Основные определения

Концентрация большого количества автомобилей, механизмов и машин с ДВС на улицах, строительных площадках приводит к повышенному шуму, мешает работе и отдыху людей. Шум вредно действует прежде всего на органы слуха операторов машин с ДВС, раздражает, действуя на нервную систему, снижает производительность труда, мешает восприятию полезных звуковых сигналов, человеческой речи.

Наличие норм, а также правильная оценка шума на рабочем месте служат основаниями для организации труда рабочих, соприкасающихся с работающими двигателями. Обычно нормируется внешний и внутренний шум машины. Вполне определенно существует тенденция к снижению допустимых величин шума машин, что стимулирует создание новой техники, обладающей новым качеством, которое должно быть заложено конструктором и сохранено в эксплуатации,— пониженной способностью к излучению шума. Общий уровень шума может служить показателем качества машины, культуры производства и применяемой технологии. Отдельные характеристики шума двигателя используют в качестве диагностических параметров.

Под шумомдвигателя внутреннего сгорания понимается акустическое излучение, производимое им при работе. Шум двигателя измеряют величиной уровня и спектром. Это характеристики шума ДВС в точке пространства. Двигатель как источник акустического излучения характеризуют значением излучаемой акустической мощности, ее спектром и диаграммой направленности излучения.

Известно, что звуковое давление р в звуковой волне равно разности давлений среды в присутствии и при отсутствии волны.

Уровнем шуманазывают двадцатикратный логарифм отношения звукового давления к пороговому значению р = 2·10^-5 Н/м². Интенсивность звука выражают в Вт/м²; она пропорциональна квадрату звукового давления, поэтому уровень шума иногда определяют как десятичный логарифм отношения интенсивности звука к пороговому значению I_o = 10^-12 Вт/м². Уровень шума выражают в децибелах, т. е.

L=10lg(I/I_o)=20lg(p/p_o)

Звуковой мощностью W (в Вт) двигателя называют величину

W= IdS, т. е. общее количество энергии, излучаемой двигателем в окружающее пространство в виде звука и прошедшей через повер­хность полусферы радиуса г в единицу времени.

Уровнем звуковой мощностиназывают величину L_w=10lg(W/W_o), где W_o= = 10^-12 Вт. Уровень мощности связан со средним по поверхности уровнем шума вы­ражением

L_w=L+201gr+ 10lgΩ- 10lgФ,

где Ω — телесный угол, в который осуще­ствляется излучение (если учесть, что ранее принято допущение о том, что акустическое излучение двигателя происходит из центра О полусферы, то 10lgΩ~8); Ф — фактор направленности излучения, представляющий собой вели­чину рr²/р²_cр, т. е. отношение квадрата звукового давления в произвольной точке полусферы радиуса г к квадрату звукового давления, осредненному по всем точкам измерения на поверхности S. Обычно измеряют в точке величину L с помощью шумомера при использовании линейной частотной характеристики прибора.

Рис.45

Очень важной характеристикой шума является его спектр. Наш орган слуха не одинаково реагирует на звуки с одной амплитудой, но разной частоты. Спектр шума двигателя показывает распределение энергии излучения по частотному диапазону. В спектрах шума двигателей (рис. 45) присутствуют дискретные составляющие, кратные частоте вращения, количеству цилиндров, и сплошная область. Октавные спектры звуковой мощности служат основной характеристикой шума .

Акустическое излучение двигателя может существовать и в инфразвуковой (до 20 Гц) области, однако чаще всего основная доля, звуковой энергии, излучаемой двигателем, концентрируется в об­ласти преимущественно от 20 до 8000 Гц.

Полезной характеристикой шума является звуковая энергия, излучаемая единицей поверхности двигателя. С ее помощью удобно оценивать конструкцию двигателя и различные способы крепления агрегатов на двигателе, конструкцию крышек, поддонов. В совре­менных двигателях величина звуковой отдачи лежит в пределах 95...110дБ·А/м².

Акустический баланс двигателя. Причинами возникновения звука являются:

• взаимодействие колеблющегося тела со средой;

• «быстрое» выделение энергии в конечном объеме среды;

• подведение (отток) конечного количества вещества в определенную конечную область среды;

• взаимодействие потока вещества с твердым телом.

Именно такие физические процессы одновременно или последовательно возникают при осуществлении рабочего цикла. При этом во всех случаях акустическое излучение будет следствием возмущения колебательной системы, распространения в ней колебаний и последующего процесса излучения энергии колебаний в окружающее пространство. Обратимся к рис. 46. На такте впуска из области перед горловиной впускного патрубка будет происходить отток вещества. Движущийся по впускному тракту свежий заряд будет взаимодействовать со стенками, впускным клапаном и другими элементами конструкции.

В результате на такте впуска возникает акустическое излучение, которое называют шумом впуска. Излучаемая при этом звуковая мощность обозначается W_вп.

Рис. 46. Схема идеализации конструкции двигателя и возникновения акустического излучения

При сжатии, сгорании и расширении происходит деформация стенок камеры сгорания, что приводит к колебаниям наружных стенок двигателя. Энергия колебаний стенок в виде звука W_деф излучается в окружающее пространство. Помимо того подвод теплоты к рабочему телу в цилиндре двигателя при сгорании также приводит к появлению акустического излучения при сгорании W_сг. Опрокидывающий момент будет вызывать колебания двигателя на подвеске, энергия которых W в виде звука частично также будет излучаться в окружающее пространство.

В механизмах двигателя при работе могут возникать удары сопрягаемых деталей (клапан — седло), что приводит к шуму W_yд. Работа агрегатов, размещаемых на двигателе (вентилятор, топливо-подающий насос и др.), приводит также к появлению шума W_аг. При выпуске происходит приток вещества в области, прилегающей к выпускному патрубку; здесь выделится также какое-то количество энергии. Это приводит к возникновению шума выпуска W_вып.

Если суммировать все перечисленные составляющие акустичес­кой мощности, то получим уравнение акустического баланса двига­теля «по рабочему циклу»:

W_д= W_вп+ W_вып + W_деф+ W_сг+ W_п+ W_уд+ W_аг

содержащее главные составляющие шума двигателя. Возможны другие разновидности уравнения акустического баланса. Действи­тельно, во всех случаях акустическое излучение двигателя осуществляется горловинами впускного и выпускного трактов, а также всей поверхностью двигателя. Опыт показывает, что элементы поверхности двигателя излучают разные количества звуковой энергии. Выделив на поверхности двигателя характерные зоны или поверх­ности отдельных деталей (крышек, головок блока цилиндров, поддона, картера), а затем суммировав звуковую мощность, излуча­емую всеми поверхностями, напишем уравнение акустического баланса двигателя «по поверхности»:

W_д=W_вп+ W_вып+ ,

где W_i — акустическое излучение, осуществляемое i-м элементом поверхности двигателя; т — количество элементов, на которое разбита вся поверхность двигателя.

В зависимости от особенностей организации рабочего процесса в конструкции двигателя 1 м² его поверхности излучает удельную звуковую мощность 90... 115 дБ.

Составление акустического баланса двигателя в различных модификациях дает возможность определить наиболее существенные составляющие шума двигателя, указать причины возникновения, изучить процесс формирования, найти наиболее рациональные пути уменьшения шума двигателя.