Строительно-дорожные машины — один из наиболее массовых видов продукции машиностроения. В год во всем мере производятся сотни тысяч самых разнообразных по назначению строительно-дорожных машин (бульдозеров, экскаваторов, погрузчиков, скреперов, кранов, катков, автогрейдеров и др.). Строительно-дорожные машины (СДМ) при различных видах строительных работ (например, строительство автомобильных дорог, работы по благоустройству и пр.) могут быть заметным источником акустического загрязнения в городах и населенных пунктах. Внешний шум СДМ на расстоянии 7,5 м может достигать 75−85 дБА (при норме шума в жилой застройке, например, в дневное время — 55 дБА) и шум может превышать нормы на 20−30 дБА или в 4−6 раз по субъективному ощущению громкости. Из-за повышенного шума во многих странах запрещено производство строительных работ в ночное время, вблизи медицинских и учебных учреждений и пр.- это ограничение снижает возможности строительных технологий, увеличивает затраты на строительство.
Шум в кабинах СДМ при выполнении строительных работ может достигать 8090 дБА, шум высоких уровней на рабочем месте снижает производительность труда, ухудшает здоровье работающих, снижает степень его безопасности. При этом действию шума подвергаются сотни тысяч человек, т. е. масштабы этих вредных воздействий чрезвычайно широки. Снижение вредного внешнего и внутреннего шума СДМ — важная научная и практическая задача.
В последние несколько десятилетий наблюдается стойкая тенденция — ужесточение норм (в основном внешнего) шума СДМ. Так за последние 30 лет в странах ЕЭС нормы внешнего шума для многих типов машин ужесточены не менее чем на 10 дБ А. Это заставляет разрабатывать шумозащиту. На СДМ внешний и внутренний шум в последние годы снижен на 10−15 дБ А. Это достигается комплексом мер, включающих как снижение шума в источниках образования, так и на пути распространения звука. Работы по шумоглушению ведутся, в основном, экспериментальным путем, когда перебором тех или иных средств добиваются последовательного снижения шума во внешнем или внутреннем звуковом поле. Основной задачей прикладной акустики становится разделение вклада источников. Только выполнение этой операции позволяет разрабатывать надежные рекомендации по шумозащите. До выполнения настоящей работы разделение вклада источников выполнялось экспериментальным методом. При испытаниях исследуемая машина устанавливалась на специальной площадке в условиях свободного звукового поля и испытывалась на заданном режиме. При испытаниях фиксировались уровни звукового давления (УЗД) в выбранных точках (или производился пересчет УЗД в уровни звуковой мощности — УЗМ).
При этом выполняются различные операции по удалению вклада одного или нескольких источников, а фиксируются значения УЗД (УЗМ) для оставшихся источников. Удаление источников из формируемого звукового поля осуществляется в основном одним из двух методов:
1. Отключение источника (источник выключается, например, гусеницы на стоянке);
2. Исключение источника (когда невозможно отключить источник он исключается за счет применения дополнительных технических средств, например, шум выпуска, отводится за пределы измерительных точек при помощи специально изготовленной выхлопной трубы).
Нетрудно понять, что экспериментальные методы обладают двумя существенными недостатками: а) техническая сложность (метод 2) или невозможность (метод 1) реализацииб) невозможность реализации метода при наличии вклада нескольких одинаковых источников или выделения источника с меньшими УЗД (УЗМ) на фоне работающего источника с большими УЗД (УЗМ) или уровнями звука (УЗ).
Это, конечно, не значит, что экспериментальные методы вовсе не применимы. Они прекрасно работают, когда предоставляется возможность отключить основной источник.
Цель настоящей работы: создать расчетно-экспериментальный метод разделения вклада источников в процессы шумообразования, который позволяет определить вклад источников надежно и с высокой точностью для разработки научно обоснованных мероприятий по шумозащите.
Научная новизна: в диссертации обоснованы и разработаны научные методы разделения вклада источников шума во внешние и внутренние поля СДМ. При этом решены следующие научные задачи:
1. обоснованы и разработаны расчетные схемы внутреннего и внешнего звуковых полей для нескольких основных типов СДМосновной идеей в разработанных схемах является замена расчета по источникам, суммарным представлением источников шума под капотом;
2. разработаны математические модели, описывающие вклад источников звука по расчетным схемам в процессы шумообразования, где за излучаемую мощность основных источников расположенных под капотом, принята их суммарная мощность, проходящая через капот;
3. разработана методика разделения вклада источников во внутреннее и внешнее звуковые поля СДМ, позволяющая разработать научно обоснованные рекомендации по шумозащите.
Практическая ценность работы.
1. Получены акустические характеристики исследуемых машин и их источников шума, акустические характеристики шумозащитных конструкций трех типов строительно-дорожных машин.
2. Результаты экспериментально-аналитического разделения вкладов источников шума во внутренне и внешнее звуковые поля трех типов исследованных машин.
3. Получены научно обоснованные рекомендации по направлениям снижения шума в кабинах и во внешнем звуковом поле исследуемых машин, а также рекомендации по применяемой шумозащите и ее численные значения.
Внедрение результатов работы осуществлялось на строительно-дорожных машинах, используемых «Мостотрядом 19», г. Санкт-Петербург, а также приняты для внедрения в одну из известных в мире фирм по производству строительно-дорожных машин.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на Шестом международном симпозиуме «Шум и вибрация на транспорте» (Санкт-Петербург, 2002), Девятом международном конгрессе по звуку и вибрации (Орландо США, 2002), Первой Всероссийской школе-семинаре с международным участием «Новое в теоретической и прикладной акустике» (Санкт-Петербург, 2001), Второй Всероссийской школе-семинаре с международным участием «Новое в теоретической и прикладной акустике» (Санкт-Петербург, 2002).
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
На защиту выносятся:
— расчетные и математические модели, описывающие распространение звука во внешнее и внутреннее звуковые поля и разработанные на их основе методы разделения вклада источников шума на строительно-дорожных машинахпринципы разделения вклада источников шумарасчетный метод выбора рекомендаций по шумозащите строительно-дорожных машин.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 116 наименований и приложений. Основной материал, включая 77 рисунков и 54 таблицы, изложен на 173 страницах, объем приложений — 39 страниц.
Выводы по главе.
1. Разработана классификация шумозащиты на исследуемых машинах, включающая методы и средства снижения внутреннего и внешнего шумаметодызвукоизоляция, звукопоглощение и глушителисредства — акустические экраны, звукоизолирующие капоты и кабины, отдельные звукоизолирующие конструкции, звукопоглощающие облицовки и глушители различного назначения.
2. Выполнены поэтапные расчеты по снижению внутреннего и внешнего шума для исследованных машин и показана эффективность каждой из рекомендуемых конструкций по отдельности и в их совокупности. Для большей наглядности изложения рассматриваются конструкции с приблизительно одинаковой эффективностью. Полученные результаты поэтапного расчетного снижения шума достаточно надежно показывают практическую полезность разработанного метода разделения вклада источников шума.
3. Применением на бульдозере акустического экрана (на гусеницы), увеличенной звукоизоляцией капота, перегородки и пола кабины, увеличением звукопоглощения в кабине и под капотом, получены следующие результаты. Во внешнем звуковом поле вклад гусениц за счет АЭ уменьшен на 4,9 дБА, вклад от источников под капотом за счет его дополнительной звукоизоляции и размещения звукопоглощения под капотом, уменьшился на 6,6 дБА, что обеспечило снижение внешнего шума на 4,6 дБА. Во внутреннее звуковое поле получены снижения: вклад шума моторного отсека через перегородку снизился на 8 дБАвклад шума моторного отсека через пол снизился на 8,1 дБАвклад шума выпуска снизился на 1,1 дБ Авклад шума гусениц, проникающего через пол на — 10,5 дБАвклад шума моторного отсека, проникающего через панели ограждения капота и далее через панели кабины, за исключением перегородки и пола уменьшился на 3,5 дБАвклад шума гусениц, проникающего через панели ограждения кабины уменьшился на.
6.5 дБАвклад шума всасывания, проникающего в кабину снизился на.
1.6 дБА. Шум в кабине снижен на 5 дБА.
4. Применением на погрузчике мер по дополнительной звукоизоляции капота, а также перегородки и пола кабины, мер по увеличению звукопоглощения под капотом и в кабине, а также применением глушителя шума выпуска на выпуске двигателя внутреннего сгорания получены следующие результаты. Вклады во внешнее звуковое поле уменьшились: вклад вентилятора через панели капота — на 6,1 дБ А, вклад двигателя через панели капота — на 6,4 дБА, вклад выпуска — на 4,5 дБА., вклад двигателя через открытый проем в капоте — на 1,8 дБА, а внеший шум этими мерами снижен почти на 5 дБА. Получены следующие снижения вкладов шума в кабине: вклад шума двигателя, проникающего через пол кабины снизился на 8,3 дБАвклад шума выпуска снизился на 5,5 дБАвклад шума двигателя, проникающего через перегородку снизился на 8,3 дБАвклад шума всасывания, проникающего в кабину снизился на 1,9 дБАвклад шума двигателя, проникающего через панели ограждения капота и далее через панели кабины, за исключением перегородки и пола уменьшился на 3,6 дБАвклад шума вентилятора проникающего через панели ограждения капота и далее через панели ограждения кабины, за исключением перегородки и пола уменьшился на 3,7 дБ Авклад шума двигателя в кабину, проникающего через нижний открытый проем капота уменьшился на 8,3 дБАвклад шума вентилятора, проникающего через пол кабины и перегородку между моторным отсеком и кабиной уменьшился на 10,4 дБА и 9,7 дБА соответственно. Применением перечисленных мер шум в кабине снижен на 5 дБА.
5. Для снижения внутреннего и внешнего шума погрузчика-экскаватора применен аналогичный набор мер. При этом внешний шум снижен на 4 дБА уменьшением вклада вентилятора через панели капота на 4,7 дБА, вкладом двигателя и всасывания через панели капота на 6,4 дБА, вкладом двигателя и всасывания через нижний открытый проем капота на 1,7 дБА. Шум в кабине уменьшен на 6,6 дБА путем уменьшения: вклада шума источников моторного отсека через пол на 8,7 дБА, т.ж. через ограждения капота — на 4,3 дБА, уменьшение вклада шума вентилятора ~ на 3,7 дБА, шум выпуска — на 2,4 дБА, вклад шума через проем в капоте, а далее через пол — на 8,7 дБА., вклад шума вентилятора, проникающего через пол — на 10,2 дБА.
Заключение
.
1. Разработка мер шумозащиты базируется на разделении вклада источников шума во внутреннее и внешнее звуковые поля. Практика борьбы с шумом показала, что применяемые экспериментальные методы разделения вклада источников имеют ограничения.
2. В основу разрабатываемого автором экспериментально-аналитического метода разделения вклада источников положена статическая теория акустики, базирующаяся на представлении квазидиффузного звукового поля в замкнутых объемах и некоторых других допущениях. Показано, что значение гранйчной частоты расчетов для большинства случаев находится в октавной полосе со среднегеометрическом значением 63 Гц.
3. Разработаны расчетные схемы и математические модели, описывающие образование звуковых полей от источников, расположенных под капотом, где капот или его элементы приняты излучателями звуковой мощностипроникновение звука от различных источников в кабину с учетом дифракции на ее внешних огражденияхпрохождение звука через открытый проем в капоте с условием отражения звука о бесконечную поверхностьизлучение звука плоским источником конечных размеров.
4. С использованием разработанных расчетных схем и описывающих их математических моделей получены конкретные описания образования внешнего и внутреннего звуковых полей выбранных для исследования строительно-дорожных машин.
5. Разработаны методики измерения акустических свойств исследуемых машин, основных источников шума и конструкций в натурных условиях, в том числе разработана оригинальная методика определения акустической мощности источников звука располагаемых под капотом.
6. Получены акустические характеристики внешнего и внутреннего (в кабине) звуковых полей исследуемых машин для сравнения их с результатами расчетов, получены характеристики звуковой мощности основных источников шума, а также характеристики звукопоглощения в замкнутых объемах и характеристики звукоизоляции капотов и кабин. Установлено, что коэффициент звукопоглощения капотов и кабин в исследуемом диапазоне частот в среднем составил 0,1−0,3, т. е. в конструкциях имеется резерв снижения шума за счет повышения звукопоглощения. Приведенная звукоизоляция кабин составила 20−40 дБ, что говорит об их высоких звукоизолирующих качествах, а приведенная звукоизоляция капотов не превышает 10−20 дБ за счет наличия в их конструкции слабых элементов.
7. На основании приведенных расчетных схем и описывающих их расчетных формул, а также учетом данных об акустических характеристиках основных источников шума и конструкций, выполнено разделение вклада источников в процессы шумообразования во внешнее и внутреннее звуковые поля для трех выбранных для исследования строительно-дорожных машин. Так получено, что основные источники внешнего шума бульдозера — гусеницы и источники под капотом, внутреннего — шум от источников под капотом (через перегородку и пол кабины) и от гусениц (через ограждения кабины). Внешний шум погрузчика формируется вкладом вентилятора и выпуска, а также источниками под капотом, внутренний — выпуском и всасыванием (через ограждения кабины), источниками под капотом (через пол и перегородку). Внешний шум погрузчика-экскаватора в основном формируется источниками под капотом, внешний — теми же источниками (через пол и перегородку).
8. Сравнение расчетных данных с экспериментом, выполненное для внешнего и внутреннего звуковых полей всех трех исследованных машин, показало, что отличие расчетных данных от экспериментальных не превышает ±2 дБ в Диапазоне частот 63−8000 Гц, и не превышает ±1,5 дБА по УЗ, т. е. можно говорить о весьма высокой точности выполненных расчетов.
9. Разработана классификация шумозащиты на исследуемых машинах, включающая методы и средства снижения внутреннего и внешнего шумаметоды — звукоизоляция, звукопоглощение и глушителисредства — акустические экраны, звукоизолирующие капоты и кабины, отдельные звукоизолирующие конструкции, звукопоглощающие облицовки и глушители различного назначения.
10. С целью разработки рекомендаций по снижению шума с использованием разработанного метода по разделению вклада источников выполнениы расчеты по определению, снижения шума во внутреннем и внешнем звуковых полях для трех исследуемых машин. Расчеты показали, что применением на бульдозере увеличенной звукоизоляции пола и перегородки, увеличенной эффективности глушителя шума выпуска, установкой акустического экрана на гусеницы, применением дополнительного звукопоглощения в кабине и под капотом шум в кабине снижен на 5 дБА, а внешний шум на 4,6 дБА. Применением на погрузчике мер по дополнительной звукоизоляции капота, перегородки и пола, применением дополнительного звукопоглощения в кабине и под капотом, а также увеличением эффективности глушителя на выпуске шум в кабине снижен на 5,3 дБА, и внешний шум снижены на 4,8 дБА. Аналогичные меры для погрузчика-экскаватора обеспечили снижение внешнего шума на 4 дБА, а в кабине на 6,6 дБА.
Приведенные примеры показывают, что разработанный метод разделения вклада источников обеспечивает не только пути и направления снижения шума, но и позволяет надежно определить их эффективность.
