<< Предыдущая

стр. 30
(из 44 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>

Резонансные поглотители имеют воздушную полость, соединенную отверстием с окружающей средой. Воздух в резонаторе выполняет роль механической колебательной системы, состоящей из элементов массы, упругости и демпфирования. Если пренебречь рассеиванием звуковой энергии, то импеданс резонатора %, равный механическому импедансу (см. формулу (6.18), отнесенному к единице площади, будет равен нулю на частоте . При имледансе резонатора z2 = 0 коэффициент отражения звукового давления
R = -1. Таким образом, снижение шума происходит за счет взаимного погашения падающих и отраженных волн.

Рис. 6.42. Частотные характеристики коэффициента поглощения:
а—для пористого поглотителя на жесткой стенке; б—для пористого поглотителя с воздушной прослойкой; в—при наличии перфорированного экрана; г—для резонансного погаостгеля, образованного перфорированным экраном

Резонансным поглотителем является также перфорированный экран с отверстиями, затянутыми тканью или межой сеткой (рис 6.42, г), который существенно меняет характер поглощения. Пористые и резонансные поглотители крепят к стенкам изолированных объемов.
Кроме того, звукопоглощение может производиться путем внесения в изолированные объемы штучных звукопоглотителей, изготовленных, например, в виде куба, которые в производственных помещениях чаще всего подвешивают к потолку.
К хорошим звукопоглощающим материалам относят те, которые на среднегеометрических частотах октавных полос 250, 500, 1000, 2000 Гц имеют коэффициент а, равный или превышающий соответственно значения: 0,2; 0,3; 0,4; 0,5.
Обозначив постоянную изолированного объема до установки поглощающих материалов через B= aS/(1 - a), а после установки — B? = a?S(l - a?) и записав коэффициент защиты в виде: kW = In(r, B)/In(r,B), найдем эффективность звукопоглощения:

(6.45)
где уровни и определяют по формуле (6.43).

Для вычисления постоянной В? имеет смысл коэффициент a? выразить через площадь S*, на которой предполагается разместить защитные устройства со средним коэффициентом звукопоглощения, равным a*. Эквивалентная площадь внутренней поверхности изолированного объема до установки защитных устройств Sa = aS= a'(S—S*) + a"S*, где a' и a" —средние коэффициенты звукопоглощения поверхностей площадью (S—S*) и S*; эквивалентная площадь после установки защитных устройств S?a = a?S= a'(S—S*) + a*S*,. Из этих уравнений находим a = a? - (a"— a*)S*/S в тех случаях, когда можно принять aS = a"S* имеем a? = Sa(*)/S, где Sa(*) =a*S* — эквивалентная площадь звукопоглощающих устройств. При внесении в изолированные объемы штучных звукопоглотителей Sa(i) - экивалентная площадь i-го звукопоглотителя, а п, — их число. Из выражений (6.44) и (6.45) видно, что эффективность е в зоне отраженного звука удобно вычислять по формуле:

Требуемая эффективность звукопоглощения определяется по формуле (6.43), исходя из условия безопасности: .Однако следует учитывать, что практическая реализация звукопоглощения позволяет снижать шум обычно не более чем на 6...8 дБ (в зоне отраженного звука —на 10...12 дБ).
Звукоизоляция. Звукоизоляция — уменьшение уровня шума с помощью защитного устройства, которое устанавливается между источником и приемником и имеет большую отражающую и (или) поглощающую способность. Обычно роль защитных устройств выполняют глушители шума, экраны или стенки изолированных объемов. Например, защитным устройством является кожух, которым закрывают машины и механизмы, или кабина, в которой находится оператор, управляющий рабочим процессом. Стенки кожухов и кабин изготовляют из листового проката и покрывают изнутри звукопоглощающим материалом. Эффективность звукоизоляции с помощью стенки толщиной h можно определить по формуле (6.39). Если пренебречь затуханием звука в материале, т.е. положить в формуле (6.39) коэффициент распространения k?* равным jk2, где
K2 = w/c0 — волновое число, то эффективность
(6.46)
где z1 = r1c1 —импеданс воздуха; z2 = r2c2 —импеданс материала защитного устройства.
Из выражения (6.46) следует, что эффективность звукоизоляции равна нулю при толщине стенки h = nl2/2, т. е. кратной половине длины волны (п = 0, 1, 2 ...), а максимальная эффективность будет иметь место, если толщина стенки h = (2n + 1)l2/4.
Так как для защитного устройства, находящегося в воздухе, всегда выполняется неравенство r1c1 << r2c2 , то для тонкой стенки (h2 << l2/2p) из выражения (6.46) находим
(6.47)
где т = r2h — поверхностная плотность (масса защитного устройства отнесенная к единице площади).
При достаточно больших частотах единицей в правой части формулы (6.47) можно пренебречь:
(6.48)
Как видно из формулы (6.48), единственным свойством защитного устройства, определяющим эффективность звукоизоляции при принятых допущениях, является поверхностная плотность т. Эффективность звукоизоляции растет с увеличением плотности т и частоты f. Константу, входящую в выражение (6.48), определяют, осредняя коэффициент передачи t по углам падения. Если т и f выражены соответственно в кг/м2 и Гц, то константа равна 47,5 дБ.
Найдем требуемую эффективность звукоизоляции. По определению

(6.49)
Будем обозначать параметры, относящиеся к изолированному объему, в котором установлен источник шума мощностью W, индексом 1, а параметры, относящиеся к изолированному объему, где расположен приемник, индексом 2. Суммарная плотность потока энергии I+ звука, падающего на ограждающие стенки изолированного объема 1, в общем случае складывается из интенсивности W/[S1(r)] прямого звука и плотности потока энеpгии Iд = W/B1 диффузного поля
(6.50)
Обозначая через S+ площадь поверхности тех стенок изолированного объема 1, через которые звук излучается в изолированный объем 2, находим падающий поток энергии W+ = I+S+ и с учетом выражения (6.50) имеем:
(6.51)
Допустимый уровень LW — потока энергии, переданного в изолированный объем, находим из выражения (6.43), полагая (r, B) Ј Lн (еd =0)

(6.52)
Подставив соотношения (6.49) и (6.51) в формулу (6.52), получим значение требуемой эффективности звукоизоляции:
(6.53)

Для точечного источника шума, находящегося в изолированном объеме 7, образованным стенками кожуха (рис. 6.43, а), и излучающего шум в изолированный объем 2 (например помещение), можно в первом приближении принять S+ = S1(r) = S1. Тогда из выражения (6.53) требуемая эффективность

На рис. 6.43, б показано помещение 1, в котором установлен источник шума, отделенное от помещения 2 где расположены рабочие места, стенкой, площадь которой равна S+. Принимая, что в помещении 2 уровень шума во всех точках примерно одинаков (т. е. B2/(4S2(r)) << 1), из выражения (6.53) находим

где радиус r равен минимальному расстоянию от акустического центра источника шума до стенки площадью S+. На рис. 6.43, в показана кабина, защищающая оператора от шума, создаваемого источником в помещении 1. Если кабина расположена на большом расстоянии от источника, то она находится в зоне отраженного звука. Для этого источника из выражения (6.53) находим, что требуемая эффективность



Рис. 6.43. Схемы снижения шума:
а—изолирующим кожухом; б—звукоизолирующей перегородкой; в —с помощь» звукоизолирующей кабины

При установке экрана между источником и приемником (рис. 6.44) за экраном образуется звуковая тень. Уровень шума в теневой зоне от точечного источника может быть рассчитан на основе законов дифракции. Эффективность чвукоизоляции при защите экраном


где N—число Френеля; N = ± 2(a + b – d)/l (формула применима при условии N > —0,2). Кроме того, формулу не рекомендуется применять при малых теневых углах q. Если не выполняется указанное неравенство, то е = 0. Расстояние (а + b) складывается из расстояния а от источника до верхней кромки экрана и расстояния b от верхней кромки экрана до приемника. Число N берется со знаком минус, если экран расположен ниже визирной линии (расстояние по визирной линии между источником и приемником равно d). Экраны, установленные в производственных помещениях, обычно покрывают с одной или двух сторон поглощающим материалом.

Р и с . 6.44. Схема снижения шума экраном

Кожухи и кабины, рассмотренные выше, имеют технологические отверстия (например, отверстия или проходы для воздуха в целях вентиляции), через которые может проникать шум. Во время рабочего цикла ряда установок (компрессоров, двигателей внутреннего сгорания, турбин и др.) через специальные отверстия происходит истечение отработавших газов в атмосферу и (или) всасывание воздуха из атмосферы, при этом генерируется сильный шум. В этих случаях для снижения шума используют глушители.
Система глушения шума включает источник шума, обладающий некоторым внутренним импедансом zн; источник соединен с помощью трубопровода длиной l1 с глушителем шума, а трубопроводом длиной h — с приемником шума, который характеризуется импедансом излучения zп. Эффективность глушения определяют по формуле (6.49), полагая, что W+ —усредненная во времени звуковая мощность на входе в глушитель, a W- —на выходе. Конструктивно глушители состоят из активных и реактивных шумоглушащих элементов. Простейшим активным элементом является любой канал, стенки которого покрыты изнутри звукопоглощающим материалом.
Если звуковая мощность в сечении площадью S (рис. 6.45, а) равна W, то плотность потока энергии, падающего на поверхность стенки канала, по формуле (6.31) равна Iд = W/4S. Таким образом, на поверхности канала площадью Pdl (где Р — периметр) поглощающая звуковая мощность dW = - aIдPdl и эффективность активного элемента


Рис. 6.45. Применение в глушителе поглощающих материалов:
а —схема активного элемента глушителя; б— схема снижения шума при
повороте трубопровода покрытого изнутри звукопоглощающим материалом

Трубопроводы всегда имеют повороты, которые будут снижать шум, если их покрыть звукопоглощающим материалом. Как видно из рис. 6.45, б, на участке АВ существуют преимущественно волны, направленные вдоль оси канала (другие волны будут поглощаться). Изгиб канала будет поглощать или отражать осевые волны назад к источнику. Таким образом, после изгиба останутся преимущественно дифрагиро-ванные волны, которые в значительной мере подавляются на участке CD, так что в конце этого участка останутся ослабленные волны в направлении оси канала.
Реактивный камерный элемент (рис. 6.46) представляет собой участок канала (трубы), на котором внезапно меняется площадь сечения от S1 до S2 и образуется камера длиной l. При изменении площади сечения звук отражается. Эффективность камерного элемента можно определить по формуле (6.46), заменив отношение импедансов на отношение площадей [см. формулу (6.34)] и толщину h на длину l камеры (k2 = k = w/с)^



На очень низких частотах, когда kl® 0 или когда длина глушителя равна l/2, l, 3l/2 и т. д., образуются стоячие волны, которые увеличивают давление на концах камерной полости. В результате импеданс трубопровода с поперечным сечением S2 также увеличивается от значения rc/S2 до значения mrc/S2, которое в точности равно импедансам входного и выходного трубопроводов, т. е. равно pc/S1. Таким образом, на этих резонансных частотах взаимодействие волн приводит к рассогласованию импедансов и отражению звуковой энергии к источнику шума. На более высоких частотах, когда длина волны l равна или меньше поперечного размера камеры, эффективность будет зависеть от других параметров (теоретически максимум эффективности достигается при разности диаметров d2 - d1 = l/2, 3l/2, 5l/2 и т.д.).

Рис. 6.46. Реактивный камерный элемент глушителя:
а — схема элемента; б — зависимость эффективности камерного
глушителя от длины камеры и отношения площадей

Эффективность е растет с увеличением числа камер и длины соединяющей трубы. Однако уже добавление третьей камеры создает незначительный эффект по сравнению с двумя предыдущими (рис. 6.47).

На рис. 6.48 для сравнения показаны эффективность глушителя, состоящего из двух последовательных камер и эффективность глушителя из двух камер, но со входом или выходом, введенным в полости камер, и оканчивающимися на середине их длины. Эффективность последнего глушителя выше. Изменяя длину входа и выхода, можно варьировать эффективность и частотный диапазон.

Рис. 6.48. Зависимость эффективности глушителя
от длины входного патрубка

Если в спектре шума присутствуют дисперсные составляющие высокого уровня, то эффективность камерных элементов может оказаться недостаточной. В этом случае применяют реактивные элементы резонаторного типа: кольцевые и ответвления (рис. 6.49). Такой глушитель отличается от предыдущих тем, что поток газа через камеру не протекает и она подсоединяется к основному трубопроводу через одно или некоторое количество небольших отверстий или трубок. Этот тип глушителя называют объемным резонатором или глушителем Гельм-fonbua. Резонансные частоты определяются размерами отверстий и подсоединенным объемом. Предполагается, что линейные размеры подсоединенного объема меньше 1/10 длины волны на всех рассматриваемых частотах. Если это условие нарушается, то надо принимать во внимание движение волн в резонаторе. Ситуация становится похожей на глушитель, рассмотренный выше. Эффективность объемного глушителя

где a = S1zS/S0rc — активное сопротивление резонатора; b= S1c/2pf0V— безразмерное реактивное сопротивление резонатора; S1 и S0 — соответственно площадь трубопровода и суммарная площадь отверстий; f0 —резонансная частота; V—объем резонатора. При резонансе (f = f0) эффективность зависит только от величины а и может быть записана в виде


При a < 0,25 и при частотах на много больших или меньших частоты f0




Рис. 6.49. Схемы глушителей резонаторного типа:
а —кольцевые; б—ответвления


На рис. 6.50 показана эффективность глушителя рассматриваемого типа при a = 0,5b.

Рис .6.50. Эффективность резона-торного глушителя при a = 0,5b

Эффективность глушителя, синтезированного из типовых элементов,
может быть определена по формуле:

где еi — эффективность i-го шумоглушащего элемента.
Экранирование электромагнитных полей* [* Здесь термин «изоляция» заменен термином «экранирование», который обычно используется в специальной литературе.]. Электромагнитное поле имеет зоны индукции и излучения, которые для элементарных излучателей (диполей) в воздухе определяются соответственно неравенствами:
(kr << 1) и (kr >> 1) , где r — расстояние от источника.
Обычно считают, что на расстоянии от источника, не большем длины волны — зона индукции. Например, для частот 109 и 106 Гц расстояние, которое определяет зону индукции, меньше 0,3 м и 300 м.
Для антенн зону излучения обозначают неравенствами: r > l2/l и r > 2l, где l—размер антенны. В зоне излучения поле практически принимает плоскую конфигурацию и распространяется в виде плоской волны, составляющие которой равны:
(6.54)
где e?* = e - js/w — комплексная диэлектрическая проницаемость среды; e и m —абсолютные проницаемости соответственно диэлектрическая и магнитная; s —удельная проводимость среды; комплексное волновое число
.
Сравнивая выражения (6.24) и (6.54), видим, что импеданс среды электромагнитному полю . С учетом формулы (6.54) найдем, что для непроводящей среды (s = 0) (6.55)

(6.56)
В табл. 6.10 приведены ориентировочные значения волнового числа и импедаyc для металлов. Для вакуума импеданс равен , Ом, где e0 и m0 - соответственно электрическая и магнитная постоянные:
e0 = 1/(36pЧ109) = 8,85Ч10-12 ф/м, m0 = 4pЧ10-7 Гн/м. В зоне индукции импеданс среды зависит от источника.
Таблица 6.10.
Характеристика металлов, применяемых для экранирования ЭМП

Металл
Электрическая проводимость
sЧ106, см/м
Магнитная проницаемость
m/m9
Коэффициент распространения
, мм-1
Импеданс
,Ом
Медь

Алюминий
Сталь
Свинец
57,1

34,5
7,2
4,8
1

1
100
1








При определении электромагнитного поля сложных источников их разбивают на элементарные, а затем используют принцип суперпозиции полей. Импеданс среды для поля элементарного электрического излучателя
(6.57)

Импеданс среды для поля элементарного магнитного излучателя
(6.58)
Из выражений (6.57) и (6.58) видно, что вблизи источника, т. е. в зоне индукции (kr «1), импеданс среды преимущественно электрическому полю
(6.59)
импеданс среды преимущественно магнитному полю
(6.60)
С увеличением расстояния от источника импеданс zE уменьшается, а импеданс zH увеличивается (рис. 6.51). Оба импеданса будут стремиться к одному значению, которое они достигают в зоне излучения (kr >> 1): z = zEH = z*.

Рис. 6.51. Импеданс среды для элементарных и дучателей
в зависимости от расстояния до источника:



Различают экранирование магнитного, электрического и электромагнитного (плоская волна) полей. В большинстве случаев с двух сторон от экрана находится одна и та же диэлектрическая среда — воздух, и эффективность экранирования, пользуясь формулой (6.39), можно записать в виде
(6.61)
Чтобы произвести расчет по этой формуле, кроме толщины экрана h необходимо знать коэффициент распространения k?* и импедансы z1 и z2. Так как экран обычно изготовляют из металла, то c учетом зависимостей (6.27) и (6.56) коэффициент распространения k?* и импеданс z2 будут равны:
. Более сложно определяется импеданс z1. В зоне излучения импеданс диэлектрической среды — воздуха — будет равен (для воздуха m » m0, e » e0) Ом. Однако в зоне индукции импеданс z1 зависит не только от вида основной составляющей электромагнитного поля [см. формулы (6.59) и (6.60)]. Он определяется также формой конструкции экрана (рис. 6.52). С учетом формы импеданс Zi при экрани-повании электоического поля записывают в виде
(6.62)


где т = 2 при r* = l/2 для плоского экрана; т = 1 при г* = r —для цилиндрического экрана; т = 1/Ц2 при г* = r - для сферического экрана (см. рис. 6.52).


Рис. 6.52. Конструкции экранов

Тогда при k?* << 1, что обычно достигается на низких частотах (f< 104 Гц), chk?*h » 1, a thk?*h » k?*h и эффективность экранирования электрического поля

Эта эффективность будет большой на низких частотах, а в диапазоне относительно высоких частот е ® 0.
При экранировании магнитного поля необходимо учитывать особенности материала, из которого изготовлен экран. Обычно для магнитных металлов (сталь, пермаллой, феррит) , а для немагнитных металлов (медь, алюминий, свинец) .Тогда для защитных устройств из магнитных металлов эффективность экранирования . Она не зависит от частоты. Для защитных устройств из немагнитных металлов
. Эта эффективность зависит от частоты и при частоте w®0 тоже стремится к нулю.
В области относительно высоких частот (104 <f, Гц < 109) эффективность экранирования удобно определять* [* См. выражение (6.40) и комментарий к нему.]
по формуле

Из соотношения импедансов следует, что амплитудные коэффициенты [формула (6.38)] для плоского ТП, цилиндрического Тц и сферического Тс экранов при z1 > z2 имеют приблизительно следующее соотношение: ТП:ТЦ:ТС = 1:2:3. Это соотношение справедливо для экранов, изготовленных из одинакового материала и имеющих равную толщину стенок, причем расстояние между параллельными пластинами плоского экрана равно диаметру сферического или цилиндрического экранов (l= 2r или 2r). Таким образом, если эффективность экранирования плоским экраном принять за исходное значение еП = 20 lg|1/TП|, то эффективность экранирования цилиндром eЦ = 20 lg|1/TЦ| = 20 lg|1/TП| =
= еП – 20lg2 » еП -6 дБ, а эффективность экранирования сферой еС =еП—9,5 дБ. При экранировании магнитного поля магнитными материалами (z2 > z1) соотношение амплитудных коэффициентов передачи будет иметь обратную закономерность ТП:ТЦ:ТС = 1:1/2:1/3. На практике полученными соотношениями пользуются при определении, например, эффективности цилиндрического экрана по формулам плоского.
В области СВЧ, охватывающей дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны (f і 109…1010 Гц), длина волны l соизмерима с диаметром экрана d, т. е. l і d, и эффективность экранирования носит колебательный характер (рис. 6.53). В этой области импеданс Zi при экранировании магнитного и электрического полей цилиндрическим экраном следует определять по формулам:


(6.63)

где Jn(u) и Нп{и) — функции Бесселя* [* Обычно функцию Н2(u) находят по формуле: . Чтобы найти производную, можно использовать соотношение: ,где Q означает любую функцию Y, H или любую их линейную комбинацию. Функции Бесселя даны в виде таблиц в справочниках [6.1].]
соответственно первого и третьего рода, порядка п (штрихом отмечены производные). С учетом соотношений (6.63) эффективность экранирования рассчитывают по формуле (6.61), при этом надо иметь в виду, что во многих случаях можно принять й/й «1 и пренебречь этим слагаемым.


Р и с . 6.53. Колебательный характер эффективности экранирования
ЭМП в диапазоне СВЧ:
а — электрическое поле; б — магнитное поле;
h1 = 0,01 мм; h2 = 0,001 мм; r = 5 мм

При наличии в экране для радиоэлектронной аппаратуры отверстий или щелей, возникающих вследствие несовершенства его конструкции и технологии изготовления, среднюю эффективность экранирования можно определить по эмпирической формуле
(6.64)

где импеданс z1 = zE1 при экранировании электрического поля; z1 = zH1 при экранировании магнитного поля; импеданс ; слагаемые А и множитель В = 2ph / l учитывают негерметичность экрана

где г* » 0,62V1/3 —эквивалентный радиус экрана любой геометрической формы (V—внутренний объем экрана); l - наибольший размер отверстия (щели) в экране; . Формула (6.64) применима в диапазоне частот, пока k1l < 2, l > 0.
Для защиты от ЭМП обычно применяют металлические листы, которые обеспечивают быстрое затухание поля в материале. Однако во многих случаях экономически выгодно вместо металлического экрана использовать проволочные сетки, фольговые и радиопоглоща-ющие материалы, сотовые решетки.
Эффективность экранирования электрического поля при использовании проволочных сеток
.
Здесь слагаемое А означает то же, что в выражении (6.64) (k1l < 2), а множитель С и величину z при заданном диаметре провода d и шаге s сетки рассчитывают по формулам: С= pd/(s—d), z = 1/s2h*, где эквивалентная толщина сетки h* = pd2/4s.
В сортамент фольговых материалов толщиной 0,01...0,05 мм входят в основном диамагнитные материалы — алюминий, латунь, цинк. Расчет эффективности экранирования фольговых материалов производится по формулам для тонких материалов. При негерметичности эффективность экранирования электрического поля
,
где z = 1/s2h.
Радиопоглощающие материалы изготовляют в виде эластичных и жестких пенопластов, тонких листов, рыхлой сыпучей массы или заливочных компаундов. В табл. 6.11 приведены характеристики некоторых радиопоглощающих материалов. В последнее время все большее распространение получают керамикометаллические композиции.
Эффективность экранирования сотовыми решетками зависит вплоть до сантиметрового диапазона от отношения глубины к ширине ячейки.


Таблица 6.11.
Основные характеристики радиопоглощающих материалов

Марка поглотителя и материал, лежащий в его основе
Диапазон рабочих волн,см
Отражающая мощность, %
Размер пластины, мЧ10-3
Масса 1 м2 материала, кг
Толщина материала, мм
СВЧ—068, феррит
«Луч», древесное волокно В2Ф2, резина В2ФЗ: ВКФ1

«Болото», поролон
15...200

15...150

0,8...4
0,8...4

0,8...100
3

1...3

2
4

I...2
100х100

600 х 1000

345х345 345х345

-
18...20

-

4...5
4...5

-
4

<< Предыдущая

стр. 30
(из 44 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>