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.