Акустические показатели двигателей и методы их улучшения

Из наиболее жестко регламентируемых на уровне международных и национальных стандартов характеристик средств наземного транспорта являются их акустические показатели.

Акустическое излучение, генерируемое двигателем при его работе, относится к категории шумов, т.е. представляет собой совокупность звуков различной интенсивности и частотного состава, мешающие восприятию полезных сигналов и оказывающих вредное влияние на организм человека.

Как физическое явление звук — это волновое колебание упругой среды. Процесс распространения колебаний в среде носит название звуковой волны, а область пространства, в которой она распространяется, называется звуковым полем.

Как физиологическое явление звук определяется комплексом ощущений, которые возникают в органе слуха человека при воздействии на него звуковых волн.

Именно с этим параметром связана ключевая физиологическая характеристика звука — громкость Г.

Природная адаптация органа слуха человека к динамическому диапазону интенсивности природных и индустриальных звуков (~1015) предопределяет нелинейность его характеристики Г ~ In / .

Помимо логарифмической зависимости от интенсивности громкость звука зависит также от частоты звуковой волны, его вызывающей Г = /(/)• Это означает, что звуки равной интенсивности, но различной частоты воспринимаются человеком как разногромкие. Учет этой особенности органов слуха осуществляют умножением интенсивности Ij частоты fj на соответствующий ей весовой коэффициент kf., Процедура проводится для всех интенсивностей звука различных частот и называется корректировкой по шкале А.

Так как шум любой машины, и двигателя в том числе, представляет собой сложную комбинацию звуков различной интенсивности и частоты, то для возможности идентификации веса каждого из них в совокупной громкости сложный акустический сигнал разделяют на отдельные синусоидальные составляющие (гармоники) и для каждой из них определяют интенсивность Ij.

Эта процедура называется разложением сложного акустического сигнала в спектр

Совокупная интенсивность всех гармоник, формирующих спектр, в этом случае

Если интенсивности всех гармоник спектра скорректировать по шкале А, то совокупная интенсивность по всему спектру

будет пропорциональна громкости исходного акустического сигнала.

Учитывая широкий диапазон вариаций интенсивностей бытовых шумов и их функциональную связь с громкостью, для их оценки используются относительные логарифмические величины, называемые уровнями интенсивности

(эта единица измерения носит название «децибел»), а

— это пороговое значение интенсивности, с которого начинается восприятие звуков человеческим ухом.

Источник звука характеризуется звуковой мощностью Рзв (Вт) и спектром звуковой мощности P3Bj = /(/?). Трактовка понятия мощности источника звука как потока звуковой энергии Езв, излучаемой им

dE

в окружающее пространство Рзв = —— (Вт), и сопоставление его с по-

dt

нятием интенсивности звука в точке пространства вокруг источника

(рис. 4.23) , (Вт/м2) позволяют установить формальную

связь характеристики источника Рзв и энергетического параметра звукового поля / вокруг него:

где I, — интенсивность звука в /-й точке пространства;

AS, — площадь поверхности вокруг источника, в пределах которой It = const.

К определению звуковой мощности двигателя — источника звука — и расположение микрофонов на измерительной полусфере

Рис. 4.23. К определению звуковой мощности двигателя — источника звука — и расположение микрофонов на измерительной полусфере: ® — микрофон

Практика мирового автостроения выработала единый нормативный документ, регламентирующий предельные величины уровней звука автомобилей — «Правила № 51» ЕЭК ООН, положенные в основу государственных стандартов большинства промышленно развитых стран (в России — ГОСТ Р 41.51—2004). Принятая в них система нормирования определяет в качестве норматива уровень, скорректированный по шкале А, интенсивности акустического излучения (терминологически уровень звука) А движущегося автомобиля.

Предписываемая стандартами методика определения [LA] включает в себя следующие положения (рис. 4.24):

  • ? автомобиль в начале мерного участка движется равномерно со скоростью ~ 50 км/ч при частоте вращения коленчатого вала двигателя п ~ 3/4 лном (обеспечивается соответствующим выбором передачи коробки перемены передач); при въезде на измерительный участок двигатель переводится в режим работы по внешней скоростной характеристике;
  • ? автомобиль движется по мерному оговоренного качества и технического состояния участку дороги длиной 20 м;
  • ? измерение производится при прохождении автомобилем середины мерного участка микрофоном, установленным на расстоянии 7,5 м от его оси.
Схема мерного участка дороги для определения уровня звука автомобиля

Рис. 4.24. Схема мерного участка дороги для определения уровня звука автомобиля

Если рассматривать шум автомобиля как совокупность акустических излучений двигателя и экипажа, то интенсивность формирующих их источников звука (колеблющиеся наружные поверхности и системы газообмена — для двигателя, трансмиссия, шины, поток обтекающего автомобиль воздуха — для экипажа) решающим образом зависит от режима их работы. Так, регламентируемая стандартом методика испытаний, согласно которой двигатель при их проведении работает с максимальной подачей топлива и частотой вращения ~ (0,85...1,0)яном, соответствует практическому максимуму излучаемой им звуковой мощности. В то же время скорость движения автомобиля, решающим образом влияющая на звуковую мощность источников шума автомобиля, относительно невелика и составляет ~ 55...60 км/ч, и их совокупное акустическое излучение близко к минимуму. Это обстоятельство, а также характерное для автомобиля соотношение между параметрами основных источников его шума предопределяют тот факт, что при проведении аттестационных акустических испытаний до 90% излучаемой автомобилем звуковой энергии приходится на энергетическую установку — двигатель внутреннего сгорания.

В этой ситуации для выбора рациональной тактики доводки автомобиля по акустическим показателям необходимо знать, как соотносятся между собой нормативные уровни звука автомобиля и акустической мощности комплектующего его двигателя А <^> LP.

Эта задача решается на основе баланса звуковой мощности автомобиля, составленного в предположении независимости формирующих ее источников, и на регламентируемых техническим заданием соотношениях между уровнями их звуковой мощности.

С учетом принятых выше допущений связь между звуковыми мощностями автомобиля и комплектующего его двигателя описывается следующим уравнением:

где Рвс — звуковая мощность, излучаемая колеблющимися наружными поверхностями двигателя (терминологически структурой двигателя), не капотированного в моторном отсеке; ALKm — величина звукопоглощения капота, устанавливаемая техническим заданием (ТЗ) и обычно варьируемая в пределах от 3 (акустически не обработанный моторный отсек) до 20 дБ (отсек в виде герметичной капсулы); ALm — нормативная разность между уровнями звуковых мощностей (УЗМ) структурного шума двигателя и акустического излучения системы наполнения, величина которой устанавливается

ТЗ на проектирование двигателя; для систем впуска автомобильных Д ВС значения ДДВП находятся в пределах 3...6 дБ в зависимости от номинальной частоты вращения двигателя, акустической эффективности воздухоочистителей и наличия специальных глушителей шума процесса наполнения; ДДВып величина превышения уровня звуковой мощности структурного шума над УЗМ системы выпуска отработавших газов; задается при отработке технического задания на ее проектирование и варьируется в пределах от 6 дБ (системы выпуска дизелей с одной ступенью шумоглушения) до 12 дБ (системы выпуска двигателей с искровым зажиганием, двумя ступенями шумоглушения и каталитическим нейтрализатором).

Для автомобилей на режиме проведения акустических испытаний величина УЗМ источников шума экипажа АЬЭК на 10 дБ меньше аналогичного параметра структурного шума двигателя.

Нормативный показатель — уровень звука автомобиля ЬА на расстоянии R = 7,5 м от оси мерного участка дороги может быть рассчитан в предположении ненаправленного излучения им звуковой энергии в пространство, ограниченное полусферой радиуса R = 7,5 м;

Полагая в этом уравнении ЬА [ZJ, где [LAJ — нормативный уровень звука автомобиля по стандарту «Правила № 51» ЕЭК ООН, становится возможным рассчитать, какой уровень звуковой мощности, скорректированный по шкале А, должен иметь при этом комплектующий его двигатель:

Практика автомобилестроения разделяет конструкторско-технологические мероприятия по совершенствованию акустических характеристик автомобилей на два содержательно обособленных направления — на «пассивные» способы шумоглушения, не связанные с рационализацией базовой структуры силового агрегата, и на условно «активные», использующие целенаправленные изменения конструкции двигателя и характера протекающих в нем процессов.

Первое направление реализуется в основном применением капсул, частично акустически герметизирующих двигатель в подкапотном пространстве, а также использованием звукопоглощающих и звукоотражающих экранов, располагаемых в направлении распространения звуковых волн от двигателя к точкам измерения шума при его нормативной оценке.

Наибольший акустический эффект дает капсулирование двигателя. Имеется ряд конструкций звукоизолирующих капсул, позволяющих снизить уровни звука на 15...20 дБ(А).

Новейшие конструкции капсул, изготавливаемых из полимерных материалов, с высокими показателями шумоизоляции и вибродемпфирования при малой плотности (около 350 г/м2) акустической эффективностью 6...8 дБ(А) имеют массу 25...40 кг и при увеличении стоимости автомобиля среднего класса на 5...8%.

Отмеченные особенности не позволяют считать капсулирование целесообразным и перспективным способом шумоглушения на массовых автомобилях «потребительского» класса.

Особую категорию источников шума составляют системы впуска воздуха и выпуска отработавших газов. Для их шумоглушения используются автономные устройства и системы, конструкция которых не затрагивает базовых элементов самого двигателя.

Теоретически акустическая эффективность этих систем неогра- ничена и проблема их конструирования сводится к обеспечению заданных параметров заглушения при их минимальных габаритах, массе и стоимости.

Наименьшие ограничения в этом случае налагаются на конструкцию системы выпуска, которая в современных автомобилях включает в себя элементы системы нейтрализации токсических компонентов отработавших газов. При разработке ее акустическая эффективность задается такой, чтобы уровень излучаемой системой звуковой мощности был на 8... 10 дБ(А) ниже аналогичного параметра, характеризующего акустическое излучение от колебаний наружных поверхностей двигателя. Таким требованиям полностью удовлетворяют применяемые на автомобилях в настоящее время двухкаскадные реактивно-активные системы шумоглушения. Включение в их конструкцию каталитических нейтрализаторов способствует улучшению их заглушающих свойств, так как принципы их функционирования способствуют снижению энергии акустических явлений, имеющих место в выпускной системе.

Более актуальной в настоящее время является проблема совершенствования акустических свойств систем впуска, что связано с жесткими ограничениями их массогабаритных и гидравлических характеристик. Как показала практика, обязательные для систем впуска автомобилей воздухоочистители являются весьма эффективными глушителями шума процесса наполнения. Проблема при этом заключается в необходимости обеспечения нужной геометрии впускного тракта — в основном нужной его длины, что необходимо для эффективного снижения составляющей спектра шума с частотой, равной частоте следования тактов наполнения.

Для выполнения требований действующих нормативов оказывается достаточным иметь уровень излучаемой системой наполнения звуковой мощности на 3...5 дБ(А) ниже аналогичного параметра, характеризующего акустическое излучение от колебаний наружных поверхностей двигателя. Это требование на современных автомобилях в основном удовлетворяется без применения специальных глушителей шума впуска.

Для выполнения перспективных норм поддержание на том же уровне соотношения между шумом системы впуска и структурным шумом двигателя, особенно на наиболее энергонасыщенных низких частотах, потребуется существенное увеличение объема и габаритов впускной системы для размещения в ней дополнительных резонаторных и активных шумоглушащих устройств. Это может создать серьезные трудности при компоновке системы наполнения на автомобиле.

В этой ситуации более перспективной представляется комбинация системы традиционной комплектации с активным излучателем для подавления наиболее акустически активных гармоник низкочастотного шума. Его излучение контролируется микропроцессором и формируется в виде акустического сигнала, находящегося в противофазе сигналу заглушаемых гармоник. К настоящему времени экспериментальные образцы таких устройств простейшего исполнения обеспечивают подавление шума впуска на низких частотах на 6... 8 дБ (А) без увеличения габаритов и массы впускной системы.

Акустические характеристики структурного шума двигателя в значительной мере предопределяются избранной при его проектировании стратегией обеспечения необходимой эффективной мощности. Так как

то для двигателей одинаковой тактности заданная величина Ne обеспечивается при любом сочетании величин ре, лном,iVh, при которых их произведение равно 30тNe. Формально перечисленные параметры в одинаковой мере влияют на Ne. Однако они в различной степени влияют на акустическую активность двигателя.

Так, для дизелей с объемно-пристеночным смесеобразованием излучаемая звуковая мощность Рзв пропорциональна величинам л20М, /КА2 и р®’5. В этом случае акустически наиболее рационально получать заданную величину Ne при минимально возможной номинальной частоте вращения яном за счет либо увеличения рабочего объема двигателя iVh, либо посредством увеличения среднего эффективного давления ре. Первый путь, хотя и приводит к снижению излучаемой двигателем звуковой мощности, менее рационален, так как связан с увеличением массы и габаритов двигателя.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >