УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ШУМОВ В ГАЗОПРОВОДАХ Российский патент 2024 года по МПК G10K11/16 F04D29/66 

Изобретение относится к области шумоподавления и предназначено для подавления акустического шума, распространяющегося по газу внутри газопровода.

Источником такого шума являются компрессоры газораспределительных станций и другие элементы газопровода - фильтры, повороты, разветвления и др., которые вызывают вибрацию поверхностей трубы газопровода и шум в струе газа. Особое значение подавление акустических шумов в трубопроводе имеет для обеспечения непрерывных и безошибочных измерений расхода газа широко применяемыми ультразвуковыми расходомерами, в которых измерительный ультразвуковой сигнал передается по газу внутри трубы. Рабочая частота ультразвуковых расходомеров составляет около 100 кГц, поэтому акустический шум в этом диапазоне частот может искажать и даже подавлять измерительный сигнал, распространяющийся внутри трубы.

Из уровня техники известен шумоглушитель активного типа (https://mydocx.ru/6-103164.html), в котором используется эффект подавления шума воздействием эквивалентного шума, сдвинутого по фазе на 180°.

Шумоглушитель содержит микрофон детектирования шума на входе и контрольный микрофон на выходе из шумоглушителя. Микрофон детектирования воспринимает входящий звук и передает его на электронное вычислительное устройство, которое вырабатывает электрический сигнал, сдвинутый по фазе на 180° относительно основного тона входного звука и равный ему по амплитуде, и передает его на громкоговоритель, расположенный на выходе шумоглушителя. В результате сложения звуковых волн входного шума и сгенерирированного сигнала происходит гашение основного тона шума на выходе шумоглушителя. Контрольный микрофон на выходе контролирует уровень звукового давления на выходе из шумоглушителя и вносит необходимые коррективы в работу электронного генератора подавления шума.

Недостатком этого устройства является низкочастотный диапазон (0÷20 кГц), невысокий уровень подавления шума (не более 10 дБ), сложность его реализации на ультразвуковых частотах, а также сложность обеспечения работоспособности электронного устройства в экстремальных условиях эксплуатации.

Известны абсорбционные глушители (ГОСТ 31328-2006. Руководство по снижению шума глушителями, Ф.Е. Григорьян, Е.А. Перцовский. Расчет и проектирование глушителей шума энергоустановок. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние. 1980), в которых используется гашение звука звукопоглощающими волокнистыми облицовочными материалами.

Недостатком абсорбционных глушителей шума в газотранспортных системах является то, что они для эффективного подавления звука имеют большую протяженность внутри трубы, а также необходимость в регулярной очистке или замене звукопоглощающих элементов в связи с их загрязнением твердыми частицами и воздействием влаги.

Известны также глушители звука реактивного типа (http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000000/st038.shtml). Глушители реактивного типа применяются в основном для снижения шума, свойственного для компрессоров и других установок. Резонансные глушители - это объемы с жесткими стенками, сообщающиеся с трубопроводом через отверстия. Они устанавливаются в трубопроводах сравнительно небольших размеров, когда длина волны заглушаемого звука значительно больше характерного размера, например, диаметра трубопровода. Для расширения частотного диапазона глушения делаются многокамерные резонаторы, причем каждая камера рассчитывается на свою резонансную частоту.

Недостатком реактивных глушителей для достижения эффективного подавления ультразвукового шума является то, что требуется, чтобы длина волны заглушаемого шума была значительно больше диаметра трубопровода. На частоте 100 кГц длина волны звука в воздухе составляет около 3 мм, а минимальный диаметр эксплуатируемых труб газопроводов 80 мм, что не позволяет непосредственно применить это техническое решение.

Известен резонансный шумоглушитель отражательного типа (см. патент РФ № 2468217, МПК F01N 1/02, F16L 55/033, F24F 13/24, опубл. 27.11.2012), содержащий акустически прозрачный перфорированный трубопровод, первый и второй фланец, насаженные на края этого трубопровода и наружный кожух, охватывающий устройство по периметру фланцев, отличающийся тем, что набор резонаторов Гельмгольца установлен в объеме, ограниченном первым и вторым фланцами акустически прозрачным перфорированным трубопроводом и кожухом, при этом объем каждого резонатора Гельмгольца и геометрия его горловины выбирается таким образом, чтобы отраженная акустическая мощность превышала поглощенную, а полоса отражаемых частот для всего резонансного шумоглушителя охватывала полосу частот подавляемого шума.

Недостатком этого устройства является сложность его изготовления в ультразвуковом диапазоне, так как длина волны звука в газе на частоте 100 кГц составляет около 3 мм, что для отражения акустического шума такой частоты, распространяющегося в газе, требует изготовления резонаторов Гельмгольца размерами до 2 мм, и для обеспечения эффективного отражения по всей поверхности трубы количество таких резонаторов составит более 1000.

Технической проблемой изобретения является создание простого в изготовлении, компактного и эффективного устройства, обеспечивающего подавление акустического шума, распространяющегося по газу в трубе газопровода.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении работоспособности ультразвуковых расходомеров в условиях мощных акустических помех, распространяющихся по газу внутри трубы, за счет подавления акустического шума на входе ультразвукового расходомера газа в диапазоне частот 80 кГц÷120 кГц более чем на 30 дБ.

Технический результат достигается тем, что устройство для подавления акустических шумов, распространяющихся по газу в трубе газопровода, согласно изобретению содержит отрезок трубопровода, ограниченный по краям фланцами и имеющий не менее трех поворотов, снабженных на торцах уголковыми отражателями акустических волн.

Уголковый отражатель представляет собой коническую поверхность с углом конуса 90°.

Также уголковый отражатель может представлять собой аксиальную систему ребер с углом ребра 90°, причем расстояние между вершинами ребер удовлетворяет условию:

,

где V_зв- скорость звука в газе, f - средняя частота полосы подавления акустического шума.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1, 2 представлены варианты конкретного выполнения уголкового отражателя устройства для подавления ультразвуковых акустических шумов, распространяющихся по газу в трубе газопровода; на фиг. 3 показано подключение заявляемого устройства к расходомеру в газопроводе.

Позициями на чертежах обозначено:

1 - входной отрезок трубопровода (входной соединительный патрубок);

2 - выходной отрезок трубопровода (выходной соединительный патрубок);

3 - фланец присоединительный;

4 - поворотные отрезки трубопровода (колени устройства);

5 - уголковый отражатель.

Устройство содержит входной 1 и выходной 2 отрезки трубопровода, снабженные по краям фланцами 3 для присоединения в разрыв газопровода. Между входным 1 и выходным 2 отрезками трубопровода расположены три поворотных отрезка трубопровода 4, последовательно соединенных под углом 90°. Торцы входного отрезка 1 и поворотных отрезков 4 снабжены уголковыми отражателями 5. Уголковый отражатель может быть выполнен в виде конической поверхности с углом конуса 90° (5 на фиг. 1) или в виде аксиальной системы ребер с углом ребра 90° (5 на фиг. 2). Расстояние R между вершинами ребер выбраны из условия , где V_зв - скорость звука в газе, f - средняя частота полосы подавления акустического шума. Устройство устанавливают в газопровод на входе расходомера 6. Между заявляемым устройством и расходомером может быть установлен струевыпрямитель 7, который предназначен для уменьшения турбулизации потока газа после прохождения заявляемого устройства.

Устройство работает следующим образом.

Соединение устройства подавления ультразвукового шума с расходомером производится в зависимости от взаимного расположения источника ультразвукового шума в газе. Рассмотрим случай, когда источник шума расположен с одной стороны, слева от расходомера. Тогда к ультразвуковому расходомеру со стороны источников акустического шума присоединяется струевыпрямитель, к нему слева присоединяется устройство. Широкополосный звуковой шумовой сигнал поступает от компрессора (и др. элементов газопровода) по струе газа. В устройстве происходит подавление ультразвукового шума в струе газа на частотах свыше 80 кГц за счет отражения в каждом уголковом отражателе 5 (фиг.1) не менее 90% звуковой мощности (подавление 10 дБ) точно обратно направлению падения ультразвуковых волн в соответствии со свойством уголкового отражателя, аналогично оптическому уголковому отражателю (Optical Spectra, April 1977, V. 11, №. 4, P. 22). В четырех коленах устройства подавление составит не менее 40 дБ. Более низкочастотный шум проходит через устройство с меньшими потерями мощности, но он не влияет на работу ультразвукового расходомера. Вместо конусных отражателей возможно применение аксиальных систем ребер с углом ребра 90° (5 на фиг.2), которые имеют свойства уголкового отражателя, но для попадания нижней частотной границы в требуемый диапазон частот необходимо, чтобы расстояние между ближайшими ребрами составляло не менее 8 длин волн для выполнения условий геометрической акустики для реализации отражения точно обратно направлению падения волны. Для подавления ультразвукового шума в диапазоне частот 80 кГц - 120 кГц минимальное расстояние между ребрами составляет 30 мм.

Заявляемое устройство было испытано на расходомере ULTRAMAG в эксплуатационных условиях вблизи компрессора, генерирующего мощный акустический шум, распространяющийся по газу внутри трубы. Без применения заявляемого устройства расходомер ULTRAMAG при включении компрессора переставал работать, т.е. выдавать периодически измеряемую величину расхода газа. При монтаже заявляемого устройства между компрессором и расходомером работоспособность расходомера при включении компрессора на полную мощность не нарушалась.

Изобретение относится к области шумоподавления и предназначено для подавления акустического шума, распространяющегося по газу внутри газопровода. Устройство для подавления акустических шумов содержит входной и выходной отрезки трубопровода, снабженные по краям фланцами для присоединения в разрыв газопровода. Между входным и выходным отрезком расположены не менее трех поворотных отрезков трубопровода, последовательно соединенных под углом 90°. Выходные торцы входного и поворотных отрезков снабжены уголковыми отражателями акустических волн. При реализации изобретения обеспечивается работоспособность ультразвуковых расходомеров в условиях мощных акустических помех, распространяющихся по газу внутри трубы, за счет подавления акустического шума на входе ультразвукового расходомера газа в диапазоне частот 80 кГц÷120 кГц более чем на 30 дБ. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для подавления акустических шумов, распространяющихся по газу в трубе газопровода, характеризующееся тем, что содержит входной и выходной отрезки трубопровода, снабженные по краям фланцами для присоединения в разрыв газопровода, и расположенные между входным и выходным отрезком не менее трех поворотных отрезков трубопровода, последовательно соединенных под углом 90°, при этом выходные торцы входного и поворотных отрезков снабжены уголковыми отражателями акустических волн.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что уголковый отражатель представляет собой коническую поверхность с углом конуса 90°.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что уголковый отражатель представляет собой аксиальную систему ребер с углом ребра 90°, причем расстояние между вершинами ребер удовлетворяет условию:

R>8V_зв / f

где V_зв – скорость звука в газе, f – средняя частота полосы подавления акустического шума.