Программа расчета акустических свойств глушителей шума Текст научной статьи по специальности «Математика»

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

УДК 624.43.065:629.113

С. К. Белякин

Курганский государственный университет

ПРОГРАММА РАСЧЕТА АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЛУШИТЕЛЕЙ ШУМА

Аннотация

В статье рассмотрены основные показатели акустической эффективности глушителей шума, используемые для оценки его акустических свойств в рамках матричного метода. Представлена автоматизированная программа расчета, позволяющая оптимизировать структуру глушителей шума, оценивать их эффективность на любой интересующей исследователя частоте. Реализованный метод акустического расчета глушителей шума обеспечивает решение важной прикладной и научно-исследовательской задачи проектирования высокоэффективных глушителей шума с наименьшими затратами времени и материальных средств.

Ключевые слова: шум, моделирование, автомобиль, глушитель, эффективность, акустический расчет, программа, типовой элемент.

S.K. Belyakin Kurgan State University

THE PROGRAM OF ACOUSTIC PROPERTIES NOISE MUFFLERS CALCULATION

Annotation

In article the basic indicators of acoustic efficiency of mufflers of the noise, used for an estimation of its acoustic properties within the limits of a matrix method are considered. The automated program of calculation allowing is presented to optimise to strukround of mufflers of noise, to estimate their efficiency on any frequency interesting the researcher. The realised method of acoustic calculation of mufflers of noise provides reshenie important applied and scientifically - a research problem of designing of highly effective mufflers of noise with the least expenses of time and material means.

Keywords: noise, modelling, the car, the muffler, efficiency, akustiche-sky calculation, the program, a typical element.

Борьба с шумом является одной из актуальных и сложных проблем в автомобилестроении. Особенность проблемы заключается в том, что вместе с постоянным ростом удельных показателей двигателей, которые неизбежно повышают уровень звукового давления, увеличиваются требования к допускаемому шуму автомобиля.

Автомобиль является сложным источником шума, поскольку его звуковое поле формируется множеством отдельных источников. В шуме каждого автомобиля особое место занимает шум системы выпуска отработавших газов. По данным исследователей, на долю системы выпуска приходится до 20% излучаемой звуковой энергии автомобиля. Для снижения шума выпуска применяют

глушители. Правильно спроектированный глушитель позволяет снизить затраты на снижение шума всего автомобиля.

Необходимость математического моделирования физических процессов, происходящих в глушителях, очевидна, поскольку не требуется много времени и материальных затрат на проектирование, изготовление и испытание опытного образца глушителя. Кроме того, можно оптимизировать имеющуюся схему глушителя, изменяя его параметры, чтобы получить требуемую эффективность.

В настоящее время для расчета акустических характеристик глушителей шума широко применяется матричный метод эквивалентных четырехполюсников [1]. Для оценки акустических свойств глушителя используются два показателя акустической эффективности [2]. Вносимые потери (11_) характеризуют акустические свойства глушителя, установленного на конкретном автомобиле. В рамках матричного метода:

IL = 20lg<!

Re(ZM)

Re(Zr ,2)

TAZr, 2 + TB + Zs (TCZ, 2 + TD)

zs + Zr>1

где TA, TB, TC, TD - коэффициенты матрицы передачи звуковых волн глушителей шума, ZS - внутренний импеданс источника шума; Zr1 и Zr2 - импедансы, определяемые условиями излучения звука концевыми отверстиями источника и глушителя.

Вносимые потери представляют наиболее полную информацию об эффективности разработанного для конкретной энергетической установки глушителя. Они сразу дают ответ на вопрос, будет ли уровень шума в рабочей точке удовлетворять нормативным значениям после установки глушителя. Однако вносимые потери зависят не только от свойств глушителя, но и от характеристик устройств, находящихся на обоих его концах: источника шума и излучателя звука в окружающую среду. Таким образом, вносимые потери, несмотря на то, что они являются единственным критерием, интересующим заказчика глушителей, не позволяют судить об эффективности того или иного глушителя безотносительно граничных условий на входе и выходе, а тем более сравнивать между собой различные варианты глушителей. Поэтому для удобства проведения исследований вводят второй критерий эффективности, позволяющий избежать влияния параметров источника и излучающего отверстия на результирующую характеристику глушителя. Потери передачи (Т1_) в рамках матричного метода:

С

TL = 20 lg

Z,

Z,

л

P + V 1 2 У

где

Z Z

^ - характеристические импедансы выходного и входного каналов; P1+ и P2+ - среднеквадрати-ческие величины звукового (акустического) давления в прямой волне входного и выходного каналов.

Исследователями определен ряд типовых элементов, составляющих большинство конструкций глушителей шума, проведено их математическое описание в виде, удобном для проведения расчетов [3,4]. Изменяя параметры отдельных элементов, возможно определить оптимальную конструкцию глушителя по акустическим свойствам.

Для исследования влияния различных параметров

2

190

вестник кгу, 2010. №1

на эффективность глушителя была разработана автоматизированная программа расчета Ecosl [4]. Для реализации программы было выбрано Delphi 3.0. Вся база данных находится в одном файле, к ней возможен быстрый доступ, кроме того, она может находиться на сервере.

При визуальном создании схемы глушителя пользователь задает перечень типовых элементов, их геометрические размеры и другие необходимые для описания элементов параметры. Программа при создании нового элемента включает его в связный список элементов и в дальнейшем отслеживает изменение всех его параметров. Расчет матриц передачи элементов производится по следующему алгоритму:

- распределяется массив записей, причем число записей равно количеству параметров элемента;

- для каждого параметра из списка элементов извлекается формула расчета. Потом вызывается главная функция анализатора ConvertString с этой формулой в качестве параметра. После вызова этой функции во внутренних структурах математического модуля остается P-код этой функции, количество и тип ее аргументов;

- так как порядок задания параметров соответствует порядку их вычисляемости, для каждого параметра задаются начальные значения;

- вызывается функция CrazyOptimize, которая и возвращает результат;

- результат помещается в значение параметра, для которого извлекалась формула;

- все повторяется до момента вычисления значений матрицы передачи TA, TB, TC, TD.

После расчета матрицы передачи рассчитывается акустическая эффективность глушителя. В случае необходимости изменяется ряд параметров, и расчет повторяется до тех пор, пока не получим приемлемого результата.

Программа состоит из двух подсистем: подсистемы визуального построения модели глушителя и подсистемы расчета его характеристик.

Подсистема визуального построения модели выполняет функции отрисовки элементов изображения, а также следит за введением/изменением параметров каждого элемента. Она также выполняет функции перемещения, изменения размера, поворота элементов. Эта подсистема также сохраняет и восстанавливает проекты глушителей.

Подсистема расчета характеристик в основном в своей работе использует анализатор функций и вычисляет их способом, описанным выше. Формулы расчета программа берет из текстового ini-файла - файла настроек Windows с именем ebase1.ini. Этот файл находится в каталоге программы Ecosl. Файл ebase1.ini разбит на блоки, называемые элементами. Каждый элемент содержит формулы, не связанные с формулами других элементов и предназначенные для расчета конечного параметра (или параметров) этого элемента. Каждый элемент может содержать любое количество формул.

Формат файла ebasel .ini. Секция [Elems] этого файла содержит количество элементов файла. Каждый элемент описан в секции с именем [Е^тю^+^омер элемента^, то есть элемент с номером 12 описан в секции [Element12]. В каждой секции элемента есть строка Name=. Это название элемента, например, Name = Формула расчета матрицы передачи. Далее идет строка ParamCount. В ней указано количество параметров для данного элемента. Для каждого параметра существует пять строк его описания. Все строки для параметра i начинаются с символов Param+i.

Приведем пример описания параметра:

Param7=ro

Param7Name=ро

Param7Desc=плотность газа (кг/м3) Param7Type=Extended Param7Form=1,2932/(1+0,00367*T) Первая строка (Param7=ro) указывает, под каким именем этот параметр присутствует в формулах расчета элемента. Вторая строка - Param7Name=ро - введена для описания произношения названия этого параметра (можно ее не задавать). Третья строка - физический смысл этого параметра - его описание. Четвертая строка - Param7Type=Extended - описывает тип этого параметра. Пока поддерживаются только типы Extended (вещественный, длина 80 бит) и TComplex (комплексный, 2 числа типа Extended). Пятая строка - Param7Form = 1,2932/(1+0,00367*T) - описывает формулу для расчета этого параметра на основе других параметров, констант и заранее определенных функций. Если строка выглядит как Param7Form=Base, то это означает, что значение этого параметра перед расчетом элемента должно быть задано пользователем.

Расчет элемента начинается с поиска всех базовых, то есть заданных пользователем параметров. Их имена и значения могут находиться в элементе в любом месте его описания. Затем производится расчет остальных параметров, которые описаны в строгом порядке: к моменту вычисления каждого из них должны быть вычислены все параметры, входящие в формулу его расчета.

Расчет заканчивается после вычисления последнего параметра либо вследствие ошибки. Ошибкой считается деление на ноль, извлечение корня либо логарифм из отрицательного числа, а также попытка вычислить параметр на основе значений еще не вычисленных параметров.

Правильность введения формул никак не контролируется системой, и ошибка выдается на этапе вычисления. При любой ошибке выводится сообщение, где указан источник этой ошибки и что это за ошибка.

Система поддерживает восемь встроенных функций и еще примерно двадцать внешних - записанных в библиотеку В каждый момент времени система может работать только с одной библиотекой функций, но может существовать несколько библиотек, которые содержат разный набор функций. Предусмотрена возможность ввода любой функции на основе встроенной либо внешней функции, причем поддерживается ссылочная целостность: когда функция удаляется, то все функции, определенные на ее основе, остаются работоспособными.

Внутренняя работа программы скрыта в функциях Calc-Elem, ConvertString, ReplaceExpr, ComplexEval и CrazyOptimize. Функция ConvertString - главная функция модуля вычислений. Она преобразует формулу в алгоритм вычисления, находит количество ее переменных, проверяет правильность введенной формулы, оптимизирует формулу (вычисляет функции от чисел и убирает из алгоритма введенные выражения). Рассмотрим пример разбора выражения «tg(arctg(Param1 )+X*R/F)».

Сначала функция ConvertString() выстраивает встроенные функции в связный список. Встроенные функции имеют всегда один и тот же код. Затем в список добавляются функции из библиотеки по умолчанию (если такая присутствует). После этого начинается поиск функций одного аргумента, причем сначала ищется функция с именем, содержащим больше букв. Это связано с тем, что так предотвращаются ошибки распознавания функций с одинаковым окончанием (например, если бы в

серия «технические науки», выпуск 5

191

нашем примере функцию tg() искали бы раньше, то вызов arctg() был бы понят как arc и функция tg(), то есть как неправильное выражение).

Разбор ведется с помощью массива строк. В начале в массиве одна строка (сама формула).

1) tg(arctg(Param1 )+X*R/F)

Потом найдется функция arctg() (ищется как «arctg(») и выделяется выражение внутри arctg() c помощью анализа количества закрывающих и открывающих скобок. Таким образом, в массиве окажется две строки:

1) tg({2}+X*R/F)

2) 3(Param1)

В строке 2 находится 3(Param1), так как 3 - это код арктангенса. Строка {2} означает «выражение 2». Далее будет найдена функция tg() :

1) {3}

2) 3(Param1)

3) 15({2}+X*R/F)

Так как больше нет функций, то будут найдены инфиксные функции-операции. Они находятся в порядке: л (степень), /,*,-,+. Такой порядок принят в связи с тем, что если бы мы следовали равенству приоритетов операций - и +, то при нашем разбиении из формулы 10-2+4 мы иногда получали бы то 10-(2+4), то (10-2)+4, что неправильно. Операция Л (степень) при повторении вычисляется справа налево, все остальные - слева направо. Далее в нашем примере будет найдено:

1) {3}

2) 3(Param1)

3) 15({2}+X*{4})

4) 10(R,F)

Потом найдем умножение:

1) {3}

2) 3(Param1)

3) 15({2}+{5})

4) 10(R,F)

5) 11(X,{4})

В конечном итоге получаем:

1) {3}

2) 3(Param1)

3) 15({6})

4) 10(R,F)

5) 11(X,{4})

6) 13({2},{5})

Затем функция ConvertString() изменяет порядок вычисления элементов алгоритма. Первыми вычисляются выражения на основе констант и переменных, то есть получается алгоритм:

1) 10(R,F)

2) 3(Param1)

3) 11(X,{1})

4) 13({2},{3})

5) 15({4})

При вычислении формулы при конкретных параметрах в алгоритме имена переменных заменяются на их значения при помощи функции ReplaceExpr() и вызывается функция СrazyOptimize(), которая в цикле вызывает ConvertString() для проведения оптимизации вычислений и доведения их до результата.

Функция ComplexEval() вызывается при вычислении значений комплексных формул. Функция Calc_Elem -контейнер для всех остальных функций, который подготавливает параметры к вычислению, распознает тип формул и направляет формулу в конкретную функцию.

Так как вычисления делает анализатор функций, необходимо для каждого элемента хранить в базе данных его номер, название, все его параметры и формулы расчета матрицы передачи. 192

Программа Есоб1 имеет интерфейс пользователя, который позволяет сохранять результаты вычислений и загружать их из файла, хранить в одном файле расчеты разных элементов с разными параметрами, управлять сообщениями об ошибках, выводить по выбору на экран значения либо всех параметров, либо всех вычисляемых, и т.д., а также содержит настройки управления сообщениями об ошибках. Программа позволяет производить массовый расчет элементов при изменении значений параметров с некоторым шагом. Возможен расчет характеристик акустической эффективности глушителя на любой интересующей исследователя частоте. По результатам расчетов, которые могут быть представлены по желанию пользователя как в графическом виде, так и в виде таблицы, видно, на каких частотах эффективность глушителя недостаточна, и тогда необходимо оптимизировать геометрические размеры заданных элементов либо пересмотреть принципиальную схему.

Разработанная программа реализации метода акустического расчета глушителей шума обеспечивает решение важной прикладной и научно-исследовательской задачи проектирования высокоэффективных глушителей шума с наименьшими затратами времени и материальных средств.

Список литературы

1.Старобинский Р.Н. Теория и синтез глушителей для впускных и выпускных систем двигателей внутреннего сгорания: Дис.... д-ра техн. наук. - Тольятти: ТПИ, 1982. - 333с.

2.Белякин С.К., Гулезов С.С., Терехов А.С. и др. Показатели акустической эффективности глушителей //Вестник Уральского межрегионального отделения академии транспорта. - Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 1999. -Вып.2. - С. 265 - 267.

3. Ткаченко Ю.Л. Разработка и внедрение методики акустического

расчета реактивных глушителей шума транспортных средств: Дис. ... канд. техн. наук. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998.148 с.

4.Белякин С.К. Разработка метода акустического расчета комбинированных глушителей шума транспортных средств: Дис.... канд. техн. наук. - Курган: Курганский гос. ун-т, 2000.- 189 с.

УДК 33 : 504 (07) Н.И. Козлова

Курганский государственный университет

КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ РАДИОАКТИВНО ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ (на примере Курганской области)

Аннотация

Рассматриваются приоритетные направления вывода из депрессивного состояния территорий, попавших в зону радиационного воздействия

Ключевые слова: устойчивое развитие, зона радиационного воздействия.

вестник кгу, 2010. №1