Передача звука через стенки канала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Передача звука через стенки канала

Акустический «прорыв» и «взлом» через стенки канала является важной проблемой в инженерной акустике. Одни из наиболее распространенных применений - в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) и прочие процессы течения газа в каналах (таких, как крупные промышленные глушители), где стенки трубопровода могут быть сделаны из достаточно тонкого листового металла. Внутренний шум передается через стенки вентиляционных каналов в офисы и другие помещения, здания и это может создавать проблемы [1,2], особенно на низких частотах. Боковая передача в изолированных трубопроводах и глушителях может быть частично вызвана тем прорывом и последующим взломом (в этом случае оно может быть названо передачей «обходного излучения» [3]). (Возможно) благотворное влияние, вызванное прорывом, является «естественным» ослаблением в неизолированных каналах [4], являющееся следствием прорыва шума и включает в себя уменьшение распространения звука внутри области. При условии, что прорыва не происходит в чувствительных к шуму областях, естественное затухание в канале может быть полезным способом уменьшения уровней звуковой мощности и в трубах большой длины. В трубах с плоскими стенками из листового металла эффекты прорыва и взлома особенно важны на низких и средних частотах.

Акустическое излучение потока газового трубопровода, например, вниз по течению от клапана регулирования давления - другой случай интереса. Здесь, толщина стенки, как правило, больше, чем у обычных металлических листов и поперечное сечение труб будет близко к круглому, с небольшим искажением часто встречаются в качестве круглых воздуховодов из листового металла. Высокочастотный шум, как правило, доминирует в излучаемом спектре, связанным с высоко упорядоченным режимом эффекта распространения шума внутри канала, вызванным окружными структурными колебаниями в стенке трубы [5]. Глушитель автомобиля «слой шума» является еще одним эффектом, связанным с прорывом шума через упругие стенки каналов. Это является одной из форм боковой передачи в обход прямого излучения шума глушителя.

Хотя есть много общего в физических процессах между акустическим прорывом / взломом в каналах и передачей звука через строящиеся части, различия в деталях между этими двумя явлениями привели к весьма различным подходам к моделированию, принятым большинством работников. В случае потенциальных частей, моделирование, как правило, основываются либо на вынужденной передаче волн в бесконечном ящике или форменной реакции в структуре с соответствующей форменной эффективностью излучения; статистический анализ энергии (САЭ) модели включают в себя как резонансные так и не резонансные реакции частей. Акустика пространств по обе стороны раздела может или не может быть включено в модель. Большинство моделей для прорыва стен труб принимают звуковое поле внутри канала, чтобы состоять из одного или более распространяющегося режима [6] (или жестких режимов канала или сочетания структурных / акустических режимов), в отличие от более или менее диффузного, отражающегося звукового поля, которое часто предполагается существующим в здании пространстве. Излучение звука из стены канала было смоделировано по трем направлениям: аналитически как источник излучения конечной длины прямых труб [7-9], как цилиндрический излучатель конечной длины (или эквивалентный цилиндрический) [9] или численно, используя метод конечных элементов (FE) анализа [9, 10]; все три типа модели были основаны на осевом направлении движения волн. Эти модели контрастируют с более популярными моделями для случая плоских прямоугольных частей, которые часто связаны с концепциями и терминологией извлечения из форменных клеточных моделей и влияние эффекта фазовой отмены, в сочетании с относительной структурной и акустической волновых чисел («угловые режимы», «режимы граней»,» поверхностные режимы»,» акустически быстрые»,» акустически медленные «режимы). В случае излучения звука из трубы, он обычно был достаточным для рассмотрения вынужденного волнового возбуждения стен каналов волнами, бегущими только в одном направлении. Аксиально-резонансный структурный или акустический эффекты обычно не играют важную роль в прорыве стенок труб, хотя и акустические резонансные и структурные эффекты в сечении плоскости канала очень важны. Концепция сочетания структурного / акустического режимов протока является полезной. Может быть показано, что эти режимы обычно подразделяются на две категории: «акустические» (где большая часть потока энергии в данном режиме находится в жидкости) или «структурный» (где большая часть потока энергии находится в структуре) [11, 12]. Такое сочетание режимов может быть использовано в выводах, чтобы представлять общее структурное поле жидкости [13, 14].

Структуры фюзеляжа самолета, кажется, на первый взгляд имеют некоторые общие черты со стенками труб из-за трубчатой формы самолетов, но здесь, гораздо более сложный характер структур самолета и различные пространственные масштабы и частотные диапазоны и более уместными оказываются другие различные методы моделирования. Часто, двойные перегородки из внешней оболочки и внутренней отделки, ограниченные стрингерами и рамами жесткости, рассматриваются в качестве отдельной группы или небольшой группы панелей из-за огромной сложности структур, участвующих в анализе всего целого. Методы анализа в целом имеют больше сходства с разделами строительства частей, чем те, что связаны с трубами.
Что может быть ранней попыткой предсказать прорыва стены канала или взлом, кратко описываются Алленом [15], на основе принципов, используемых в строительной акустике и не действительны в области низких частот, где эти явления являются наиболее выраженными. В случае прорыва, существует несколько причин для этого. В частности, разница между неявно предполагаемой и фактической эффективностью излучения стенок вентиляционных каналов несет ответственность, и поэтому предполагаются размытости падающего звукового поля. Прогноз значительно расходится с данными измерений, особенно в плане зависимости потери стенки от частоты при передаче. Подобные недостатки проявляются в случае взлома формуле, приведенной в [15]. Тематическая формула Аллена, однако, не сильно ошибается при высоких частотах, по крайней мере, для прямоугольных каналов. Webb [1] и Sharland [2] также акцентируют внимание на прорыв. Sharland цитирует формулу Аллена, но справедливо указывает, что она будет переоценивать звуковую мощность, излучаемую стенками круглых воздуховодов на низких частотах.

Геометрия поперечного сечения я протока оказывает большое влияние на прорыв и взлом характеристик. Три наиболее распространенных формы сечения воздуховодов показаны на рисунке 1: прямоугольные, «плоскоовальные» (имеющие две противоположные плоские стены и две противоположные полукруглые изогнутые стены и изготовленные из одного протока, изначально круглого сечения) и круговые.

акустика прорыв инженерный звук

Рис. 1. Формы поперечного сечения воздуховодов.

Трубы с идеально круглым поперечным сечением имеют очень высокие потери TL на низких частотах, и они поначалу уменьшаются монотонно с возрастанием частоты, так долго, как только плоский внутренний акустический режим может распространяться. Распространение высоко упорядоченного внутреннего режима в сочетании с более высоким структурным режимом возбуждения и / или резонансный звон стены протока, усложняют форму кривой Т.Л., равно как и влияния наложения волн. Однако, как правило, имеется незначительная проблема прорыва или взлома на практике в круглых воздуховодах, так долго, пока их сечение остается близким к круглому. Искажение от круглости может привести к эффекту «режим связи», при котором плоский внутренний акустический режим возбуждает высший структурный режим в искаженном круговом канале, значительно повысив мощность излучения звука и понижение TL. Ряд авторов (см., например, ссылки [10,16-19]) отметили это. Трубы с сечением близким к круглому могут иметь более низкие потери TL в стенках, чем можно было бы ожидать, исходя из теории плоского режима, если низкие внутренние акустические перекрестные режимы сильно возбуждены в некоторой точке в канале, даже если это может и не распространяться. Ожидаются изгибающий режим во всей трубе и мощность значительного звукового излучения, как показали Кун и Morfey [20]. Трубы с прямоугольным сечением, как правило, имеют самые низкие TL прорыва всей стенки на низких частотах, так как структурные реакции на внутренние звуковое поле довольно сильны. Каммингс [21,22] и Гатри [23] исследовали это. Трубы с плоским овальным сечением может быть, от простой точки зрения, можно использовать, чтобы отобразить TL характеристики прямоугольных и круглых воздуховодов. Это может показаться удивительным (т.к. простая точка зрения редко рисует всю картину), это так. Низкочастотные характеристики TL плоских овальных труб такие же, как и у прямоугольных каналов, а также отображение резонанса как у круглых труб на ожидаемой частоте для кругового протоке того же диаметра как у трубы с кругло изогнутыми сторонами. Каммингс и Чжан [24, 25] сравнили как упрощенную аналитическую, так и численную модели TL для измеренных данных, а также описали модели для распространения звука в жестких плоскоовальных волноводах [26].

Различные аналитические и численные методы были задействованы в моделировании прорыва и взлома стенок трубы. Каммингс и др. [8, 10, 11, 21, 22, 24, 27] применяют ряд приближенных аналитических методов моделирования труб с прямоугольным, круглым и искаженным плоскоовальным сечением. Упрощения, сделанные в моделях, включают квази-одномерные аппроксимации для звуковых полей в протоках, пренебрежение структурной / акустической связи между движением стенки и внутренним и / или внешним полем, и (как упоминалось ранее), идеализация сложных излучающих поверхностей простыми формами, такие как круглые цилиндры и линейные источники. Относительно простыми одномерными сочетаниями структурных / акустических моделей режима были заняты Каммингс [4, 11, 21, 22], который также использовал подход несвязанной вынужденной волны [6, 24, 27] для описания акустический режим высокого порядка при передаче данных в трубопроводах с эластичными стенками. Формулировки ряда Фурье были использованы Каммингсом и др. [10] и Cabelli [12]. Методы независимой от времени конечной разности (FD) были использованы Чангом и Каммингсом [19, 25] и метод зависящих от времени FT был применен Cabelli [28]. Описание Рэлея-Ритца было использовано Каммингса и Astley [14] и FE методы были использованы Astley др. [9,13]. Martin [29] и Кирби и Каммингс [30, 31].

Осуществление любых точных прогнозов модели для прорыва стенки протока и взлома требует значительных усилий программирования и обычно не возможно в рамках типичного проектирование проектов, связанных с шумом для газовых потоков трубопроводов. В рамках приложенных усилий по преодолению разрыва между теорией и практикой, автор опубликованной статьи создал графики [32] TL прогноза при прорыве, которые предполагают использование безразмерных параметров с минимальными усилиями для получения достаточно точных TL на участках для широкого канального диапазона параметров. Он также способствовал появлению в 1984 справочника ASHRAE системы [33] в виде простых схем для интеллектуального прорыва шума прямоугольных и плоских овальных сечений каналов. Включеным среди этих инструментов является практический метод прогнозирования вносимых отстающих потерь внешней стенки (см. также ссылку [34]), который иногда применяется в попытке снизить уровень шума прорыва. Еще одним возможным методом снижения шума в каналах прямоугольного сечения является увеличение жесткости стенок вентиляционных каналов, с тем чтобы увеличить фундаментальные структурные частоты резонанса стен, так чтобы они были выше частот в области, где вероятно существует проблема. Эта идея, похоже, не укоренилась среди конструкторов труб, хотя Каммингс [11] показал, что существенные улучшения в прорыве TL могут быть достигнуты за счет использования ламинированных стен из композитных материалов, имеющих высокое отношение жесткости к / массе. Так называемый «взлом поперечного сечения'' - введение диагональной складки в стеновых панелей протока, с тем чтобы сформировать очень мелкую внешнюю указательную пирамиду, это иногда применяется к стенам прямоугольных каналов в целях повышения их жесткости и увеличения сопротивления изгибу с изменением внутреннего давления. Существовала и, возможно, до сих пор существует вера среди инженеров, что взлом поперечного сечения должен значительно увеличить TL прорыва в стенках вентиляционных каналов. Это, однако, было показано экспериментально [35].

Влияние звукопоглощающих накладок на прорыв стены протока и взлом имплицитно показаны в исследовании Astley и др. [13], хотя акцент в этой работе был сделан на влиянии гибкости стены на распространение звука в протоке, а не на излучение внешних стенок. Каммингс и Astley [14], в их исследовании боковых механизмов в изолированных трубах, смоделировали влияние гибкости стены на прорыв и взлом. Эти последствия были включены в результаты недавних исследований Кирби и Каммингса [31], которые также смоделировали впервые влияние среднего течения газа в канале [30, 31]. Влияние расхода газа на прорыв TL были показаны [31], чтобы быть достаточно небольшими в типичном среднем потоке чисел Маха, и это может быть принято в качестве основания для игнорирования потока в предыдущих исследованиях.

Возможно, основные физические явления, которые не были исследованы подробно в предыдущих работах, это те, в которых имеются в результате акустических и структурных отражений на осевых разрывах таких, как резкие изменения области, прекращенных изоляции труб, структурные суставы и фланцы, переходы между поперечными сечениями стенки трубы различной толщины. Результаты, опубликованные Astley TT др. [13] показывают, что переход от жестких и гибких стен в протоке с постоянным поперечным сечением приводит к возникновению ряда структурных сочетаний / акустических режимов, когда плоский акустический режим падает после жесткой секции. Это следует ожидать на основании того, что комбинация режимов потребуются, чтобы удовлетворить все структурные и акустические граничные условия.

Отличный обзор исследований по прорыву стенок протока до 1982 дал Almgren [36], но почти два десятилетия прошло с момента его опубликования, и исследование было проведено в течение этого периода. Целью настоящей работы является обобщить исследования по прорыву стенки протока и взлому до настоящего времени, и высветить важные физические эффекты, управляющих этими явлениями.

Физические явления.

В этом разделе дается краткая информация о важных физических явлениях, управляющих акустическими прорывом и взломом.

Режим связи (связанный режим).

Одним из основных физических воздействий, выставленных в акустическом распространении в упругой стенке протока, является связью между жидкостью и структурой. Решениями связанных волн основными акустическими и структурными волновыми уравнениями являются те волны, в которых жидкость и структурные волны имеют идентичные волновые числа, являющиеся либо реальными, мнимые или сложными. Fahy [37] дает отличный отчет о двумерной структурной / акустической связи волн в системе, состоящей из слоя жидкости, зажатого между двумя идентичными бесконечными тонкими гибкими пластинами, которые претерпевают исключительно изгибные движения. Сначала он получает дисперсионные уравнения, а затем рассматривает различные частные случаи в качестве способа обеспечения четкой физической интерпретации волновых явлений связи. Типичные участки дисперсии также приведены. Fahy описывает довольно сложное поведение как мимолетного, так и распространяющегося связанного режима решения дисперсионного уравнения и освещаются различные аспекты проблемы, такие, как роль массо-воздушного - массо резонанса, критической частоты совпадений и предельных случаев массовых бесконечных и конечных безмассовых стен.

В случае труб, стенки имеют конечный периметр, и поэтому возникает дополнительные воздействия, связанные с поперечным структурным движением волн. В широком смысле, эти дополнения существенно являются свободными структурными эффектами обрезания волн (которые не имеют параллелей в случае, рассмотренном Fahy) по отношению к другому структурному / акустическому явлению связанных волн. Cummings отметил влияние поперечного резонанса стенок на ранних стадиях исследования акустического взлома на низких частотах через стенки прямоугольных труб. Позднее он признал роль структурного обрезания волн в режиме структурной связи (с плоско волновым приближением для внутреннего звукового поля), в котором основной мощный поток протекает в стенке труб (как отличный от режимов акустического типа, в которых жидкость осуществляет большую энергию потока). Эти режимы наиболее схожи с режимами свободных структурных волн. Важной чертой связанного режима структурного типа является то, что звуковое давление внутри трубы относительно очень мало и становится еще меньше по мере приближения скорости форменной фазы к скорости структурных волн в сравнении по структурной амплитуде (обе амплитуды выражены в приблизительной безразмерной форме). Для тонкой пластины постоянной толщины, закрепленной вдоль обеих граней, уравнение дисперсии для свободно движущихся структурных режимов в вакууме это.

Рис. 2. Корни дисперсионного уравнения для структурных волн в вакууме.

Корни уравнения (1) показаны на рисунке 2 и иллюстрируют как Кх, выраженный в безразмерной форме, зависит от безразмерной частоты. Этот график также верен для симметричных свободных структурных волн в квадратном поперечном сечении трубы, где все четыре угла проявляют скорее поступательное движение, чем вращательное. Бесконечное число корней трансцендентного уравнения предполагает существование соответственно бесконечного числа связанных режимов структурного типа. В этом случае, хотя в реальности режимы связи становятся более сложными по природе, внутреннее звуковое поле отклоняется значительно от плоскости. Однако, схожесть со свободными структурными волнами имеется. Astley [38] обрисовал формулировку Rayleigh-Ritz, в которой параметры режима связи трубы с плоскими гибкими стенками могут быть найдены и применены к линейным прямоугольным трубам с гибкими стенками с помощью однородного приближенного звукового давления для внутреннего звукового поля. Сделано в этой работе сравнение как с измеренными данными, так и с FE формулировкой. Метод Rayleigh-Ritz работает удивительно хорошо, хотя не работает в области обрезания для первого связанного режима структурного типа, причина этого в том, что метод переходит в модель достаточную для неоднородного звукового поля в линейных трубах в данном диапазоне частот. Astley [13] представил детализированные сравнения между FE предсказаниями, измеренными данными, плоско волновым приближением для тех же экспериментальных труб, какие изучались в докладе [38], с линеаризацией и без нее. Измерили трубы 90*100 мм, имеющие гибкие алюминиевые стенки толщиной 0-54 мм в качестве самой длинной стороны. В докладе [13] показано, что плоско волновое приближение работает хорошо в предположении для связанного режима чисел волн для нелинейной трубы и в действительности численные данные почти недостижимы из FE предсказаний. Роли режимов связи обсуждены некоторыми из этих предсказаний, показанных на рис. 3.

Рис. 3. Предсказания осевых чисел для трех связанных режимов в трубе с тремя жесткими стенками и одной гибкой.

Набросок линии здесь представляет волновое число в режиме плоской жесткой стенки, где w - круговая частота и с - скорость звука. Линии твердого тела, представляющие собой приближенное решение для плоского режима, и круговые символы, обозначающие FE предсказания, почти совпадают. Режим 1 при низких частотах имеет дозвуковые составляющие скорости со скачкообразным сопротивлением стенки. Он заключает в себе большинство энергии потока воздуха внутри трубы. Обрезание частот для первого свободного структурного режима происходит на 260 Гц и близко к этой частоте режим 1 претерпевает переход на свободный структурный режим поведения. Выше 260 Гц этот режим несет большую часть энергии потока в этой структуре. Тем временем новый режим 2 появляется, первоначально похожий на режим акустического типа со сверхзвуковой фазовой скоростью (соответствующий массовому сопротивлению стенки) только над структурным режимом обрезания на 260 Гц, который приближается к акустической скорости с возрастанием частоты. То есть в этой области возникает режим акустического типа. При частотах около 1-5 кГц, происходит обрезание частот для второго структурного режима, режим 2 претерпевает переход в режим структурного типа очень похожим образом, как это происходит для 1 го режима на более низких частотах обрезания. Появляется новый режим 3 и далее все происходит по данному шаблону с возрастанием частоты. Акустический эффект обрезания для режима высшего порядка усложняют это основное поведение на более высоких частотах. На любой данной частоте существует только один режим акустического типа, исключая окрестности поперечного резонанса стен, хотя может таким образом быть один или более режимов структурного типа.

Cabelli [12], используя серийные представления Фурье для звукового поля в трубах, представил прогнозы для осевых чисел волн для режима связи и прогнозы для относительной звуковой мощности в режимах структурного и акустического типа для квадратной трубы с одной эластичной стенкой. Он включил режимы связанного типа, эквивалентные режимам высокого порядка в трубах с жесткими стенками. Сравнения между предсказаниями Cabelli для данных связанных форменных осевых чисел волн (для неоднородного внутреннего звукового поля) и данных, основанных на плоском режиме приближения, показывают очень тесное согласование между ними двумя до частот обрезания для первого акустического режима высокого порядка в эквиваленте для труб с жесткими стенками, как в докладе [13].

Формулировка Cummings для квази-плоского режима достаточна для цели сравнения.

В этом уравнении дисперсии, где к = w/с, L - это периметр трубы, S - площадь поперечного сечения и <в> - средний безразмерный допуск на стенку вокруг периметра. В случае прямоугольных труб допуск на стенку найден из решения уравнения для тонкой пластины, составленного для граничных условий в углах трубы, где нормальное перемещение стенки положено равным нулю, изгибающие моменты относительно углов с прилежащими стенками равны, и предполагаются, что углы остаются прямыми. Эта процедура требует решения системы из восьми линейных уравнений.

Основное поведение режима связи, отмеченного Astley [13] и Cabelli [12] в случае труб с одной гибкой стенкой также применяется к прямоугольным трубам с четырьмя эластичными стенками [14, 30, 31], как со звукопоглощающими накладками, так и без них. В случае линейных труб режимы структурного типа могут составлять прямые структурные боковые пути (в противоположность к непрямому излучению обходным механизмом [3]), в которых поток со структурно ограниченной энергией обходит линейные трубы и может повторно излучать энергию в жидкость в трубе, где имеется непрерывность, такая как излом или, возможно ее назвать, как окончание тишины. С другой стороны структурный резонанс в стенках труб может чрезвычайно увеличивать затухание в глушителе. Astley [13] продемонстрировал этот эффект в случае, когда изоляция трубы помещена напротив гибкой стенки, результаты воспроизведены на рис. 4.

Рис. 4. Эффективное осевое затухание в трубе с тремя гибкими стенками и одной жесткой

Существует более широкий диапазон частот, шириной около одной октавы, выше которого затухание значительно увеличивается за счет эффекта резонанса стены. В узкой полосе около самой низкой частоты резонанса стенок, затухание (в дБ/м) ярко возрастает за счет эффекта резонанса стен примерно в 10 раз. Механизм этого аналогичен процессу газоперекачки, в котором прилежащий к гибкой стенке воздух проходит через поры поглотителя шума (абсорбента) на возрастающих скоростях частиц. Панели и облицовка стен вместе действуют, как затухающий резонансный поглотитель.

Влияние геометрии поперечного сечения труб

Здесь рассмотрены 4 формы поперечного сечения: прямоугольная, плоскоовальная, круглая и искаженно круглая. Между ними, они покрывают практически всю геометрию обще используемых труб. Мы обсудим взлом TL здесь как параметр, который представляет оба взлома - как было показано в разделе 2.4. - прорыв. Различные определения взлома потерь были даны в литературе, но следующие наиболее популярны:

Прямоугольное поперечное сечение

В случае прямоугольных труб взлом потерь обычно проявляет везде положительный уклон в 3дБ на октаву на низких и средних частотах [6]. Он стремится возрасти до 6 дБ/октава при более высоких частотах, где много акустических режимов могут распространяться в трубе. Эта основная форма кривой потерь является результатом контроля массы сопротивлением стенки, но на ней имеются неровности [6, 9, 21], которые вызваны затухающим поперечным структурным резонансом в стенках. Уклон в 3 дБ/окт. и 6 дБ/окт. контрастируют, что характерно для передачи звука через мягкую массу бесконечного раздела.

Это может быть объяснено на основе модели линейного источника конечной длины для излучения от стенок труб (см. раздел 2.3 и доклады [7, 8, 21, 27]). В этом случае в выражении для излучаемой звуковой мощности появляется дополнительный добавочный фактор угловой частоты, в сравнении со случаем для разделения, который уменьшает уклон кривой потерь на 3 дБ в октаву.

Рис. 5. Измеренный (°), предсказанный (-) профили амплитуды вибрационного перемещения

На рис. 5 показано сравнение между измеренными данными и прогнозируемыми относительного перемещения частей стен на одной стенке с площадью поперечного сечения 203 мм стальной трубы со стенками 1-22 мм толщиной, возбужденным плоским внутренним акустическим режимом [21]. Это сравнение достаточно хорошо, учитывая, что экспериментальные трубы были сконструированы не идеально. Видно, как и следовало ожидать, перемещения стены имеет тенденцию к падению до нуля в углах трубы и достигает максимума в центре стены. Другое сопоставление прогнозов и оценки [9, 21] для прямоугольных каналов с плоским режимом и с внутренним режимом более высокого порядка являются благоприятными и показывают, что предполагаемые граничные условия в углах трубы реалистичны.

Измеренные TL данные о типичном течении воздуха в трубе (оцинкованная сталь, 457 мм х 229 мм, стенки 0-64 мм) показаны на рисунке 6, и по сравнению с прогнозами на основе «волнового решения» [21,22] и описания «асимптотического закона массы» [6] Каммингса. В последнем подходе, связь между внутренним звуковым полем и движением стены протока, игнорируется. Видно, что предсказание волнового решения хорошо согласуется с данными измерений. Асимптотическое решение также находится в хорошем согласии, и показывает наклон 3 дБ / октава за исключением низких частот, где относительная прозрачность протока стены звука приводит к более быстрому падению TL с падением частоты.

Прогнозирование потерь TL формулой Аллена [15] также построено.

Здесь М-масса на единицу площади стен протока и р-плотность воздуха. Видно, что это значительно расходятся с данными измерений и имеет наклон 6 дБ / октаву.

Рис. 6. Фундаментальный режим потерь при передаче в прямоугольных оцинкованных стальных трубах (457 мм*229 мм в поперечном сечении с толщиной стенки 0-64 мм).

° - измерения; - волновое решение [21,22]; - - -, закон асимптотических масс; посл.-формула Аллена [15].

Рис. 7. Фундаментальный режим потерь при передаче в стальной трубе площадью поперечного сечения 203 мм², толщиной стенки 1-22 мм

Крайний случай эффекта резонанса стены показан на Рисунке 7. Эта труба была довольно небольшой, квадратной в сечении, при сравнительно толстых стенах (это фактически трубы, чьи перемещения профиля стен показаны на рисунке 5). Главной особенностью обеих измеренных и прогнозируемых данных является очень большой провал в потерях при 170 Гц, частота самого низкого поперечного резонанса стен. Он настолько велик, что распространяющийся внутри случайный шум может быть слышен снаружи трубы и иметь преимущественный характер звучания. Ниже этого основного резонанса, TL возрастает с понижением частоты, потому что здесь сопротивление стены жестко контролируется. Второй, но менее серьезный резонанс стены проявляется на 1 кГц. Уклон линии 3 дБ / октава не даст хорошего общего описания формы этой кривой ТЛ в низкочастотной области. Хотя конструкция этой части трубы, возможно, атипичная, поведение потерь иллюстрирует важную роль, что влияние резонанса стены может сыграть в некоторых случаях, особенно там, где поперечное сечение трубы квадратное, что приводит к относительно высокой частоте основного резонанса стены [11].

Обсуждение в разделе 2.1 основывается на вопросе сочетания структурного / акустического режимов, и если, как в [21], один использует сочетание режима модели, чтобы найти реакцию стены, возникает вопрос, какие режимы должны быть включены в расчет TL (конечно, описание, которое не включает в себя связь между внутренней областью звука и вибрацией стен исключает также возможности режима структурного типа). Выше низшей поперечной резонансной частоты стен, может, в принципе, быть более одного сочетании режимов, распространяющихся в канале. Мы спрашиваем, какие из этих возможных режимов должны быть включены в нашу модель TL, и какими должны будет их амплитуды? Каммингс [21] решил дисперсионное уравнение (2) численно с использованием метода Ньютона, но эти решения были неизменно акустического типа.

В самом деле, метод Ньютона, не будет работать для нахождения в структурном режиме корней (2), в силу характера данной функции на левой стороне этого уравнения. Ни один из часто используемых численных методов, как представляется, не подходят к решению этого уравнения для структурных режимов (эта проблема не является универсальной и в FE методах, например, структурные режимы возникают как часть процесса поиска собственных значений). Включение акустического режима только на данной частоте все еще дает хорошие предсказания потерь, хотя тоже есть возможность распространения структурных режимов. Каммингс [11] показал, что режимы связи структурного типа могут быть исключительно порождены прямым возбуждением стенок труб, и показал хорошее согласование между прогнозируемыми и измеренными осевыми волновыми числами, но не сосредоточился на роли режима структурного типа в механизме потерь. Поскольку режим структурного типа, как правило, имеют гораздо более низкие фазовые скорости, чем режим акустического типа, он будут излучать гораздо меньше [7, 8]. Частичный ответ на первый вопрос выше, что, поскольку акустический тип режима (в любой заданной частоте) может доминировать на поле излучения звука, он является наиболее важным, и этот режим должен быть включен в формулировку. Если только этот режим включен, у нас есть по существу подход «вынужденная волна». Структурный тип режима, как представляется, имеет довольно пассивную, меньшую роль и пока значительная энергия не переходит к нему от режима акустического типа, его роль в прогнозах TL можно в значительной степени игнорировать.

Одним из факторов, который не был удовлетворительно решен на сегодняшний день, является вопрос о факторах структурных потерь, которые должны быть включены в расчеты потерь стены протока, особенно в случае прямоугольных каналов. Автор нашел (например, в работах [9,25,27]), что необходимо использовать аномально высокие факторы структурных потерь порядка 01-для того, чтобы согласовались предсказанные и измеренные TLS данные в окрестности резонансы стены протока. Такой коэффициент высоких потерь гораздо больше, чем внутреннее демпфирование в материале стенки и не может быть объяснен «затуханием излучения», поскольку он по-прежнему необходим, даже если связь между стеной и вибрации внешнего звукового поля принимается во внимание [9].

Круглое и искаженное круглое поперечное сечение

Идеально круглые воздуховоды имеют очень высокую стену TL на низких частотах для плоского внутреннего режима, уклон составляет около 9 дБ / октава, а затем появляются два провала на кривой TL, один рядом с круговой частотой и другой вблизи критической частоты для волнового совпадения. Над этими частотами TL круто поднимается вверх.

Рис. 8.

Предсказанные потери [10] для воздуховодов идеально круглого сечения типичной конструкции показаны на рисунке 8 (а), вместе с измеренными данными. Измеренные данные были взяты на «длинном шве» канала, например, одни единичные, осевые, со шва, этот шов связан со значительной степенью уплощения стены протока по обе стороны от него. Предсказанный чертеж основан на «несвязанной» структурной / акустической модели. Очень высоко предсказанный плоский режим значений TL на низких частотах возникают из-за плоской волны возбуждения - стены идеально круглого протока подвергаются только мембранному напряжению, и поэтому имеют весьма высокое сопротивление к внутренним звуковым волнам. Видно, что измеренные TL для этого протока на низких частотах падают намного ниже прогнозов для идеального канала, на целых 60 дБ на 63 Гц. Основной причиной этого является то, что стенки протока существенно искажены от округлости поперечного сечения. Heckl [39] отметил это, так же как Bentley и Ферт [40]. Юсри и Fahy [16], Ферт [17], и Heckl Рамамурти [18], и Фокс [41] все представили теоретические трактовки структурных реакций стен заполненных жидкостью труб и цилиндрических оболочек к внутреннему звуковому полю. Каммингс и др. [10], и Каммингс и Чжан [19] смоделировали как реакцию стенки трубы для внутреннего звукового поля, так и для внешнего излучения структурно искаженных круглых воздуховодов, ведущих к TL прогнозов. Для плоского внутреннего акустического режима, это явление можно назвать «режим связи», поскольку оно связано с возбуждением высших структурных режимов в стене протока ненулевой обобщенной силой, возникающей от искажения стенки воздуховода, и порожденной внутренним звуковым полем.

Предсказанное изображение TL для плоского внутреннего акустического режима, взятое из работы [10] также показано на рисунке 8 (а), где искажение стены протока учитывается. Это гораздо лучше согласуется с данными измерений, и предлагает убедительные доказательства того, что искажение стены отвечает за дополнительное излучение звука, более того, что излучают неискаженные трубы. Также может быть видно, что в случае акустических режимов более высокого порядка, которые могут распространяться в протоке, TL падают значительно ниже прогнозируемых потерь для искаженных каналов в полосе более двух октав шириной, центрированной на 1 кГц. Это не удивительно, поскольку эти режимы высокого порядка могут возбудить еще более высокие структурные режимы, вызывая расширение структурного излучения. На рисунке 8 (б) показаны измеренные круговые образцы вибрации стен на 40 и 80 Гц, соответственно, TL для искаженного кругового протока показаны на рисунке 8 (а). Это характеристики структурных m=2 и 3 окружных режимов неискаженной оболочки, имеющей в противном случае те же параметры, и частоты измерений соответствуют прогнозируемой максимальной реакции в этих режимах искаженного кругового цилиндра, возбуждаемой плоским акустическим режимом. Конечно, многие другие структурные режимы будут возбуждаться на этих частотах, что объясняет, почему амплитуда перемещения не близка к нулю на своих минимумах. Но эти модели измеренной вибрации предлагают дополнительные доказательства роли искажения стены в повышении общей излучаемой звуковой мощности из стены протока.

Плоскоовальное сечение

Плоскоовальные протоки имеют геометрические характеристики прямоугольных и круглых воздуховодов, две противоположные плоские стены и две противоположные полукруглые стены. Как отмечалось во введении, динамическое поведение вибрации стены на самом деле является гибридом прямоугольных и круглых воздуховодов. На низких и средних частот, потери в стене имеют положительный наклон около 3 дБ / октаву, с наложенными на нее затухающими резонансами. Кольцо резонанса (для эквивалентного кругового протока состоят из двух объединенных полукруглых стен) появляется при ожидаемых частотах.

Рис. 9. Потери при передаче в стальной плоскоовальной трубе 776 мм*254 мм, с толщиной стенки 0-64 мм

Рис. 10. Вычисленные периметральные перемещения стенок образцов

Измеряемые и прогнозируемые TL данные для типичной оцинкованной стальной плоскоовальной трубы показаны на рисунке 9, они взяты из работы [24]. Предсказанные потери даются в виде сплошной линии, происходящей из FD решения уравнений движения для цилиндрической оболочки с произвольной геометрией и эквивалентной модели излучения цилиндров (см. [10] и раздел 2.3). Пунктирная линия получается из массового типового закона сопротивления для плоских стен и модели кругового цилиндра для изогнутых стен. Предполагается, что это вносит независимость перемещения стен. Кривые прогноза TL основаны на плоском режиме распространения звука внутри трубопроводов и не включают в себя связь между внутренним звуковым полем и движением стены. Потери хорошо предсказаны для обоих методов описания до 800 Гц, при частотах выше теоретическая кривая, как правило, стремится переоценить TL. Это может быть частично обусловлено более высоким порядком режима акустического распространения в пределах канала. Чанг и Каммингс [25] опубликовали исследование воздействия режима более высокого порядка на потери плоских овальных труб, в которых проблема прогнозирования частично решена за счет включения ряда режимов высшего порядка в вычислениях. Этот подход может становится громоздким, и они предложили статистический подход как более уместный, когда многие режимы могут распространяться. TL сплошная линия на рисунке 9 четко показывает основной резонанс на 12 Гц (эквивалентно, тому, что в прямоугольных трубах) и уклон около 3 дБ / октаву до 3-5 кГц, с наложенными на нее резонансными волнами. Выраженный резонанс кольца становятся очевидными на 6-4 кГц. Измеренные данные также показывают, это кольцевой резонанс. Другие предсказанные и измеренные данные для потерь плоскоовальных труб следуют аналогично модели на рисунке 9.

Вычисленное перемещение стен моделей (от разработки FD) на трех частотах на другой оцинкованной стальной плоскоовальной трубе показано на Рисунке 10. Основная резонансная частота стены в данном случае 35 Гц. Звуковое давление в трубе принималось максимальным положительным значением во всех трех случаях. На 20 Гц, перемещение изогнутых стенок очень мало, в то время как плоские стенки кривятся наружу. Сопротивление стены четко контролируется жесткостью, так как перемещение и звуковое давление находятся в одной фазе. На 50 Гц выше основного резонанса стен плоские стены отражают масс-сопротивление, в которых перемещение и давление находятся в разных фазах. На 6-2 кГц (близкой к кольцевой резонансной частоте), движение плоских стен ограничивается серией неровностей коротких длин волн, но трубы с изогнутыми стенами показывают значительное общее поведение режима дыхания, в соответствии с существованием резонанса кольцевого типа. Измеряемые данные вибрации по всему периметру протока в целом согласованы с прогнозами на Рисунке 10.

Акустическое излучение стенок вентиляционных каналов

Неотъемлемой частью прогнозирования потерь стены протока является расчет излучаемой звуковой мощности в стенках вентиляционных каналов, основанный на знании области вибрации стен. Это требует соответствующей модели для излучения. Возможно, самая простая подходящая модель излучения для акустического излучения от стен протока является разработка линейного источника Брауна и Rennison [7].

Рис. 11. Линейный источник конечной длины.

Линейный источник предполагается расположенным в свободном поле, а геометрия его показана на Рисунке 11. Объемная скорость на единицу длины - t, а звуковое давление в точке P области (на позиции вектора r по отношению к центру источника), если предположить наличие структурных перистальтических волн, движущиеся в обоих направлениях [8], т.е. если А, В-амплитуды волн и ф - фазовый угол, то это выражение может быть вставлено в выражение для среднего квадрата звукового давления в точке P.
Интегрирование полученного выражение для интенсивности звука по сферической поверхности дает излучаемую мощность звука.

Браун и Rennison [7] рассмотрели ситуацию, когда В = 0 и х2 «1, нанесены Cr против X1. Для X1 = 0 (т.е., скорость звука волн), Cr = 0-5. Этот рисунок представляет собой разумное приближение к эффективности излучения труб от резонансных частот стен (так что скорость волны составляет примерно скорость звука) и для больших длин каналов, чем акустическая длина волны.

Эта простая модель достаточна для излучения труб, в которых внутреннее звуковое поле доминировано плоским режимом, даже на частотах, где длина акустической волны того же порядка, что и большее измерение протока. Но она недостаточна, где рассматриваются режимы более высокого порядка - распространение в рамках канала. Возьмем, к примеру, самые низкие перекрестные режимы, распространяющиеся в прямоугольном канале. Очевидно, что, поскольку внутреннее распределение звукового давления несимметрично, профиль стены перемещения будет также несимметричен, и тогда V (X, T) = 0 при всех условиях, из-за отмены объемной скорости около периметра стены. Таким образом, звук не будут излучать стенки вентиляционных каналов в соответствии с приведенной выше моделью, и это явно неправильно. Успех в простой модели линейного источника - «цилиндрический излучатель» модель Каммингса [27]. В этом случае рассмотрен «эквивалент» бесконечно длинного цилиндрического излучателя радиуса R, с тем же периметром, что и фактическая труба (независимо от формы ее поперечного сечения), а также с фактическим периметральным распределением скорости по поверхности, создаваемой одним внутренним акустическим режимом, расширенным по периметру. Она относительно проста для расчета звуковой мощности, излучаемой из таких труб. Эвристический подход (несомненно, не хуже, чем приближение выше), принимается в письменном виде выражение для излучаемой звуковой мощности из протока как Сr, где находится из модельного ряда линейных источников выше. В работе [27] связь между внутренней областью звука и вибрацией стен была проигнорирована, и поэтому к_х - это просто акустическое форменное осевое волновое число, а формы излучающего тела должным образом не учитываются, но оказалось, это мало, что изменило точность численных прогнозов, Astley и Каммингс (9) сообщили FK расчеты для потерь прямоугольных труб для внутреннего распространения звука в режиме более высокого порядка. Реакция стены протока была найдена с помощью схемы FE решения, в котором вибрации стен принимались несвязанными с удерживаемым внутренним звуком но связанными с излучаемым звуком. Внешнее FE решение области в соответствии с цилиндрической излучающей поверхностью и W определяются, т.е. для бесконечно длинной трубы. W затем было найдено с помощью уравнения (11). Этот метод представляет собой дальнейшее усовершенствование метода Каммингса [27] в том, что геометрия излучающей поверхности правильно смоделирована. Сравнения [9] между моделью FE и моделью цилиндрического излучателя показало, как правило, очень тесное соответствие между излучаемой мощностью звука, вычисляемой по двум моделям, даже для труб с большими пропорциями сечения (максимальные различия составляют только около 2-3 дБ).

Обсуждение

В течение последних двух десятилетий, значительный прогресс был, достигнут как в количественном понимании передачи шума через стенки трубы, так и в выявлении физических механизмов, регулирующих процесс передачи звука и в прогнозировании прорыва и взлома TLs и т.д. Автор сыграл свою роль в этом, наряду со многими другими исследователями. Различные методы анализа, от аналитического решения численных составов были применены к проблеме прорыва. Распространение звука в каналах с эластичными стенками, структурное возбуждение стен, излучение во внешнюю среду и характер структурного / акустического контакта - все важные черты процесса передачи звука, и значительный прогресс был достигнут в области моделирования этих явлений.

Но также ясно, что многое еще предстоит сделать. Например, относительно роли структурных и акустического типа режима в передаче звука еще предстоит уточнить. Пути моделирования сложных систем, таких как глушители коммерческих пакетов, в которых, например, существуют различные боковые пути, необходимо развивать. Очевидной возможностью для таких сложных систем, было бы рассмотреть вопрос о целесообразности методов СЭО, которые особенно хорошо подходят для анализа шума и вибрации передачи в системах с несколькими компонентами. Вероятно, было бы необходимо разработать новые модели подсистемы, особенно те, в которых происходит значительная диссипация энергии. Недостатком СЭО является то, что он не работает на низких частотах, где формовые плотности низкие. Это существует, однако, именно в области частот, где наиболее важно иметь точные прогнозные моделирующие доступные методы, а это может означать, что подход СЭО, был бы неуместным. Чистые численные методы, такие как методы FE, возможно, являются наилучшим способом давать точные предсказания всех параметров производительности, необходимых для описания системы. Считая все соответствующие свойства материалов и граничных условий известными с необходимой степенью точности, и система была правильно смоделирована, тогда не существует очевидных причин, почему такие методы не могут дать ценные данные проектирования. При нынешних темпах развития вычислительной мощности, кажется вероятным, что сложность системы, которая будет проанализирована, не обязательно исключает применение численных методов в случае приложений HVAC, хотя то же самое нельзя сказать о других, гораздо более сложных системах, таких как весь самолет. Однако, усилия, необходимые при создании цифровых моделей в относительно сложных системах ОВК, будут значительными, и маловероятно, что они бы получили признание в качестве популярных инструментов инженерного проектирования.

Какие еще существуют возможности для развития методов прогнозирования, которые могут быть применены к реалистичным протокам систем вентиляции и кондиционирования? Аналитические методы могут быть применены только к довольно простой системе, и в целом не могут справляться с трудностями практического типа протока и глушителем, хотя они всегда неоценимым в качестве ориентира, в отношении которого (скажем) численные прогнозы можно сравнить. Было показано, что некоторые из этих методов могут дать совершенно точный прогноз, если фактическая система несколько идеализирована, но она не может утверждать, что эта философия будет вероятно образовывать прочную основу для надежных методов проектирования. Автор считает, что возможно разработать общие рамки, возможно, как расширение существующих матриц переноса формулировок и с привлечением многочисленных разветвленных энергетических потоков путей, в которых относительно простым элементом «подсистемы» могут быть смоделированы и связаны друг с другом упорядоченным образом, что позволяет весьма сложным системам быть проанализированными. Такой подход «строительного блока» мог бы также, возможно, быть применимым к другим типам вибро-акустических систем во многом таким же образом, как морские, хотя исходя из совершенно разных физических принципов в качестве своей основы.

Размещено на Allbest.ru