Акустические характеристики вихревой трубы и методы борьбы с шумом

Аэродинамический шум, сопровождающий работу вихревой трубы, является ее существенным недостат­ком. Шум генерируется при звуковом истечений струи через сопло, а также при истечении через диафрагму и дроссель горячего потока.

Так, уровень звукового давления на расстоянии 2 м от вихревой трубы при расходе 2000 кг/ч превышает 130 дБ, т. е. близок к уровню шума реактивного двига­теля. По спектральному составу шум вихревых труб поличастотный с преобладанием у малорасходных ап­паратов высокочастотной составляющей.

Уровень звукового давления вихревой трубы с DQ= = 40 мм и FC = 0,1 достигает 116 дБ, причем интенсив­ность звуковых колебаний максимальна в диапазоне частот 1000—10000 Гц [28].

Уровень шума вихревой трубы можно уменьшить двумя путями. Один из них — снижение звуковой мощ­ности источника. Для этого определяют факторы конст­руктивного характера, влияющие на звуковую мощ­ность источника, и их подбором добиваются снижения уровня шума. Следует отметить, что применение тако­го метода затруднено, так как изменение геометриче­ских параметров приводит к значительному снижению эффективности вихревого аппарата.

Другой метод — уменьшение звуковой мощности, ге­нерируемой выходными газовыми потоками вихревого аппарата. Уровень шума свободной газовой струи при дозвуковых, скоростях истечения определяется турбу­лентным перемешиванием частиц газа, имеющих боль­ную скорость истечения, с частицами окружающего воз­духа. Суммарную звуковую мощность струи можно опре­делить по формуле Лайтхилла [20]

2 8

W = K Рст"ст в2—————————— !——— , (зо)

Р/о (0,6Го/Гст + 0,4)*’ V ;

Гдеі £я*3-10~5 — коэффициент пропорциональности [20]; рст — плотность струи; ыст — выходная скорость струи и» патрубка; р0— плотность окружающей среды; D — диа­метр патрубка; со — скорость звука в невозмущенной среде; Тот и 70 — температура соответственно струи и окружающей среды.

Уровень звукового давления струи Lw— 10lg(W/W0)r где №0=10-12Вт.

На основном участке струи (при удалении от пат­рубка) звуковая мощность элементарного объема рез­ко уменьшается пропорционально приблизительно седь­мой степени рассстояния от сопла [28]. Звуковая мощ­ность, излучаемая начальным участком струи, состав­ляет около 50% всей звуковой мощности струи. Таким образом, основная доля шума излучается участками струи, находящимися на расстоянии шести диаметров струи от ее выхода.

Один из простых способов уменьшения уровня шума струи — установка сеток в патрубках выходных пото­ков. Это приводит к уменьшению градиента скорости по­тока, что в соответствии с формулой (30) вызывает уменьшение энергии шума, излучаемого начальными участками струи. Естественно, сетки нужно устанавли­вать на расстоянии менее шести диаметров струи от среза выходного патрубка. Но при проектировании сле­дует учитывать, что установка сетки вызывает допол­нительные гидравлические сопротивления (во многих случаях это нежелательно) и сетки позволяют только частично снизить уровень шума струи. Установка спе­циальных глушителей позволяет более эффективно сни­зить уровень шума.

Требования к глушителям заключаются в обеспече­нии наименьшего влияния их на эффективность, массу, размеры и стоимость вихревого. аппарата. Наиболее распространены глушители реактивного и активного ти­пов. Кроме того, промышленные установки выполняют со звукоизолирующим покрытием вихревых аппаратов.

Глушители реактивного типа изготовляют в виде камер расширения и сужения, часто снабженных пере­городками, экранами, резонаторными полостями, наст­роенными на определенную частоту и сообщающимися щелями с внутренним объемом воздуховода. Часто ре­активные глушители облицовывают изнутри звукопо­глощающим материалом, что приводит к увеличению их акустической эффективности. В реактивных глушите­лях поглощение звука обеспечивается образованием «волновой пробки», которая затрудняет прохождение звука на некоторых частотах под влиянием массы и уп­ругости воздуха в ячейках глушителя. Уровень шума при работе вихревой трубы с расходом 500 кг/ч без глу­шителя в диапазоне частот 0,8—40 кГц составляет 114 дБ.

При установке глушителя реактивного типа со стороны диафрагмы уровень шума снижается до 103 дБ, а при установке глушителя и на нагретом потоке — до 85 дБ. Использование дополнительного стеганого чехла с брезентовым покрытием позволяет снизить уровень шума до 72 дБ.

К недостаткам глушителя реактивного типа можно отнести сложность проектирования, требующееся иног­да изготовление экспериментальной модели, заглушение преимущественно звуков низких частот; поэтому для расширения частотного диапазона нередко их применя­ют в сочетании с глушителями активного типа. В актив­ных глушителях (рис; 49) основную роль в снижении уровня шума играет звукопоглощающий материал, в качестве которого применяют любые пористые материа­лы.

Весьма важен правильный выбор звукопоглощаю­щего материала. Он1 должен обладать высоким звуко-

Рис. 49. Акустические характеристики вихревой трубы с расходом Gc = 20 кг/ч: 1 — без глушителя; 2 — с глушителем; темные точки — е=22; светлые точки — Е=14

Поглощением в требуемом диапазоне частот, негорю­честью и малой коррозионной активностью, малой мас­сой, биостойкостью и низкой гигроскопичностью, долго­вечностью, экономичностью и безвредностью для здо­ровья окружающих. Естественно, подобрать материал^ удовлетворяющий всем этим требованиям, очень труд­но. Однако можно рекомендовать капроновое волокна для работы на влажном воздухе и в условиях химиче­ских заводов; стеклянное волокно и шлаковую вату — при повышенных температуре или требованиях к огне­стойкости; керамзитовый гравий — для установок с большим расходом газа и при высоких температу­рах.

Для исключения выдувания звукопоглощающего ма­териала используют различные покрытия — перфориро­ванные трубы и сетки.

При распространении звуковых волн в поглощаю­щем материале возникают потери, обусловленные вяз­ким трением при движении воздух, а, деформацией по­ристого материала, а также теплообменом между воз­духом в порах и материалом.

Глушители активного типа наиболее просты, легко поддаются расчету и эффективны в широкой области частот, обладают малым гидравлическим сопротивлени­ем.

Акустические характеристики вихревой трубы (см. рис. 49) получены при использовании в качестве зву­копоглощающего материала войлока ТПР-3 с сеткой. Максимальный уровень шума в малорасходной вихре­вой трубе составил 108—112 дБ. Установка глушителя активного типа позволила снизить уровень шума до 70—73 дБ. Как показали эксперименты [6], глушители активного типа высокоэффективны при частотах более 1 кГц, т. е. именно в области, где максимальна интен­сивность звуковых колебаний в вихревой трубе.

Глушитель активного типа рассчитывают на наиболь­шее необходимое снижение уровня шума AL = Lw — LcaH, Где ЬСан — уровень звукового давления по, санитарным нормам.

Из конструктивных соображений в соответствии с размерами трубопровода выбирают диаметр Dі (см. рис. 49). Длину глушителя (его активной части) рассчи­тывают по формуле [20] L=ALDi/[4,4Q>(A)], где ф(а) — коэффициент звукопоглощения внутренней облицовки канала; а — коэффициент звукопоглощения материала облицовки.

Наружный диаметр D2 выбирают из конструктивных соображений.