Испытания на воздействие акустического шума

7.4.1. Условия испытаний и применяемое испытательное оборудование

Воздействие акустического шума на изделия в условиях реальной эк­сплуатации приводит к необходимости его воспроизведения при про­ведении лабораторных испытаний. Лабораторная испытательная ус­тановка предназначена для воспроизведения случайного акустического шума и акустического тона меняющейся частоты в заданном частот­ном и динамическом диапазонах с возможностью осуществления руч­ного и автоматического управления.

Лабораторная установка (рис. 7.22) состоит из источника акус­тического шума 7; рупора 2, являющегося акустическим согласую­щим устройством, обеспечивающим согласование сопротивления излучения источника с акустическим сопротивлением окружающей среды; камеры 6, в которой испытуемое изделие подвергается дей­ствию акустического шума; системы 5 формирования и управления спектром акустического шума; измерительного микрофона 3; средств измерения 4 значений параметров испытательных режимов.

Рис. 7.22. Структурная схема лабораторной установки для испытаний на воздействие акустического шума

Основными параметрами, характеризующими установки акусти­ческого шума, являются следующие:

1. Уровень звукового давления — до 170 дБ с плавной регулиров­кой в пределах 90—170 дБ.

2. Отклонение уровня звукового давления от заданного. Оно долж­но быть не более ±3 дБ (иногда данный параметр определяют как допустимую погрешность по уровню звукового давления ±5%).

3. Случайный акустический шум в диапазоне частот 125—10 000 Гц (белый шум).

4. Форма спектра акустического шума (рис. 7.23).

5. Акустический тон меняющейся частоты в диапазоне частот 125-10 000 Гц.

6.

Продолжительность воздействия звукового давления. Она дол­жна быть не менее 5 мин.

Для некоторых установок необходимо рассматривать характерис­тику направленности, представляющую собой зависимость звукового давления, развиваемого источником на заданной частоте /или в по­лосе частот со средней частотой^ в точке свободного поля, которая находится на определенном расстоянии от рабочего центра, от угла между рабочей осью источника и направлением на указанную точку.

В качестве источников акустического шума наибольшее приме­нение получили акустические генераторы, принцип действия кото­рых основан на преобразовании энергии сжатого воздуха в акустичес­кую энергию, на модуляции воздушного потока электропнев — матическим возбудителем, на использовании электродинамических громкоговорителей.

Акустические генераторы, преобразующие энергию сжатого воздуха в акустическую энергию, подразделяются на две основные группы: с дискретным и с непрерывным (широкополосным) спектром частот.

Принцип действия указанных акустических генераторов заключа­ется в том, что непрерывный воздушный поток модулируется путем попеременного открытия и закрытия отверстий на его пути, в ре­зультате чего изменяется уровень звукового давления. Указанная мо­дуляция может реализовываться с помощью сирен и электропневма — тических возбудителей.

Схема акустического генератора с дискретным спектром частот, получаемым с помощью однороторной сирены, приведена на рис. 7.24. Воздух под давлением подводится к форкамере 7, по одной из стенок которой располагаются сопла. Число сопл и шаг их распреде­ления по окружности соответствуют числу и шагу отверстий в роторе (диске) 2 От их числа зависит диапазон частот звуковых давлений. Между ротором и торцевой частью сопел имеется зазор, который по возможности должен быть минимальным (не более 0,05 мм), чтобы уменьшить утечку воздуха через него и повысить КПД всей системы.

Рис. 7.24. Однороторная сирена

При вращении ротора электродвигателем 8, питаемым тиристор­ным источником 7, площадь сечения струй воздуха, истекающего из сопел, периодически изменяется, в результате чего изменяются га­зодинамические параметры струй, приводящие к пульсации давле­ния в рупоре 3 и появлению колебаний воздушной среды. Частота колебаний / определяется числом оборотов ротора и числом сопел в форкамере. Изменение частоты (тона) в определенных пределах до­стигается изменением числа оборотов привода ротора, а ее поддер­жание — с помощью системы автоматического управления электро­двигателем, получающей исходную информацию с датчика 9 числа оборотов. Точность поддержания частоты должна быть не ниже 1,5%.

В систему воздухоснабжения сирены входят: источники сжатого воздуха; ресивер 4У обеспечивающий снижение давления до рабочего значения; дроссель 5 для регулирования расхода воздуха; задвижка 6; элементы автоматического регулирования давления воздуха в подво­дящей магистрали.

Рабочий диапазон давления воздуха в форкамере порядка 104— 3 • 1(Р Па. Увеличение давления сверх указанного нецелесообразно, так как интенсивность звукового давления при этом возрастает незна­чительно. Следует иметь в виду, что в однороторной сирене может возникать акустический резонанс, собственная частота которого оп­ределяется геометрическими размерами форкамеры.

Иногда при вращении ротора в форкамере могут возникать пуль­сации давления, для уменьшения которых ее внутреннюю поверх­ность облицовывают звукопоглощающим материалом.

Акустический генератор с широкополосным спектром частот, реа­лизуемым с помощью многороторной сирены, позволяет получить случайный акустический шум в заданном диапазоне частот с требуе­мым уровнем давления.

Отличие многороторной сирены от однороторной в том, что в ней используется несколько роторов, каждый из которых имеет раз­ное число и размеры отверстий для прохода воздуха, причем отвер­стия по окружностям роторов располагаются с нерегулярным шагом, а сами роторы вращаются с различной частотой. Вращение роторов может осуществляться от разных электродвигателей или от разных приводов, приводимых во вращение одним электродвигателем, вра­щение которого посредством ряда шкивов и клиноременной переда­чи передается роторам. Кроме того, возможно параллельное и соос­ное расположения роторов. При параллельном расположении каждый ротор работает с отдельным соплом. Такая конструкция получила название сирены фон Герке.

Рабочий диапазон давления воздуха перед ротором — от 5 • 104 до 3,5 105 Па. Для сирен данного типа КПД, определяемый отношени­ем пневматической мощности (сжатый воздух) к акустической, со­ставляет примерно 8—10%. Недостатком многороторных сирен явля­ется сложность автоматического управления, обеспечивающего вос­произведение требуемого спектра шумов.

Акустические генераторы высокоинтенсивных звуковых полей, осу­ществляющие модуляцию воздушного потока элекгропневматическим модулятором, обеспечивают получение регулируемого спектра коле­баний в диапазоне частот 20—5000 Гц. В основе принципа действия модулятора лежит возбуждение механических колебаний модулирую­щей конструкции с помощью элекгрогидравлического или электро­динамического вибровозбудителя. В зависимости от используемого вибровозбудителя исходный сигнал, задаваемый с помощью низко­частотного электрического генератора, предварительно усиленный и отфильтрованный, поступает на электрический усилитель мощности и далее в обмотку катушки исполнительного устройства золотника элекгрогидравлического вибровозбудителя или в обмотку подвижной катушки электродинамического вибровозбудителя. При подаче ис­ходного электрического синусоидального сигнала образуется система акустических колебаний с постоянной амплитудой заданной часто­ты. При подаче исходного электрического случайного сигнала обра­зуются акустические колебания давления с различной амплитудой и со случайным периодом следования во времени. Изменение соответ­ствующей настройкой коэффициентов усиления полосовых фильтров позволяет регулировать в полосах спектральную плотность электри­ческого звукового давления.

Использование электродинамического возбудителя позволяет ре­ализовать высокочастотные акустические генераторы.

Для создания акустических шумов могут использоваться профес­сиональные электродинамические громкоговорители, различающиеся по способу излучения (диффузорные с непосредственным излучением и рупорные) и по воспроизводимому диапазону частот (узко — и широ­кодиапазонные). Диффузорные громкоговорители требуют специаль­ного оформления, образующего акустическую излучающую систему.

Важными показателями, характеризующими электродинамичес­кий громкоговоритель, являются: КПД т|, стандартное звуковое дав­ление /?ст, оцениваемое на расстоянии 1 м от громкоговорителя по направлению его рабочей оси при подведении мощности 0,1 Вт, а также его АЧХ. Область нижних частот ограничивается собственной резонансной частотой громкоговорителя, а в области высоких частот за счет роста индуктивного сопротивления подвижной катушки на­блюдается подъем АЧХ. В результате АЧХ громкоговорителя полу­чается неравномерной. Для ее выравнивания в области низких частот улучшают конструкцию подвесов громкоговорителя, а в области вы­соких частот применяют специальные рупорки. Кроме того, совер­шенствуют конструкцию подвижных катушек.

У электродинамических громкоговорителей возможно возникно­вение нелинейных искажений, основными причинами которых явля­ются нелинейная зависимость деформации (сжатия и растяжения) подвеса диффузора и центрирующей гайки от приложенной силы, а также неоднородность магнитного поля в воздушном зазоре, прояв­ляющаяся в ее уменьшении к краям зазора. КПД диффузорного гром­коговорителя невелик, что обусловливается незначительным сопро­тивлением излучения диффузора (вследствие его малых размеров по сравнению с длиной излучаемой волны).

Ввиду малой поверхности излучения диффузорные громкогово­рители не имеют явно выраженной направленности, хотя в области высоких частот она становится более заметной. В в простейшем слу­чае такой громкоговоритель устанавливается на плоский экран, вы­полненный из доски или фанеры толщиной 10-20 мм, что улучшает воспроизведение низких частот и не оказывает влияния в области сред­них и высоких частот.

Для одновременного увеличения звукового давления и получения заданной направленности создают акустические системы, которые состоят из нескольких диффузорных громкоговорителей, расположен­ных на расстоянии друг от друга в несколько раз меньшем расстояния до объекта испытаний. При этом звуковые давления всех громкого­ворителей складываются:

Pl = Pi+P2 +- + /V

С целью получения равномерной направленности в горизонталь­ной плоскости, т. е. одинакового звукового давления в любом направ­лении на заданном расстоянии от источника (громкоговорителя), со­здают систему с громкоговорителями, расположенными радиально по окружности в одной плоскости.

Для увеличения звукового давления, повышения КПД и получе­ния заданной направленности излучения источников акустических шумов возможно применение рупоров. Для воспроизведения свобод­ного и диффузного полей шума в лабораторных условиях необходимо создание специальных камер. Камеры, позволяющие воспроизвести свободное поле, называют камерами бегущей волны, или безэховыми, а камеры, воспроизводящие диффузное поле, — реверберационными, или камерами отраженных волн.

Испытательная камера бегущей звуковой волны представляет со­бой трубу (акустический волновод) с жесткими стенками прямоу­гольного или круглого сечения, обеспечивающую распространение плоской бегущей волны (рис. 7.25).

Рис. 7.25. Испытательная камера бегущей звуковой волны: 1 — воздушный фильтр; 2 — сирены; 3 — рупоры; 4 — место для установки испытуемых изделий; 5 — акустический волновод; 6 — глушитель; 7 — звукопоглощаю­щие клинья; 8 — виброизоляторы; 9 — панель для крепления испытуемых изделий; 10 — генератор; 11 — формирующие фильтры; 12 — усилитель мощности; 13 — задвижки; 14 — дроссель (гидродинамическое сопротивле­ние потоку); 15 — ресивер

Для исключения отражений звуковых волн в торце трубы разме­щают звукопоглощающие клинья, обеспечивающие максимальное по­глощение звуковой энергии в области частот от 60 Гц и выше за счет плавного увеличения акустического сопротивления. Клинья изготов­ляются из волокнисто-пористых материалов, помещаемых в специ­альные чехлы. При этом рекомендуется следующее соотношение высоты, ширины и толщины клиньев: 1 : 0,4 : 0,13. Клинья устанав­ливают основаниями вплотную друг к другу на небольшом расстоя­нии от стены. Такие конструкции имеют коэффициент поглощения а = 0,98—0,99. В результате звуковое поле в камере приближается к свободному.

Конструктивно труба (акустический волновод) выполняется же­лезобетонной или в виде металлической сварной конструкции. Раз­меры поперечного сечения трубы выбирают в зависимости от габа­ритных размеров испытуемых изделий. При прямоугольной форме сечения акустического волновода отношение его ширины к высоте рекомендуется брать не менее 1:5.

Реверберационные камеры характеризуются образованием в них сложного колебательного движения воздуха. Законы распределения колебательной скорости частиц воздуха определяются свойствами ис­точника звука, геометрическими размерами и формой камеры, спо­собностью материала стен, потолка и пола поглощать акустическую энергию. Геометрические размеры и форма реверберационной каме­ры выбираются в зависимости от размеров и формы испытуемых из­делий. При этом главным является получение в камере диффузного поля, средняя плотность энергии звуковых колебаний которого была бы одинаковой по всему объему камеры.

В принципе камера может иметь форму куба или параллелепипе­да. Однако надо учитывать, что от размеров и формы камеры зави­сят число и частота резонансов объема воздушной среды в камере. При форме камеры в виде куба, когда линейные размеры одинако­вы, или в виде параллелепипеда, когда возможна кратность размеров сторон, число резонансных пиков уменьшается, а их амплитуды воз­растают, в результате чего звуковое поле становится менее равномер­ным. Для повышения равномерности звукового поля в камере в фор­ме параллелепипеда рекомендуется брать следующие соотношения линейных размеров высоты, ширины и длины: 2:3:5 или lx = 1;

ly = s2lx; lz = Щіх. При этом вероятность совпадения частот мини­мальна.

Для повышения степени диффузносги поля камеры относительно небольших объемов (менее 1000 м3) строят в виде неправильных четы­рех — или пятиугольников (рис. 7.26). Размер п должен превышать наи­больший габаритный размер не менее чем в 2 раза и выбираться из следующего ряда: 0,5; 1,25; 3 м. Конструкции реверберационных ка­мер должны обеспечивать минимальное поглощение акустических шумов внутри камеры. С этой целью камеры делают из бетона с пос­ледующим покрытием цементной штукатуркой, поскольку указан­ные материалы имеют малый коэффициент поглощения а = 0,015— 0,025. Все внутренние поверхности камер полируют и красят. Для

Рис. 7.26. Схема реверберационной камеры

повышения диффузности поля за счет изменения времени ревербера­ции применяют звукопоглощающие или рассеивающие конструкции. В качестве звукопоглощающих используют деревянные щиты, пло­щадь которых может быть определена по формуле

S = 0,161-^- <хТ ’

где V — объем помещения; а’ — реверберационный коэффициент поглощения; Т — время реверберации.

Время реверберации камеры Т должно по возможности превы­шать 1,5 с. Оно будет тем больше, чем выше твердость поверхности камеры и ниже его поглощающая способность. Для обеспечения рас­сеивания на внутренней поверхности камеры устанавливают специ­альные жесткие клинья.

Однородность и интенсивность звукового поля, воздействующе­го на испытуемое изделие в камере, существенно зависят от места расположения источника излучения в камере и его расстояния до из­делия. Наиболее целесообразным расстоянием между источником

шума и изделием является 2К1/3/з. Хорошие результаты дает разме­щение источника вблизи одного из углов камеры, а испытуемого из­делия на расстоянии примерно Х/4 от всех стен.

Необходимо отметить, что при появлении в звуковом поле одной или нескольких преград волновая картина меняется вследствие воз­никновения отраженных волн. Количественно энергия отраженной волны существенно зависит от размеров и звукопоглощающих свойств преграды. В результате уровень звукового давления изменяется с изменением расстояния между источником и изделием. Установле­но, что при расположении источника на стене камеры средняя ин­тенсивность звука возрастает в 2 раза, а при установке в углу камеры — в 4 раза по сравнению с установкой источника в центре камеры.

Кроме рассмотренных конструкций камер возможно создание камеры с воспроизведением звукового давления в «ближнем» поле с использованием так называемых «поверхностей излучения». В этом случае в качестве источника акустического шума могут использовать­ся громкоговорители, располагаемые в шахматном порядке на по­толке и стенках камеры. Места, свободные от громкоговорителей, заполняются звукопоглощающим материалом. Испытуемое изделие располагается в центре камеры.

Площадь поверхности излучения можно условно принять равной поверхности эквивалентной полусферы с радиусом г = JS/(2k) , где S — площадь поверхности излучения. Источники излучения должны 428

размещаться на поверхности с соблюдением следующих условий. Отсчетное расстояние d и расстояние между источниками излучения А выбирают в зависимости от размеров испытуемых изделий /. При мак­симальном размере изделия / > 0,25 м d= 1; 3; Юм, а при / < 0,25 м 4/ < d < 1 м. При высоте испытуемого изделия Я или расположении его в пределах указанной высоты расстояние между источниками из­лучения А выбирают равным Я/4, но не менее 0,25 м.

При желании получить свободное поле в условиях полигона не­обходимо, чтобы источник акустического шума располагался на глад­кой, плохо отражающей поверхности, а испытуемое изделие — в во­ображаемой полусфере, окружающей источник, за пределами которой не имеется отражающих преград. Радиус полусферы должен быть достаточно большим, чтобы обеспечивалось выполнение условий «дальнего» поля.