ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА Российский патент 2006 года по МПК F02K3/04 F02C7/24 

Изобретение относится к машино- и авиастроению, а именно к разработке и конструированию устройств, позволяющих снизить шум, распространяющийся по аэродинамическим каналам, в частности, по каналам с потоком, имеющим дозвуковую скорость течения, например, шум вентилятора авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД).

Известен содержащий звукопоглощающие конструкции многосекционный глушитель шума, распространяющегося в каналах с потоком, например, в выхлопных каналах ТРДД, патент США № 4091892 от 30.05.1978 г.

Известен глушитель шума, патент РФ № 2175072 от 12.04.2000 г., имеющий многосекционную звукопоглощающую облицовку.

Недостатками данных устройств является то, что в них участки канала облицовываются полностью, причем современные многослойные звукопоглощающие облицовки являются сложными и дорогими в производстве и имеют при этом высокую суммарную массу, что увеличивает стоимость и массу двигателей.

Поиски различных принципов проектирования акустически более эффективных неоднородных, в частности, многосекционных звукопоглощающих облицовок стенок каналов с потоком воздуха являются одним из важных направлений усовершенствования глушителей шума.

При распространении по каналам энергия акустических волн переносится некоторым набором акустических мод или форм колебаний. Действие многосекционных глушителей использует два физических эффекта, наблюдающихся при распространении акустических волн в каналах, стенки которых характеризуются неоднородными акустическими свойствами. Во-первых, на элементах звукопоглощающей облицовки, расположенной на стенках канала, происходит поглощение акустической энергии и, в результате, снижение шума. Во-вторых, в сечениях канала, в которых акустические свойства стенок канала претерпевают какие-либо изменения, происходит частичное отражение акустических волн и частичная трансформация одних акустических мод в другие. Поскольку различные акустические моды в разной мере поглощаются звукопоглощающими конструкциями, при однородной облицовке стенок канала возможности звукопоглощения конструкциями быстро исчерпываются. Наличие неоднородностей звукопоглощающей облицовки приводит к частичному отражению звука, то есть снижению шума на выходе из канала, и к частичной трансформации одних акустических мод в другие. При этом плохо поглощаемые моды частично трансформируются в хорошо поглощаемые, которые затухают при прохождении следующих секций звукопоглощающей облицовки, приводя к дополнительному снижению шума на выходе из канала.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности глушения шума, снижение массы глушителя, упрощение его конструкции.

Технический результат в заявляемом глушителе шума, для аэродинамического канала, преимущественно канала наружного контура ТРДД, достигается за счет рационального расположения звукопоглощающей облицовки в канале, имеющем внешнюю и внутреннюю стенки, при уменьшении общего ее количества (площади) при той же располагаемой площади канала. При этом звукопоглощающая облицовка установлена на стенках канала по потоку в виде последовательности трех участков (I-II-III). Первый участок (I) канала длиной (L₁), равной 1.0±0.2 высоты канала, имеет не менее 80% двухсторонней звукопоглощающей облицовки, расположенной на внешней и внутренней его стенках, второй участок (II) канала длиной (L₂) 1.0±0.2 высоты канала не содержит звукопоглощающей облицовки, третий участок (III) канала длиной (L₃) 2.0±0.2 высоты канала имеет одностороннюю звукопоглощающую облицовку, расположенную на внешней или внутренней стенках канала. Звукопоглощающая облицовка на стенках I и III участков канала может иметь различное число слоев, разные значения степени перфорации перфорированных листов и высоты заполнителя, а также звукопоглощающая облицовка на I участке канала на каждой из его стенок может иметь различное число слоев, разные значения степени перфорации перфорированных листов и высоты заполнителя, а также звукопоглощающая облицовка на стенках I и III участков канала может быть составлена из двух или большего числа сегментов различных звукопоглощающих облицовок, имеющих разное число слоев, значения степени перфорации перфорированных листов и высоты заполнителя, а также звукопоглощающая облицовка у различных сегментов на стенках I и III участков канала может быть выполнена из различных композитных и металлических материалов. Значения допусков на длины облицованных участков канала определяются как точность измерения этих длин, так и точностью измерения акустической эффективности глушителя.

Для слабо искривленных каналов и каналов переменного поперечного сечения под высотой канала на каждом указанном его участке принимается среднеарифметическая величина из высот канала в радиальном направлении на входе и выходе участка канала.

На фиг.1 показана общая схема глушителя шума.

На фиг.2 представлены схемы испытанных вариантов установки звукопоглощающей облицовки (ЗПО) в канале прямоугольного сечения, моделирующем сектор кольцевого наружного канала ТРДД. Стрелками указано направление потока при числе Маха - М = 0.35.

На фиг.3 показаны графики изменений спектра акустической эффективности глушителей шума в канале относительно широкополосного шума.

На фиг.4 изображен внешний вид глушителя шума.

Глушитель шума на фиг.1 состоит из канала 1 с внешней стенкой 5 и внутренней стенкой 6, имеющего дозвуковой поток газа в направлении 2. На входе в канал 1 установлен источник 3 шума, например, вентилятор ТРДД, на внутренней и внешней стенках 5 и 6 канала 1 расположена звукопоглощающая облицовка 4 в виде последовательности трех участков: I-III. Первый участок (I) длиной (L₁), равной 1.0±0.2 высоты канала 1, например, кольцевого или прямоугольного сечения, содержит не менее 80% двухсторонней звукопоглощающей облицовки 4, расположенной на внешней и внутренней его стенках 5 и 6. Второй участок (II) длиной (L₃) 1.0±0.2 высоты канала 1 не содержит звукопоглощающей облицовки 4. Третий участок (III) длиной (L₂) 2.0±0.2 высоты канала 1 имеет одностороннюю звукопоглощающую облицовку 4, расположенную, например, на внешней стенке 5 канала 1.

Работа заявляемого глушителя шума осуществляется следующим образом.

Шум, при попадании в канал 1 глушителя шума на фиг.1 сначала поглощается двухсторонней звукопоглощающей облицовкой 4, расположенной на внешней стенке 5 и внутренней стенке 6 первого участка (I) канала 1, например, кольцевого или прямоугольного сечения. Затем, при переходе ко второму участку (II) канала 1, который на стенках 5 и 6 не содержит звукопоглощающей облицовки 4, происходит частичное отражение шума и частичная трансформация его модального состава. При переходе к третьему участку (III) канала 1, также происходит частичное отражение шума и частичная трансформация его модального состава. Наконец, при проходе через третий участок (III) канала 1, имеющего одностороннюю звукопоглощающую облицовку 4, например, на внешней стенке 5, шум дополнительно поглощается звукопоглощающей облицовкой.

Эксперименты по исследованию заявляемого глушителя шума проводились при использовании двухслойной звукопоглощающей облицовки строительной высотой 20 мм, имеющей высоты слоев 10 и 10 мм, степень перфорации дюралевых листов толщиной 0.5 мм равнялась 10% (к потоку) и 5% на канале прямоугольного сечения, моделирующем азимутальный отсек кольцевого наружного канала ТРДД. В воздушные полости звукопоглощающей облицовки были помещены композитные сотовые заполнители. Данная облицовка является типичной двумодальной широкополосной звукопоглощающей конструкцией, применяемой в наружных каналах двухконтурных турбореактивных авиационных двигателей (ТРДД) для снижения их шума.

Эксперименты были проведены на стенде типа «канал с потоком» с двумя реверберационными камерами.

В приведенной Таблице показаны характеристики акустической эффективности вариантов глушителя шума относительно тонального шума и широкополосного шума.

Таблица
Характеристики акустической эффективности вариантов глушителя (дБ)Характер шумаВеличинаВариант глушителя12345678910ИТональный шумΔL_cp4.84.55.13.25.25.34.85.15.15.96.9δ2.21.82.12.01.71.91.91.92.21.52.2Широкополосный шумΔL_cp4.43.94.63.34.74.84.44.14.14.96.4δ1.20.90.91.01.01.01.10.81.21.21.3ИтогΣ5.85.76.73.57.37.26.26.65.88.19.8

Проведенные эксперименты на модельных глушителях шума (Таблица и фиг.3) показали, что акустическая эффективность заявляемого глушителя шума (Таблица и фиг.3, вариант 11) выше, чем у других вариантов глушителей шума той же общей длины и той же площади звукопоглощающей облицовки (Таблица - варианты 1-10, фиг.3, вариант 4). Всего было исследовано 11 возможных геометрически независимых вариантов облицовки канала поперечным сечением 250×250 мм, у которых были одинаковыми:

- тип звукопоглощающей облицовки;

- полная длина глушителя шума, равная четырем высотам канала;

- суммарная площадь облицовки, эквивалентная двум высотам канала с двухсторонней облицовкой.

В качестве интегральных характеристик снижения шума в современных авиационных ТРДД применяется средняя акустическая эффективность ΔL_cp и среднеквадратическое отклонение δ акустической эффективности в диапазоне частот шириной три октавы 1000 до 6300 Гц. В Таблице приведены характеристики акустической эффективности относительно тонального (тш) и широкополосного (шш) шума для всех одиннадцати испытанных глушителей шума. В качестве итоговой интегральной характеристики акустической эффективности глушителя принята величина Σ:

Σ=(ΔL_cp-δ)_тш+(ΔL_cp-δ)_шш,

где Σ - итоговая интегральная характеристика акустической эффективности глушителя в диапазоне частот шириной три октавы 1000 до 6300 Гц;

ΔL_cp - средняя акустическая эффективность глушителя в диапазоне частот шириной три октавы 1000 до 6300 Гц;

δ - среднеквадратическое отклонение акустической эффективности в диапазоне частот шириной три октавы 1000 до 6300 Гц,

при вычислении которой параметры средней акустической эффективности складываются, а параметры среднеквадратического отклонения вычитаются. В результате более акустически эффективным признается глушитель шума, у которого среднее на трехоктавном диапазоне частот звукопоглощение является одновременно как достаточно высоким, так и весьма равномерным.

Выполненные эксперименты показали, что взаимное размещение облицованных звукопоглощающими конструкциями участков канала при сохранении суммарной площади облицовки заметно сказывается на акустической эффективности глушителя шума. Так акустическая эффективность глушителя шума по параметру Σ у разных вариантов глушителя различается (см. Таблицу) почти в 3 раза - от 3.5 до 9.8 дБ, что связано с различной степенью использования явления трансформации модального состава звука в канале при изменении граничных условий на его стенках.

Из данных, приведенных в Таблице, следует, что по параметру Σ группу лучших сборок составляют сборки 5, 6, 10 и 11 (Σ>7), причем наилучшим вариантом глушителя шума является сборка 11. Группу средних по акустической эффективности (7>Σ>6) составляют сборки 3, 7 и 8. Наконец, худшими оказались сборки 1, 2, 4 и 9 (Σ<6). На фиг.2 видно, что общим для группы наихудших сборок является отсутствие участков с двухсторонней облицовкой. Группу лучших составили сборки, начинающиеся или заканчивающиеся участком двухсторонней облицовки канала, причем абсолютно наилучшей из них оказалась сборка 11, начинающаяся участком двухсторонней звукопоглощающей облицовки канала.

На фиг.3, где показаны графики измерений спектра акустической эффективности глушителей шума относительно широкополосного шума, наилучшему варианту глушителя шума (Вариант 11, фиг.2) соответствует значок - ◆, наихудшему варианту глушителя (Вариант 4, фиг.2) значок - ▪, варианту глушителя со сплошной двухсторонней облицовкой канала на длине, равной трем высотам канала, значок - •. По параметру интегральной акустической эффективности Σ последний из них проигрывает наилучшему варианту (Вар.11), несмотря на то, что имеет в 1.5 раза больше площадь звукопоглощающей облицовки.

Наилучший вариант глушителя шума соответствует следующей схеме. Сначала располагается участок канала длиной, приблизительно равной высоте канала с двухсторонней звукопоглощающей облицовкой, по крайней мере, не менее, чем на 80% его длины. Затем следует участок канала длиной, приблизительно равной высоте канала, с акустически жесткими стенками, то есть не облицованный звукопоглощающей облицовкой. После этого располагается участок длиной, приблизительно равной двум высотам канала и имеющий одностороннюю звукопоглощающую облицовку, расположенную на внешней или внутренней стенках канала. Этот участок канала с односторонней звукопоглощающей облицовкой на длине, равной около двух высот канала, акустически эквивалентен участку канала удвоенной ширины с двухсторонней облицовкой.

Экспериментальные данные позволяют обосновать принятый в тексте заявки уровень допусков на длины облицованных участков канала. Основная их часть связана с точностью измерения положительного эффекта.

При оценке эффективности глушителей шума в каналах с потоком точность однократного измерения обычно не превышает ±0.5 дБ. Поскольку для получения характеристики глушителя шума необходимо два испытания - с глушителем шума и без него, точность оценки характеристики глушителя шума не превышает ±1 дБ. Иначе говоря, глушители шума, характеристики которых лежат в полосе ±1 дБ, являются в пределах точности измерений практически равнозначными.

Если предположить, что эффективность глушителя шума линейно связана с протяженностью участков канала, облицованных звукопоглощающими конструкциями (что в данном случае достаточно хорошо согласуется с практикой), можно оценить, при какой вариации протяженности этих участков эффективность глушителя шума будет находиться в полосе ±1 дБ. Поскольку средняя эффективность рассматриваемых глушителей шума в диапазоне частот шириной в три октавы (1-6.3 кГц) составляет около 5.5 дБ, то точность ±1 дБ приблизительно эквивалентна ±20%. Именно это значение допуска принято в качестве максимального в тексте заявки.

Таким образом, для повышения акустической эффективности работы заявляемого глушителя шума, снижения его массы и, как следствие, уменьшения его стоимости, используют акустическую неоднородность граничных условий двух типов: переход от облицованного участка канала к необлицованному его участку и переход от канала одной эффективной ширины к другой.

Глушитель шума для аэродинамического канала с внешней и внутренней стенками, преимущественно канала наружного контура турбореактивного двухконтурного двигателя, содержит звукопоглощающую облицовку, установленную на стенках канала по потоку в виде последовательности трех участков. Первый из которых, длиной, равной 1.0±0.2 высоты канала, имеет не менее 80% двухсторонней звукопоглощающей облицовки, расположенной на внешней и внутренней его стенках. Второй участок канала, длиной, равной 1.0±0.2 высоты канала, не содержит звукопоглощающей облицовки. Третий участок канала, длиной, равной 2.0±0.2 его высоты, содержит одностороннюю звукопоглощающую облицовку, расположенную на внешней или внутренней его стенках. Изобретение позволяет повысить эффективность глушения шума, снизить массу глушителя и упростить его конструкцию. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Глушитель шума для аэродинамического канала с внешней и внутренней стенками, преимущественно канала наружного контура ТРДД, на стенках которого установлена звукопоглощающая облицовка, отличающийся тем, что звукопоглощающая облицовка установлена на стенках канала по потоку в виде последовательности трех участков (I-II-III), первый (I) из которых длиной (L₁), равной 1,0±0,2 высоты канала, имеет не менее 80% двухсторонней звукопоглощающей облицовки, расположенной на внешней и внутренней его стенках, второй участок (II) канала длиной (L₂), равной 1,0±0,2 высоты канала, не содержит звукопоглощающей облицовки, третий участок (III) канала длиной (L₃), равной 2,0±0,2 его высоты, содержит одностороннюю звукопоглощающую облицовку, расположенную на внешней или внутренней его стенках.2. Глушитель по п.1, отличающийся тем, что звукопоглощающая облицовка на стенках I и III участков канала имеет различное число слоев, разные значения степени перфорации перфорированных листов и высоты заполнителя.3. Глушитель по п.1, отличающийся тем, что звукопоглощающая облицовка на I участке канала на каждой его стенке имеет различное число слоев, разные значения степени перфорации перфорированных листов и высоты заполнителя.4. Глушитель по п.1, отличающийся тем, что звукопоглощающая облицовка на I и III участках составлена из двух или большего числа сегментов различных звукопоглощающих облицовок, имеющих различное число слоев, разные значения степени перфорации перфорированных листов и высоты заполнителя.5. Глушитель по п.4, отличающийся тем, что у различных сегментов звукопоглощающая облицовка на I и III участках выполнена из различных композитных и металлических материалов.