О возможности создания распределённого глушителя гидродинамического шума в прямоточном резинокордном патрубке Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.6.01

DOI: 10.25206/2588-0373-2018-2-1-22-25

О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ РАСПРЕДЕЛЁННОГО ГЛУШИТЕЛЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ШУМА В ПРЯМОТОЧНОМ РЕЗИНОКОРДНОМ ПАТРУБКЕ

Ю. А. Бурьян1, А. В. Зубарев2, С. Н. Поляков2

'Омский государственный технический университет, Россия, 644050, г. Омск, пр. Мира, 11 2Федеральный научно-производственный центр «Прогресс», Россия, 644018, г. Омск, ул. 5-я Кордная, 4

В работе рассмотрена принципиальная возможность повысить эффективность резинокордных прямоточных патрубков с помощью организации в рамках единого конструктива с гибкой вставкой волно-водного распределённого гасителя гидродинамического шума.

Показано, что заполнение пространства между корпусом патрубка и внутренней резиновой трубой с податливыми стенками пористой резиной с металлическими включениями образует волноводный гаситель звука.

На модельном примере определены границы частотного диапазона запирания звуковой волны в рассматриваемом устройстве.

Ключевые слова: резинокордный патрубок, гидродинамический шум, волноводный гаситель, модуль объёмной упругости, частотный диапазон.

Введение

Задача снижения колебательной энергии, излучаемой в окружающую среду при распространении гидродинамического шума по системам трубопроводов, остаётся в настоящее время актуальной проблемой.

Одним из эффективных способов решения этой проблемы является включение в трубопроводную систему гибких вставок. Наибольшее распространение среди гибких вставок получили резинокордные прямоточные патрубки. Характеристики патрубков с учётом заполняющей среды определяются матрицей сопротивлений размерностью 24x14 [1]; при этом элементами матриц являются механические, акустические, акустико-механические и механико-акустические сопротивления.

От характеристик патрубков в значительной степени зависит их эффективность как виброшумо-изоляторов, при этом в диапазоне частот 0 — 1000 Гц предполагается, что в патрубке распространяются только плоские волны, а фланцы рассматриваются как жёсткие недеформируемые тела [1].

Результаты работ [1, 2] показали, что патрубки, как виброшумоизоляторы, эффективны в достаточно узкой низкочастотной полосе частот, а с ростом частоты происходит значительное увеличение вибрационной жёсткости по отношению к жёсткости на нулевой частоте.

На рис. 1 для примера показана вибрационная жёсткость патрубка ПРН-50-4,0-1000 в радиальном направлении.

Если учесть, что возмущение для патрубков в области высоких частот в основном обусловлено гидродинамической турбулентностью потока среды, то проблема повышения эффективности гибкой вставки может быть решена совмещением в одном конструктиве патрубка и глушителя гидродинамического шума.

В качестве глушителя целесообразно рассмотреть волноводный звукоизолятор, представляющий собой дискретный набор одинаковых резонаторов типа «масса-упругость», расположенных по длине патрубка с шагом меньше длины волны. Известны различные конструкции волноводных звукоизоля-торов с резонаторами Гельмгольца [3] или резонатором в виде упругих пластин [4]. В основополагающей работе [5] дано математическое обоснование использования дискретных колебательных систем, образующих волноводный звукоизолятор. В работе [6] приведены выражения для минимальной частоты /, при которой возможно распространение нормальной волны высшего порядка в трубе радиуса а

с

/ = 0,3 С (Гц), а

где с (м/с) — скорость звука в трубе, а реализовать массовый импеданс можно, расположив вдоль оси трубы резонаторы с частотой много меньше частоты

Рис. 1. Вибрационная жёсткость: 1 — требования; 2 — вода Р = 0; 3 — вода Р = 2 МПа; 4 — вода Р = 4 МПа Fig. 1. Vibration rigidity: 1 — requirements; 2 — water Р = 0; 3 — water Р = 2 MPa; 4 — water Р = 4 MPa

1 2

Рис. 2. Схема патрубка Fig. 2. Branch pipe scheme

Известно [5], что в трубе с податливыми стенками волновое число к связано с параметрами трубы следующим выражением:

1 + ^ • i, ю • aZ

(1)

где к0 — волновое число для волны в трубе с жёсткими стенками; р — плотность жидкости; с0 — скорость звука в жидкости; ю — круговая частота; а — радиус трубы; Z — импеданс податливых стенок.

Если импеданс принимает отрицательные мнимые значения, то давление звуковой волны будет представлять колебания, затухающие в расстоянии х [5]

Р = P0e

Щх • еШ.

(2)

Учитывая, что в рассматриваемой конструкции патрубка податливая стенка представляет собой набор колебательных систем «масса-жёсткость», то её импеданс определяется выражением [6]

„ mm i • c

Z =--+-,

S Sa

(3)

Рис. 3. Расчётная схема: 1 — жёсткий цилиндрический корпус;

2 — пористая резина с модулем объёмного сжатия К;

3 — металлическое включение сферической формы;

4 — невесомый поршень с площадью S; F = P-S — усилие от звуковой волны с амплитудой давления Р Fig. 3. Design model: 1 — rigid cylindrical body; 2 — porous rubber with а modulus of dilation K; 3 — metallic inclusion of a spherical shape; 4 — weightless piston with area S; F = P-S is the force from a sound wave with a pressure amplitude Р

запирания волновода. В этом случае резонаторы будут создавать близкий к нулевому акустический импеданс, и, если на пути распространяющей звуковой волны имеется препятствие с нулевым акустическим импедансом, волна отражается как от свободной границы.

Постановка задачи

В работе предлагается организовать цепочку резонаторов «масса-упругость», заполнив пространство между корпусом патрубка и расположенным внутри него гибким резиновым шлангом пористой резиной с металлическими включениями либо сэндвич из металлорезины и силиконовой резины с металлическими включениями.

Пористая резина может быть образована путём вспенивания в процессе вулканизации либо вырубкой воздушных полостей. Принципиальная схема патрубка с распределённым глушителем гидродинамического шума показана на рис. 2.

В радиальном направлении патрубок можно считать в первом приближении жёстким, вследствие чего при перемещении участков податливой стенки шланга 3 необходимо рассматривать модуль объёмной упругости наполнителя 2.

В пределах длины патрубка наполнитель (пористая резина с металлическими включениями) и шланг с податливыми стенками можно рассматривать как цепочку резонаторов, расположенных близко друг от друга.

где т — масса колебательной системы; с — жёсткость колебательной системы; S — площадь колебательной системы.

Если ю0 = J — — резонансная частота, то для

импеданса можно записать:

Z = i

S • ю

1 -Orl.

(4)

Сравнивая (4) и (1), можно видеть, что для частот труба с податливыми стенками и набором колебательных систем будет работать как изолятор звука. Необходимо отметить, что в рассматриваемой схеме на рис. 2 имеется принципиальная возможность получить звукоизоляцию в широком диапазоне частот, применяя наполнитель с различными размерами пор и металлическими включениями из различных материалов (шарики из латуни и свинца).

Теория

Для оценки частотного диапазона распределённого волнового глушителя гидродинамического шума рассмотрим одиночный резонатор, расчётная схема которого представлена на рис. 3.

Для примера будем полагать, что металлические шарики из латуни диаметром 5 мм равномерно распределены в наполнителе из пористой резины так, что d = 10-2 м, а 1 = 1,5 10-2 м.

Масса латунного шарика составляет 7,2 ■ 10-4 кг.

Для предварительной оценки модуля объёмного сжатия К такого сложного материала, как пористая резина, можно воспользоваться результатами работы [7], где модуль К определяется по выражению:

К =

V + V2

V + V2 К К

(5)

где V — объём резины в образце; V — объём полостей; К1 — модуль объёмной упругости резины; К2 — модуль объёмной упругости воздуха.

к = к

о

c

со

Например, для резины ИРП-1075, у которой в диапазоне частот 62 — 2500 Гц модуль сдвига G меняется мало и можно принять G = 4,2 ■ 106 кг/с2м, а величина К1 определится из выражения:

С

1 - 2v

= 2,1 • 109 кг/с2м,

где V — коэффициент Пуассона.

Для воздуха можно принять, что К2=1,4 ■ Р0, Р0 — давление в воздушной полости.

где

Если, для примера, принять, вместо (5) можно записать:

V,

К

1,3

1 0,3 '

— + —

КК

= 0,3, то

(6)

Произведём оценку резонансной частоты колебательной системы при давлениях среды в патрубке Р0 в 1 атм и 10 атм.

По выражению (6) получены значения

К = 6,05 ■ 105 кг/с2м — для Р0 = 1 атм; К = 7,1 ■ 106 кг/с2м — для Р0 = 10 атм.

Механическая жёсткость колебательной системы определяется по зависимости:

К ■ 5 1 '

в соответствии с чем резонансная частота колебательной системы имеет вид:

С

(7)

J_

2 п

(8)

значение эквивалентного модуля объёмного сжатия и значительную величину коэффициента потерь в резине.

Список источников

1. Попков В. И., Попков С. В. Колебания механизмов и конструкций. СПб., 2009. 490 с. ISBN 978-5-88718-060-9.

2. Кирюхин А. В., Мильман О. О., Птахин А. В. Снижение передачи вибрации от энергетических установок активными методами // Теплоэнергетика. 2017. Т. 64, № 12. С. 58 — 66.

3. Залуцкая Р. Р., Миронов М. А. Экспериментальное исследование волноводного изолятора // Акустика среды обитания. СПб, 2016. С. 75-79.

4. Пат. 2509252 Российская Федерация, МПК F16L 55/033. Глушитель гидродинамического шума в трубопроводе / Брайнин Б. П., Никишов С. Ю., Иванов В. Г. № 2012138848/06; заявл. 10.09.12; опубл 10.03.14, Бюл. № 7.

5. Исакович М. А. Общая акустика. М.: Наука, 1973. 496 с.

6. Кашина В. И., Исакович М. А., Тетюкин В. В. Применение систем резонаторов для звукоизоляции волн нулевого порядка в трубах и других длинных линиях // Морское приборостроение. Сер. Акустика. 1972. Вып. 1. С. 87.

7. Барабанова Л. П. [и др.]. Эластомерные и композиционные материалы в шумопоглощающих судовых конструкциях: моногр. СПб.: ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, 2000. 178 с.

Для давления среды 1 атм при принятых выше модельных значениях параметров /0 = 332 Гц, а для давления 10 атм — /0 = 1,1 ■ 103 Гц.

Заключение

В работе показана принципиальная возможность создания в едином конструктиве с прямоточным резинокордным патрубком волноводного распределённого гасителя гидродинамического шума, что может придать патрубку новое качество и значительно повысить его эффективность. На модельном примере с заданной пористостью и объёмом металлических включений определён диапазон частот, при которых происходит запирание звуковой волны.

Для рассматриваемой конструкции реализация принципа волноводной звукоизоляции обеспечивает снижение пульсаций давления по длине шланга с податливыми стенками внутри патрубка. При дальнейшем исследовании этой сложной гидромеханической системы предполагается учесть, что в слое пористой резины с металлическими включениями могут возникать звуковые волны и в данном случае этот слой обладает свойствами звукопоглощающего материала. Можно ожидать достаточную эффективность звукопоглощения, учитывая сравнительно малое

БУРЬЯН Юрий Андреевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Основы теории механики и автоматического управления» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). SPIN-код: 8395-0034 AuthorlD (РИНЦ): 520699 AuthorlD (SCOPUS): 56503883300

ЗУБАРЕВ Александр Викторович, кандидат технических наук, генеральный директор Федерального научно-производственного центра «Прогресс» (ФНПЦ «Прогресс»), г. Омск. SPIN-код: 3360-4585 AuthorlD (РИНЦ): 566709

ПОЛЯКОВ Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), научный сотрудник лаборатории № 120 ФНПЦ «Прогресс», г. Омск. SPIN-код: 3035-9506 AuthorlD (РИНЦ): 686024 AuthorlD (SCOPUS): 56711685000

Адрес для переписки: burian@omgtu.ru

Для цитирования

Бурьян Ю. А., Зубарев А. В., Поляков С. Н. О возможности создания распределённого глушителя гидродинамического шума в прямоточном резинокордном патрубке // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т. 2, № 1. С. 22 — 25. DOI: 10.25206/2588-0373-2018-2-1-22-25.

Статья поступила в редакцию 03.04.2018 г. © Ю. А. Бурьян, А. В. Зубарев, С. Н. Поляков

что

V

fo =

UDC 621.6.01

DOI: 10.25206/2588-0373-2018-2-1-22-25

ON POSSIBILITY OF CREATING HYDRODYNAMIC NOISE DISTRIBUTED SILENCER IN SINGLE-FLOW RUBBER CORD PIPE

Yu. A. Burian1, A. V. Zubarev2, S. N. Polyakov2

'Omsk State Technical University, Russia, Omsk, Mira Ave., 11, 644050 2Federal Research and Production Center «Progress», Russia, Omsk, 5 Kordnaya St., 4, 644018

The paper considers the principal possibility to increase the efficiency of rubber-cord single-flow pipe branches with the help of an organization in the framework of a single construction with flexible insertion of a waveguide silencer absorber of hydrodynamic noise.

It is shown that the filling of the space between the pipe branch body and the inner rubber tube with flexible walls with porous rubber with metallic inclusions forms a waveguide sound silencer.

In the model example, the frequency range boundaries of the sound wave locking in the device under consideration are determined.

Keywords: rubber-cord pipe branch, hydrodynamic noise, waveguide silencer, bulk modulus, frequency range.

References

1. Popkov V. I., Popkov S. V. Kolebaniya mekhanizmov i konstruktsiy [Mechanisms and structures oscillations]. St. Petersburg, 2009. 490 p. ISBN 978-5-88718-060-9. (In Russ.).

2. Kiryukhin A. V., Mil'man O. O., Ptakhin A. V. Snizheniye peredachi vibratsii ot energeticheskikh ustanovok aktivnymi metodami [Reducing vibration transfer from power plants by active methods] // Teploenergetika. Thermal Engineering. 2017. Vol. 64, no. 12. P. 58-66. (In Russ.).

3. Zalutskaya R. R., Mironov M. A. Eksperimental'noye issledovaniye volnovodnogo izolyatora [Experimental investigation of a waveguide insulator] // Akustika sredy obitaniya. Akustika sredy obitaniya. St. Petersburg, 2016. P. 75-79. (In Russ.).

4. Patent 2509252 USSR, MKI F 16 H 19/02; F 16 H 21/16. Glushitel' gidrodinamicheskogo shuma v truboprovode [Silencer of hydrodynamic noise in the pipeline]. Braynin B. P., Nikishov S. Yu., Ivanov V. G. No. 2012138848. (In Russ.).

5. Isakovich M. A. Obshchaya akustika [General acoustics]. Moscow: Nauka Publ., 1973, 496 p. (In Russ.).

6. Kashina V. I., Isakovich M. A., Tetyukin V. V. Primeneniye sistem rezonatorov dlya zvukoizolyatsii voln nulevogo poryadka v trubakh i drugikh dlinnykh liniyakh [Application of resonator systems for sound insulation of zero-order waves in pipes and other long lines] // Morskoye priborostroyeniye. Seriya Akustika. Morskoye priborostroyeniye. Seriya Akustikа. 1972. No. 1. P. 87. (In Russ.).

7. Barabanova L. P. [et al.]. Elastomernyye i kompozitsionnyye materialy v shumopogloshchayushchikh sudovykh konstruk-tsiyakh [Elastomeric and composite materials in soundproof ship structures]. St. Petersburg: TSNII im. akad. A. N. Krylova Publ., 2000. 178 p. (In Russ.).

BURIAN Yuriy Andreyevich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Fundamentals of Theory of Mechanics and Automatic Control Department, Omsk State Technical University (OmSTU), Omsk. SPIN-code: 8395-0034 AuthorlD (RSCI): 520699 AuthorlD (SCOPUS): 56503883300 ZUBAREV Aleksandr Viktorovich, Candidate of Technical Sciences, General Director of Federal Research and Production Center (FRPC) «Progress», Omsk. SPIN-code: 3360-4585 AuthorlD (RSCI): 566709

POLYAKOV Sergey Nikolayevich, Candidate of Technical Sciences, Researcher of the Laboratory No. 120, FRPC «Progress», Omsk. SPIN-code: 3035-9506 AuthorID (RSCI): 686024 AuthorlD (SCOPUS): 56711685 000

Address for correspondence: burian@omgtu.ru

For citations

Burian Yu. A., Zubarev A. V., Polyakov S. N. On possibility of creating hydrodynamic noise distributed silencer in single-flow rubber cord pipe // Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2018. Vol. 2, no. 1. P. 22-25. DOI: 10.25206/2588-0373-2018-2-1-22-25.

Received 03 April 2018.

© Yu. A. Burian, A. V. Zubarev, S. N. Polyakov