ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ОТЧЕГО ТАК ШУМНО МЕХАНИЗМЫ И ШУМ из "Шум " Мы описали один из видов аэродинамического шума, но, по-видимому, значительно чаще нам приходится сталкиваться просто с шумом взрыва. В этом случае вместо непрерывного регулируемого процесса сгорания горючего происходит внезапное сгорание большого количества легко воспламеняемого вещества, сопровождаемое резким увеличением давления и большой турбулентностью. Будет ли возникающий шум звучать, как гул или резкий удар, зависит от ряда обстоятельств от скорости возгорания, от того, происходит ли оно в открытом или замкнутом пространстве, например в патроне в последнем случае при вылете пули образовавшийся в гильзе сжатый газ вырывается наружу внезапно. Внезапное высво-бож пение сжатого воздуха или газа может происходить не только при взрывах оно, например, происходит в выпускном окне пневматического перфоратора. [c.101] Среди сил, способных возбуждать колебания, особую категорию составляют электромагнитные силы. С колебаниями, создаваемыми этими силами, чаще всего приходится встречаться в электромоторах силы взаимодействия между якорем и электромагнитом, то есть между ротором и статором, вызывают деформации и вибрации частей мотора. Впрочем, обычно основной шум в электродвигателях имеет аэродинамическое происхождение и обусловлен взаимодействием прорезей в роторе и статоре. [c.105] В трансформаторах магнитострикция вызывает деформацию сердечника и тем самым колебания с основной частотой, равной частоте переменного тока. При этом обычно возникает и множество гармоник, наиболее выражена из них — вторая. Поэтому при частоте переменного тока 50 Гц шум трансформатора в основном сосредоточен на частоте 100 Гц следует учитывать также резонанс в корпусе, заполненном маслом, и эффективность излучения звука всем агрегатом в целом. [c.105] Теперь поговорим об ударах и соударениях тел. Хотя удары служат весьма эффективными исходными возмущениями, сами по себе они создают не так уж много шума. Если бы оркестровые тарелки изготовляли не из меди, а из пластмассы, то удар палочки по ним звучал бы очень тихо. Удар кулаком по каменной стене почти не производит шума. Если же ударить кулаком по стенке жестяного картотечного шкафа, шум будет гораздо громче, но только благодаря большей эффективности усиления и излучения. [c.105] Ударами сопровождается работа многих механизмов. Особенно сильные удары производят прессы, пробойники и штамповочные машины. В пневматических перфораторах конец зубила. ударяет по поверхности дорожного покрытия. Зубья и резцы пил, токарных и фрезерных станков с большой скоростью ударяют по обрабатываемому материалу. В сложных механизм мах клапанные коромысла стучат о клапаны, зубчатые колеса — одно о другое, звездочки — о звенья цепи и т. д. [c.105] Однако многие из этих исходных возмущений сами по себе производили бы лишь самый незначи-Т15льный шум. Мало проку было бы от нашей блокфлейты, не будь ее корпус резонатором колебания скрипичной струны были бы еле слышны в отсутствие деки пластмассовая оркестровая тарелка оказалась бы вообще бесполезной. Почему Это происходит по двум причинам. Во-первых, исходные возмущения в блок-флейте беспорядочны, а беспорядочный шум по своей природе не слишком эффективен. Возникшие вихри толкутся без согласованного взаимодействия, и в результате увеличение давления, созданное одним вихрем, часто нейтрализуется за счет падения давления, вызванного другим. Колеблющаяся струна излучает слабый звук, поскольку, как мы уже видели, окружающий ее воздух не сжимается и не разрежается, а просто обтекает ее. А деформация пластмассовой тарелки, обусловленная ударом, затухает слишком быстро, чтобы вызывать заметный шум. [c.106] Хотя резонанс очень эффективно усиливает звук, он не меняет излучающих свойств поверхности. С5сри-пичный мастер должен так рассчитать корпус скрипки, чтобы его резонансная частота была меньше низшей частоты баска. Поверхности, не имеющие резонансов, — мертвые поверхности — посредством исходного возмущения все же можно привести в состояние колебания, и тогда при их большой излучающей поверхности они могут существенно увеличить шум. [c.107] Когда исходные возмущения обусловлены силами, возникающими при вращении неуравновешенных частей механизма, очень часто усиление и излучение звука осуществляет настил, на котором установлен механизм. Обычно это большая поверхность, которая может эффективно излучать звук, в частности низкочастотный. Кроме того, механизмы обычно имеют металлический кожух, обладающий, пожалуй, не меньшим числом резонансов, чем оркестровая та релка, и, хотя резонансные частоты обычно лежат выше основной частоты колебаний механизма и по-этому их вклад в шум на этой частоте невелик, на более высоких частотах шум значительно увели-чится. [c.108] Как мы уже знаем, в ударных источниках звука главную роль играют механизмы усиления и излучения. Если ударяемый предмет ие резонирует, то возникающий шум — это просто результат мгновенного вытеснения воздуха между соударяющимися предметом и колотушкой и еще двух-трех колебаний, которые длятся одну-две миллисекунды. Удар же по резонирующему предмету вызовет его возбуждение, и тогда колебания продлятся по крайней мере секунду или дольше, в зависимости от величины внутреннего трения или затухания, вследствие которых звуковая энергия поглощается. [c.108] Один из наиболее распространенных источников шума не только в городах, но и в сельских местностях— двигатель внутреннего сгорания. Генри Форд вряд ли представлял, что его автомобиль станет предтечей одного из главных нарушителей покоя в нынешние времена. Возможно, не будь двигателя внутреннего сгорания, экономика промышленных стран так и оставалась бы в младенческом состоянии, но с быстрым ростом городских автострад и непрерывным увеличением размеров и мощности двигателей шум и выхлопные газы стали одной из серьезнейших причин загрязнения окружающей среды в городах. [c.109] Легковые автомобили повинны в этом меньше, чем оснащенный дизельными моторами грузовой транспорт. Когда в последнем десятилетии XIX века Рудольф Дизель разработал дизельный цикл , он, не подозревая этого, изобрел самый шумный двигатель внутреннего сгорания из всех известных до тех пор. Дизельный двигатель получил такое широкое признание, потому что он преобразует в работу большую долю данного количества тепла, чем любой другой. Несмотря на большую исходную стоимость, дополнительный вес и пониженную мощность при том же рабочем объеме, дизель оказался значительно экономичнее при длительной эксплуатации, чем бензиновые двигатели, и, конечно, он будет широко применяться еще многие годы. День, когда его заменят газовые турбины, электрические машины или ядерные двигатели, настанет очень не скоро. Поэтому ознакомимся подробнее с причинами шума, производимого двигателями внутреннего сгорания вообще и дизелем в частности. [c.109] Двигатель внутреннего сгорания можно рассматривать как средство преобразования шума в механическую энергию — это звучит весьма странно, но так оно и есть. А так как машин с к. п. д., равным 100%, не существует, то не удивительно, что наша шумовая машина выпускает некоторое количество звуковой энергии в окружающ,ее пространство. Вся работа в поршневом двигателе внутреннего сгорания осуществляется в камерах сгорания. Газы, расширяясь, давят на дно поршня, и работа давления через шатуны и коленчатый вал преобразуется в энергию вращения. Если для одного оборота вала измерить зависимость давления в камере сгорания обычного дизельного двигателя от времени и результаты измерений нанести на график, то получится кривая, изображенная на рис. 23, соответствующая двигателю, работающему с полной нагрузкой и постоянным числом оборотов 2000 об/мин. Важно, что эта кривая давления периодически повторяется значит, зависимость давления от времени можно разложить в ряд Фурье, то есть на сумму гармоник, подобно тому, как мы разлагали на гармоники звуки музыкальных инструментов (см. гл. 3), но только с более сложными зависимостями между ними. Результат анализа по методу Фурье давления в цилиндре и шума снаружи двигателя показан на рис. 24. Этот рисунок не дает фазовых зависимостей между составляющими, но они нас и не интересуют. [c.110] К сожалению, чугунный цилиндровый блок частично преодолевает это препятствие. Если цилиндровый блок с картером испытать в лаборатории на вибрацию, обнаружится, что он обладает множеством резонансов на разных частотах. Изгибные волны, воз-ь икающие в металле, отражаются от всех участков блока, где его форма и толщина резко изменяются, создавая во всей конструкции стоячие волны различной пространственной формы и различных частот. Разумеется, все эти волны имеют гармоники. Явление же резонанса в конструкции значительно снижает ее акустический импеданс для звука резонансной частоты. [c.112] Цилиндровый блок и картер отнюдь не единственные излучатели звука в двигателе. Колебания передаются также к корпусу распределителя зажигания и к крышкам клапанов, которые обычно резонируют сильнее, чем чугунные детали. Большие силы передается также через поршни в коленчатый вал, так что шкив вала, как и маховик, становится излучателем звука, хотя маховик обычно находится внутри картера сцепления. [c.113] Теперь мы уже в состоянии понять, почему дизельный двигатель шумит совсем иначе и много громче, чем бензиновый. Прежде всего, когда бензиновый двигатель работает с небольшой нагрузкой или совсем без нее, всасывание задросселировано и рост давления в камере сгорания резко снижается, что значительно уменьшает амплитуду составляющих Фурье. В дизеле же при снижении и полном снятии нагрузки никакого дросселирования не производят, а уменьшают лишь количество горючего, впрыскиваемого в камеру сгорания, так что давление в цилиндре снижается незначительно. [c.113] Заметим, что десятикратное увеличение объема двигателя увеличивает уровень шума всего на 17 дБ. Отсюда следует, что, применяя тихоходные двигатели, при соответствуюш,ем увеличении их объема мы уменьшим шум. Быстроходный небольшой двигатель, по суш,еству, всегда производит больше шума, чем медленно работающий двигатель той же мощности. Если к тому же учесть, что при медленном вращении двигатель создает низкочастотные звуки, относящиеся к той части звукового спектра, к которой наш слух ме нее чувствителен, то уменьшение шума будет еще существеннее. [c.114] В двигателе есть и другие источники шума одни из них не зависят от сгорания топлива, другие связаны с ним. Каждый раз, когда открывается выхлопной клапан, происходит мгновенное высвобождение и перетекание сжатого газа в газопровод. Пульсации газа в газопроводе в течение каждого оборота двигателя, как и кривую давления в камере сгорания, можно разложить на гармонические составляющие. Трубопровод и выхлопная труба обладают собственными резонансами и гармониками, и, если их частоты совпадают с частотами выхлопа, шум усиливается. К счастью, в большинстве случаев двигатели снабжены достаточно эффективными глушителями выхлопа, устройство которых мы рассмотрим ниже. И если звук выхлопа сравнительно силен, это значит только, что из экономии применен глушитель плохого качества технически всегда возможно снизить выхлопной шум до уровня, меньшего, чем уровень шума самого двигателя. Борьба же с шумом самого двигателя — наиболее трудная задача. [c.114] В бензиновых двигателях, работающих без нагрузки, шумы выхлопа и впуска значительно ослабляются, для дизеля же нагрузка не имеет особого значения. В бензиновом двигателе шум выхлопа усиливается при торможении, например когда автомобиль идет под гору и мотор вращается с прикрытым дросселем. Определенную роль в дизельных и некоторых бензиновых двигателях играют топливные форсунки. Их шум обычно слабее шума двигателя. Цепь к распределительному валику, клапанная передача и коробка передач — все вносит свой вклад в суммарный шум. [c.115] В этом оркестре , спрятанном под капотом автомобиля, есть еще один инструмент, партия которого звучит гораздо громче, чем обычно думают, — это вентилятор системы охлаждения мотора. Шум вообще исконное свойство вентиляторов, и они заслуживают особого места в перечне механизмов, описываемых в этой главе. При некоторых скоростях двигателя легковых автомашин шум вентилятора становится таким же громким, как и шум самого мотора. При десятикратном увеличении числа оборотов мотора шум вентилятора возрастает на 50—60 дБ и становится громче шума мотора кроме того, вентилятор начинает снижать полезную мощность мотора, вызывая его переохлаждение. Замена обычного вентилятора устройством с термостатической регулировкой и электрическим приводом или электромагнитной муфтой не только снизит шум двигателя, но и сэкономит некоторое количество полезной мощности при высоких оборотах мотора. К сожалению, экономия горючего незначительна по сравнению со стоимостью таких устройств, но все же два-три лишних километра в час или два-три лишних километра на галлон горючего, а также снижение шума должны привлечь внимание к этим устройствам. [c.115] Образование вихрей создает широкополосный шум, лишенный дискретных составляющих он как бы служит аккомпанементом другому виду шума вентилятора — шуму вращения. Выберем в воздухе какую-нибудь точку вблизи траектории лопастей при каждом прохождении лопасти мимо этой точки воздух в ней получит дополнительный толчок, создающий внезапный импульс давления. У большинства вентиляторов частота звука прохождения лопастей лежит в пределах слышимости график пульсаций давления в любой точке воздушной среды — периодическая кривая. И как всякую периодическую кривую, ее можно разложить в ряд Фурье, то есть представить в виде суммы гармонических составляющих. Основная частота равна частоте прохождения лопастей вентилятора, но, помимо нее, в шуме будет присутствовать множество высших гармоник. [c.117] Вернуться к основной статье