Програмное обеспечение для акустических расчетов комбинированных глушителей шума Текст научной статьи по специальности «Математика»

В приведенных формулах верхний знак используется в случае распространения звуковых волн по течению газа, нижний - против течения.

Коэффициенты матрицы передачи в уравнениях учитывают не только движение газовой среды, но и потери акустической энергии при прохождении звуковых волн по нейтрализатору.

Разработанная методика акустического расчета блока фильтроэлемента обеспечивает решение важной прикладной задачи - проектирование комбинированных глушителей шума. Она позволяет достаточно точно рассчитать на стадии проектирования акустические характеристики комбинированных реактивно- диссипативных глушителей с блоками нейтрализации ОГ, снизив тем самым объем доводочных работ.

Список литературы

1. Старобинский Р.Н. Теория и синтез глушителей для впускных и

выпускных систем двигателей внутреннего сгорания: Дисс.... д-ра техн. наук. - Тольятти: ТПИ, 1982. - 333 с.

2.Борьба с шумом/Под ред. Е.Я. Юдина. - М.: Стройиздат, 1964.

3.Разумовский М.А. Прогнозирование шумовых характеристик поршневых двигателей. - Минск: Высшая школа, 1981. - 39 с.

4. Салливан Дж. У. Моделирование шума выхлопной системы двигателя

//Аэрогидромеханический шум в технике/Пер. с англ. - М.: Мир, 1983,- С.233-256. б.Комкин А.И., Тупое В.В. К расчету акустических характеристик

глушителей шума//Вестник МГТУ. Серия «Машиностроение».-1994. -№3. - С. 118-124.

6. Ткаченко Ю.Л. Разработка и внедрение методики акустического расчета

реактивных глушителей шума транспортныхсредств:Дисс. ...канд. техн. наук. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998,- 148 с.

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

Бел я кин С. К., Гулезов A.C. Курганский государственный университету. Курган

ПРОГРАМНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ КОМБИНИРОВАННЫХ ГЛУШИТЕЛЕЙ ШУМА

Представлена автоматизированная программа реализации метода акустического расчета комбинированных глушителей шума, обеспечивающая решение важной прикладной и научно-исследовательской задачи проектирования высокоэффективных глушителей шума с наименьшими затратами времени и материальных средств.

Шум системы выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания является одним из факторов, определяющих конкурентоспособность автомобилей на мировом рынке [1]. Необходимость математического моделирования физических процессов, происходящих в глушителях, очевидна, поскольку не требуется много времени 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 используется матричный метод эквивалентных четырехполюсников. Этот метод позволяет связать звуковое давление и колебательную скорость частиц среды (линейную, объемную или

массовую) на входе глушителя со звуковым давлением и колебательной скоростью на выходе через матрицу передачи глушителя, рассматриваемого как эквивалентный четырехполюсник. При этом любая конструктивная схема глушителя представляется в виде последовательного соединения л -го числа различных составляющих элементов. Свойства любого глушителя шума описываются его матрицей передачи, состоящей из комплексных коэффициентов ТА, TD.

Каждый элемент характеризуется набором геометрических и физических параметров и описывается соответствующей матрицей передачи. Результирующая матрица передачи всего глушителя в целом будет представлять собой произведение матриц передачи отдельных составляющих элементов [2].

Зная коэффициенты матрицы передачи глушителя, можно рассчитать его акустическую эффективность, определив вносимые потери, характеризующие акустические свойства данной конструкции [3].

f |Re(Zrl) IL = 20 lg —^^ B[l(Re(Zrj2)

где Zs - внутренний импеданс источника шума; Zr1 и Zr2 -импедансы,определяемые условиями излучения звука концевыми отверстиями источника и глушителя.

Исследователями определен ряд типовых элементов, составляющих большинство конструкций глушителей шума, проведено их математическое описание в удобном для проведения расчетов виде [3,4]. Изменяя параметры отдельных элементов, получаем оптимальную конструкцию глушителя. Для исследования влияния различных параметров на эффективность глушителя авторами была разработана автоматизированная программа расчета Ecosl Для реализации данного проекта на основе введенных пользователем значений базовых параметров 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 Р-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 Crazy Optimize, которая и возвращает результат;

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

- все повторяется до момента вычисления значений матрицы передачи ТА, Т# Т0 TD.

После расчета матрицы передачи рассчитывается акустическая эффективность глушителя. В случае необходимости изменяется ряд параметров и расчет повторяет-

TAZra+TB+Zs(TcZra+TD)

ZS+Zr, 1

,(1)

174

вестник кгу, 2005. №2.

ся до тех пор, пока не получим приемлемого результата.

Структура программы 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 [Е1ете^+<номер 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

Рага1г^ате=ро

Param7Desc=плотность газа (кг/мл3) 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 - Рага1г^ате=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 параметров, то есть заданных пользователем. 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 их набор. 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 нашем примере функцию tg() искали 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)

серия «технические науки», выпуск 1

175

5)11 (Х,{4})

В конечном итоге получаем:

1){3}

2)3(Рагат1)

3)15({6})

4)10(Р,Р)

5)11 (Х,{4})

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

Затем функция Сопуе|131ппд() изменяет порядок вычисления элементов алгоритма. Первыми вычисляются выражения на основе констант и переменных, то есть получается алгоритм:

1)10(1^)

2)3(Рагат1)

3)11(Х,{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 Рер1асеЕхрг() и вызывается функция СгагуОрйггпгеО, которая в цикле вызывает Сопуе|131ппд() для проведения оптимизации вычислений и доведения их до результата.

Функция Сотр1ехЕуа1() вызывается при вычислении значений комплексных формул. Функция Са1с_Е1ет -контейнер для всех остальных функций, который подготавливает параметры квычислению, распознаеттип 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.

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.

Оценка точности разработанного метода акустического расчета комбинированных глушителей шума проводилась путем сравнения 1/3-октавных спектров вносимых потерь, полученных экспериментально в реальных условиях эксплуатации глушителя и рассчитанных по разработанному методу [5] для глушителя - нейтрализатора АМЗ - 33078 автобуса КАВЗ - 3244.

Разработанная программа реализации метода акустического расчета глушителей шума позволяет рассчитывать характеристики 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 пересмотр принципиальной схемы.

Список литературы

1. Старобинский Р.Н. Теория и синтез глушителей для впускных и

выпускных систем двигателей внутреннего сгорания: Дисс....

д-ра техн. наук. - Тольятти: ТПИ, 1982. - 333 с.

2. Салливан Дж. У. Моделирование шума выхлопной системы двигателя

//Аэрогидромеханический шум в технике: Пер. с англ. - М.: Мир,

1983,- С.233-256.

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

расчета реактивныхглушителей шума транспортныхсредств:

Дисс. ...канд. техн. наук. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998,- 148 с.

4.Белякин С.К., Тупое В.В., Ткаченко Ю.Л. Матрица передачи для акустического расчета звукопоглощающих материалов в глушителях шума//Вестник МАНЭБ. - 1998.-№ 1 (9). - С.54-55.

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

Держанский В.Б., Тараторкин И.А., Абдулов C.B.

Курганский государственный университету. Курган

ДИНАМИЧЕСКАЯ НАГРУЖЕННОСТЬ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ

Долговечность современных и перспективных трансмиссий транспортных машин во многом ограничивается высокой динамической нагруженнстью, формируемой внешними и внутренними возмущениями. Неравномерность нагрузок вызывает изгибные и крутильные колебания, которые являются причиной до 80% отказов.

Для перспективных и модернизируемых транспортных машин разрабатываются гидромеханические трансмиссии, так как принято считать, что введением гидротрансформатора - активного фильтра колебаний на входе и выходе из трансмиссии - можно обеспечить требуемый уровень долговечности элементов трансмиссий.

Однако результаты проведенных экспериментальных исследований опытных конструкций свидетельствуют о высокой динамической нагруженности при переходных процессах, установившихся режимах и необходимости проведения глубоких исследований, направленных на ее снижение.

В качестве примера на рисунке 1 приведен фрагмент осциллограммы, характеризующей изменение силовых и кинематических параметров в процессе трога-ния с места и разгона до Vl-й передачи (автомобиль KAMA3-43106 (646) с ГМТ).

Î IП 15 JII H 4P 3* ЯП « SU SS

t. с

Рис.1. Трогание с места и разгон с переключением передач

Из экспериментальных данных следует, что наибольшие моменты возникают при переходных процессах трогания с места, переключении передач (длительность 0,2...0,3 с). При этом максимальные значения наблюдаются при переключении с 2-й на 3-ю и с 5-й на 6-ю и составляют 273-290 к-м. (при максимальном моменте двигателя равном 100 к-м). При блокировке ГТ макси-

176

вестник кгу, 2005. №2.