------> 1,5 .
S - a .S.
i=1
Поскольку система шумозащиты предназначена обеспечить выполнение санитарных норм шума, то в левую часть выражения (3) следует подставить предельно допустимые октавные уровни шума. Тогда требуемое значение звукоизоляции определяется следующим образом:
к1
So6 - a io6Sio6
ЗИ = LW - Lco6 l-lg 1 + y ----------------rJzl------------ +
a io6Sio6
i= 1
k2
0 32 Sп а iпSiп
+ 101g -V + 4у п—^Т1---------------- . (4)
Г 2
а iПSiП
/= 1
При конструировании ограждения следует учесть, что воздушный зазор между источником шума и внутренней поверхностью ограждения должен быть минимально возможным, поскольку резонансы внутреннего воздушного объема приводят к уменьшению звукоизолирующей способно-
к
+
сти конструкции, а также то, что система шумозащиты не должна занимать лишней производственной площади.
Стремление к минимизации поверхности системы шумозащиты исключает (или очень сильно ограничивает) возможность варьирования геометрическими размерами. Поэтому для достижения требуемой величины звукоизоляции в распоряжении конструктора остаются только два показателя - материалы элементов ограждения и их толщина.
м W W W и /
Звукоизоляция однослойной плоской тонкостенной (в сравнении с длиной и высотой) звукоизолирующей конструкции определяется следующими зависимостями [2]:
c 2
при f 1 8c 0 h ЗИ = 20lg(р огрКгр/)- 60ДБ ; (5)
’ огр огр
c2 p f р h 1 8c h
при f > ЗИ = 20lg + 5lg ’ °*°*f + lg h + 3дБ , (6)
18coZpKp P oco co2
где р0 и Со - плотность (кг/м3) и скорость (м/с) в воздухе; Рогр - плотность
материала ограждения, кг/м3; hогр - толщина стенки ограждения, м; согр - скорость распространения продольной волны в материале ограждения, м/с; h - коэффициент потерь колебательной энергии. Приведем зависимость (6) к следующему виду:
ЗИ = 20lgр огр + 25lg f + 25lgКр + lgh - 64ДБ . (7)
С учетом зависимости (4) получим формулу для определения тол-
щины стенки звукозащитной конструкции, необходимой для выполнения санитарных норм шума:
при частотах ниже граничной
k1
So6 ~ a io6Sio6
______________ X
lg Кгр = 0’05(LW - LC ) + 0’5lg 1 + У o^- k1
a io6Sio
0 32 Sn a inSin
+ 0 ’ 5 lg -V + 4y ------------lg P œpf + 3;
r
a inSin
i= 1
при частотах выше граничной
(8)
So6 a io6Sioô
lg A = 0’04(Lw - Lc ) + 0’4lg 1 + y
a ioô Sio6
0 32 Sn a inSin
+ 0’04lg -V + 4y n-^1----------------------------lg P 0J - 0’04lg h + 2’56.
r 2
a inSin
k2
k1
i= 1
+
i= 1
k
i= 1
Полученные выражения (8), (9) справедливы для ограждающих конструкций, выполненных из одного материала и с высокой степенью герметизации. Если звукоизолирующая конструкция состоит из элементов с различной звукоизоляцией, то расчет эффективности производим по формуле [1]:
3
5 + Б, 1001( ЗИо -ЗИ )
ЗИ = зио - 101§---------------1-------к-------------
(10)
Бо + Б,
1
где ЗИо - звукоизоляция основной конструкции, дБ; £, - площадь основной конструкции, м2; ЗИ,- и Sí - звукоизоляция (дБ) и площадь /-го элемента.
В этом случае получить в явном виде зависимость требуемой толщины элементов системы шумозащиты невозможно и расчет следует проводить численными методами.
Звукоизоляция цилиндрического ограждения по данным работы [1] определяется следующим образом:
ЗИц = 201ё
1 + тп 1 _ ^
2р Як Яки
к! +
где
ко
и/
1 -
р .
я2
(кт- к2)(к2тП- к2)п к2
кт+ ^- к2 кт+^т- к2
я
,(11)
; кп ~ 2р/\1 е ' к( ~ 2р/
|2р(1+ |1) .
Я = 412 (1 -т2)
( 2р /)2 т , тр
^___±1_____; кт = — , т и п - числа, определяю-
ЕЬ3 1
щие соответствующую моду колебаний цилиндрической оболочки. Если система шумозащиты конструируется в виде Г и П-образных элементов, формула (4) примет вид:
2 но-о,1зи
ЗИтреб = 0,щ(- Ц) _2 агс
аЬ
яЬД,
агс tg
2б74б
агс tg-
2 + а2 + Ь2 аь
тБ
+--------(1 - 0,6а)
4р ;
1 -“ э
+ —агс tg
Ба^4Б2аг + а2 + 4к 4 (Б - Я) Ь2кр 1 -а э
(12)
4Ь2кр +(БЬ + 2БН)(БЬ - 2НЯ) (К + Ьр)2 + г0
+ 1g ^ .
4р Г,2 В
Для теоретического обоснования акустической эффективности средств шумозащиты на этапе проектирования участков испытаний на виб-
2
2
2
П
п
2
2
2
к
с
о
1
1
2
ропрочность необходимо определить звуковую мощность самих источников.
Анализ конструктивных особенностей оборудования для виброудар-ного упрочнения, наклепа и динамических испытаний позволяет свести все многообразие конфигураций упрочняемых изделий к двум типам излучателей: линейному источнику и монополю. У длинномерных деталей длина намного больше максимального размера поперечного сечения. Поэтому в качестве модели излучателя звука принят линейный. Звуковое давление, создаваемое таким излучателем для любых распределений колебательных скоростей на поверхности, определяется выражением [1]:
л/2/шр В (¿osm р) elk°R _ + 1
; 4ЇКRm=- cos b Hlц (k0R cos p)
2p
т-v/ \ V"tw к m v u~ r ) .
P (r’ j ’z) = о -------------------/ , ,----------------—exP1 mj-----------------------^p ,(13)
2
1 2P
где в = ------— V(j, z) exp- i(mm j + k0sinp z) dj dz - функция,
(2p)’ о -
зависящая от амплитудно-фазового распределения колебательной скорости на поверхности лонжерона; Hlm Ыk02 - k02sin2 Р r) - функ-
ция Ганкеля первого рода тп-порядка (рисунок); F(z)- площадь поперечного сечения, м; Ао - волновое число, 1/м; р - плотность воздуха, кг/м3; с - скорость звука в воздухе, м/с.
Расчетная схема шумообразования лонжерона
Возмущающее воздействие от технологической нагрузки, что характерно, вызывает колебания лонжерона как твердого тела, т.е. порядок колебаний mm = 1.
Тогда выражение (13) примет вид
р -М ________________У" exp i j- 3,
cosb < Kmcosb 4 ■ (14)
11 V p
Для рассматриваемого случая осевая вибрация меньше радиальной, поэтому распределение колебательной скорости на поверхности лонжерона представим в виде:
V (z) ещ при 0 z l;
V (j, z)= v ' . . (15)
0при . |z| > l
Подставляя это выражение в выражение (13), B получим (при
=1)
1 1
Bm = ~¡= V (z) exp- i (k0z sin p) dz . (16)
m V2p 0
Параметры источника шума (геометрические размеры, спектр собственных мод колебаний) определяют характер излучения. Для низкочастотной части спектра выполняется соотношение k0R4 cosР < 1.
Заменив производную функции Ганкеля ее асимптотическим представлением [3]
1 2
H( KR C°s p)= i - -ТЩ— , (17)
k0J—— cos p
V P
получим выражение звукового давления в следующем виде
f2B F(z)
|P| = 0,03--mR-cosP expi k0R + j - — , (18)
где fk- собственная мода колебаний, Гц; F(z) - площадь поперечного сечения упрочняемого изделия, м2.
Для средне и высокочастотной части спектра выполняется соотношение k0R cos p > 1. Заменив производную функции Ганкеля ее асимптотическим представлением
H1 (ko Rcos p) =- i
—R-------- expi koR cos p- ^ , (19)
p ko Rcos p 4
получим выражение звукового давления
|P| = 43 FR)-c°!__^ eXpi (k0R + kR cosp - 2p ) . (20)
Звуковая мощность определяется известными соотношениями, связывающими звуковое давление, интенсивность звука и звуковую мощность [3]
р2
W =— Fn, (21)
Р с
где Fn - площадь поверхности источника звука, м2.
Для упрочняющего инструмента и вибратора на стендах динамических испытаний в качестве модели источника шума принят монополь, звуковое давление которого определяется как [3]
P = YkР F exp i 2 лfk - k0 (R - r) + j 1
2 * — '0HV_ ro) T " 2 , (22)
2
где Vk - скорость колебаний корпуса, м/с; r - максимальный линейный размер источника, м.
Таким образом, задача теоретического определения уровней шума сводится к определению скоростей колебаний на собственных частотах отдельных источников, возбуждаемых технологической нагрузкой или воздействием вибратора при динамических испытаниях.
Выводы. Как видно из полученных выражений, требуемая звукоизоляция определяется геометрическими и механическими параметрами самого ограждения, что уже известно на этапе проектирования. Фактический расчет систем шумозашиты определяется зависимостями скоростей колебаний на собственных модах колебаний самого источника (Vk).
Библиографический список
1. Борисов Л.П. Звукоизоляция в машиностроении / Л.П.Борисов, Д.Р.Гужас. - М.: Машиностроение, 1990. - 250 с.
2. Иванов Н.И. Основы виброакустики /Н.И.Иванов, А.С.Никифо-ров. - СПб.: Политехника, 2000 - 412 с.
3. Никифоров А.С. Акустическое проектирование судовых конструкций: справочник /А.С.Никифоров. - Л.: Судостроение, 1990. - 200с.
Материал поступил в редакцию 17.11.08.Рецензия
S.A.SHAMSHURA, O.A.KALASHNIKOVA MODELLING OF FORMATION OF NOISE
OF THE EQUIPMENT FOR PROCESSING OF LENGTHY DETAILS
IN PROPORTIONAL PREMISES
In article results of the theoretical description шумообразования the large-sized equipment in a proportional premise are resulted at presence шуморзащитной designs. Proceeding from conditions of maintenance of a sanitary code of noise expression of a necessary thickness of elements of a soundproofing design is received. Dependences of capacity with reference to lengthy details are received.
Шамшура Сергей Александрович (р.1977), доцент кафедры «Вертоле-тостроение» института «Управление и Инновации авиационной промышленности», кандидат технических наук (2006). Окончил Ростовский государственный университет путей сообщения (1999), вечернее отделение механико-математического факультета Ростовского государственного университета (2000).
Область научных интересов: виброакустическая динамика технологических систем.
Имеет 20 научных публикаций.
Калашникова Оксана Александровна, инженер ОАО «Роствертол». Окончила ЮРГТУ по специальности «Технология электро-химических производств» (2006).
Область научных интересов: виброакустическая динамика технологических систем.
Имеет 3 публикации.
