12. Какого заглушения можно добиться? Как конструировать малошумящие механизмы?

Как конструировать малошумящие механизмы? Что нужно изменить в конструкции, чтобы уменьшить их шум?

Мы уже познакомились с тремя этапами создания шума: исходное возмущение, его усиление и видоизменение, а также излучение звука. Если вы не считаете, что таблетка аспирина излечит вас от неприятного ощущения, вызванного гвоздем, торчащим из сиденья стула, то, когда речь пойдет о шуме, вы, конечно, сразу подумаете, нельзя ли устранить исходное возмущение? Разумеется, это наилучший подход, но часто ли можно им воспользоваться? Возьмем, например, дизельный двигатель. Исходное возмущение здесь — рост давления в камере сгорания, но ведь это и есть сам источник мощности двигателя. В турбореактивном двигателе сжигание горючего, сопровождаемое шумом, — единственный способ создать требуемое ускорение газов, направленное в сторону, обратную движению. В пневматическом перфораторе шум создают повторяющиеся удары наконечника зубила,— но именно для этого и спроектировал весь механизм. Таким образом, перспективы не представляются многообещающими, однако в действительности здесь возможностей для снижения шума больше, чем кажется на первый взгляд.

В гл. 6 мы рассматривали график давления в цилиндре дизеля и видели, что при помощи анализа Фурье это давление можно представить в виде суммы компонент — чистых тонов с соответственно подобранными амплитудами и фазами. Амплитуды компонент высших гармоник определяли уровень шума, обусловленного резонансами корпуса двигателя. Если бы нам удалось добиться того, чтобы спектр Фурье достаточно резко падал на высоких частотах, то уровень звука мог бы снизиться децибел на 15.

На рис. 47 показаны три графика давления в цилиндре некоторого дизельного двигателя, совершающего 1000 об/мин. Рис. 47, a соответствует вращению дизеля сторонним двигателем, когда горючее вообще не впрыскивается: воздух просто сжимается и расширяется при проворачивании вала двигателя. Это наиболее гладкая кривая изменения давления, какую только можно получить; на рис. 48 показано, что, начиная примерно со 100 Гц, величина компонент Фурье в этом случае спадает очень быстро. К сожалению, использовать двигатель в этом режиме никому не нужно! Кривая b представляет график давления того же двигателя в условиях наибольшей плавности изменения давления, которую можно получить при собственном ходе двигателя. Обратите внимание на несколько более острый пик давления и на крутой прямолинейный участок вблизи верхней мертвой точки (в. м. т.). Это — момент, непосредственно следующий за впрыскиванием горючего, когда происходит его сгорание. В этом случае сгорание протекает постепенно, за время, в течение которого вал поворачивается на 20°. На рис. 48 показан спектр и для этих условий. Ввиду менее плавной формы кривой давления высшие компоненты разложения в спектр примерно на 20 дБ превышают по величине соответствующие значения для кривой a. За исключением «горбика» в области 1600 Гц, кривая b не менее плавная, чем соответствующая кривая для бензинового двигателя с той же величиной максимального давления в цилиндре. «Горбик» обусловлен резонансом газа в камере сгорания, когда он «ударяется» о стенки.

Рис. 47. Осциллограммы давления в цилиндре дизеля при вращении посторонним двигателем (a), наиболее гладкая кривая при собственном ходе двигателя (b), наиболее крутая кривая при собственном ходе двигателя (c). Все кривые сняты при 1000 об/мин (в. м. т .— верхняя мертвая точка).

Теперь взгляните на кривую c — самую страшную из этого трио. Она изображает рост давления в случае, когда сгорание происходит почти мгновенно в верхней мертвой точке. Видно резкое, почти вертикальное нарастание давления до значения свыше 28∙10⁵ Н/м², которое сопровождается заметными осцилляциями, накладывающимися на основную кривую. Не удивительно, что эта кривая содержит высокочастотные компоненты Фурье большой величины; большой «горб» наблюдается на частоте около 2600 Гц. Этот частотный спектр немногим лучше спектра пилообразного сигнала (с сигналами такого вида встречаются в электронике), сравниться с которым по шумности не может ни один двигатель, даже созданный самым злонамеренным проектировщиком.

Рис. 48. Частотные спектры кривых, представленных на рис. 47.

Что касается исходного возмущения, картина выглядит более безнадежной, чем казалось на первый взгляд. Как, однако, можно было бы сгладить рост давления? Для начала можно отрегулировать момент вспышки. Кривая b соответствует более раннему зажиганию, чем кривая c, и, хотя их различие обусловлено не только этим обстоятельством, легко видеть, что оно также важно. Если впрыскивание горючего происходит непосредственно перед прохождением поршнем верхней мертвой точки, то процесс начинается при более высоком давлении в самом цилиндре. Это приводит не только к более высокой температуре и более быстрому зажиганию, но и к усилению давления, вызываемому внезапным сгоранием горючего и наложением создаваемого давления на самый высокий участок исходной кривой сжатия. При более раннем впрыске усиление давления, налагаясь на кривую сжатия, создает менее зазубренную кривую. Вернемся к кривой c. Непосредственно перед скачком давления в верхней мертвой точке наблюдается уплощение кривой, подобное уплощению на кривой a. В самом деле, если прикрыть рукой правую половину кривой c, остальная часть ее выглядит совсем как кривая a. Скачок давления наступает в самый худший момент, потому что увеличение сжатия прекращается в момент, когда поршень пришел к концу своего хода. Если бы тот же скачок давления накладывался на кривую сжатия раньше, где и без того происходит быстрый рост давления, оба наклона слились бы вместе более плавно и уровень высокочастотных компонент значительно бы уменьшился.

Однако регулировка момента вспышки не единственный существенный фактор. Важно также, как именно горючее впрыскивается в камеру сгорания. Если оно попадает на стенки камеры, то наблюдается неравномерность распределения горючего и воздуха в камере. Тогда сгорание топлива происходит медленнее, чем при впрыскивании горючего в середину камеры, где мгновенно образовалась бы смесь горючее — воздух. Поэтому в первом случае горение — более медленный процесс и наклон кривой давления не такой крутой; субъективно мы обнаружим, что стук в дизеле почти полностью исчез; в принципе это похоже на предупреждение детонации в бензиновом моторе, где высокая степень сжатия достигается путем применения высокооктанового бензина, что предупреждает преждевременное самовозгорание при высокой температуре, создаваемой большим сжатием, и регулирует процесс сгорания топлива.

Теоретически, чем более плавно идет график давления в цилиндре, тем больше должен быть коэффициент полезного действия двигателя. В конце концов, двигатель — это «шумовая машина», в которой требуемая мощность создается в результате превращения основной частоты колебаний давления в цилиндре в механическое вращение при помощи поршней и коленчатого вала. Энергия, заключенная в высших гармониках, бесполезна, поскольку колебания поршня в цилиндре происходят только на основной частоте. Чем более сглажен график давлений, тем большая часть энергии приходится на нижнюю гармонику и может быть передана на коленчатый вал.

Что можно сказать об исходных возмущениях в других двигателях, например в турбореактивном двигателе? Здесь дело обстоит иначе: хотя для получения струи сгорание топлива необходимо, флуктуации давления не нужны. Постоянное давление в цилиндре двигателя дизеля бесполезно, но постоянное давление в камере сгорания реактивного двигателя было бы идеалом! Действие реактивной струи никак не связано с колебаниями давления, которых мы пока не можем избежать просто из-за недостаточно высокого уровня современной техники.

Наиболее нежелательные флуктуации давления возникают не в камере сгорания, а после выбрасывания газов из сопла при турбулентном смешении их с окружающим воздухом. Множество исследований проводилось и продолжает проводиться с целью добиться более плавного смешения отработанных газов и воздуха на выходе из сопла. Испытывались сопла разных конструкций, но основной фактор, который необходимо учитывать при любой модификации, — это, конечно, сохранение тяги двигателя. В ранних разработках применяли сильную гофрировку сопла (рис. 49), облегчающую перемешивание вследствие более глубокого засасывания воздуха в струю газа непосредственно позади сопла. Это давало возможность снизить уровень шума в диапазоне средних частот на 6—7 дБ. Было также установлено, что уменьшение диаметра сопла сдвигает частотный диапазон шума вверх, а поскольку поглощение звука в воздухе растет с частотой, это, казалось, давало некоторый выигрыш. Но ввиду того что наибольшая чувствительность нашего уха к шуму лежит вблизи 4000 Гц, а проблема шума самолета встает наиболее остро, когда самолет летит вблизи земли, в целом это мероприятие ухудшало ситуацию.

Рис. 49. Восьмилепестковый глушитель реактивного двигателя.

Наибольший шаг на пути снижения шума струи был сделан при создании турбовентиляторных двигателей типа Роллс-Ройс RB 211, которые устанавливались на воздушных лайнерах Тристар компании Локхид. Этот тип двигателя получил название двухконтурного. Первая ступень его настолько увеличена в диаметре, что ее скорее следовало бы считать многолопастным вентилятором, чем ступенью компрессора. Она заключена в большой капот. Далее следует остальная часть компрессора, у которой, так же как и у капота двигателя, диаметр меньше, чем вентилятор. Значительная доля воздуха, отбрасываемая первой ступенью, обходит двигатель снаружи и выходит через заднее отверстие большого капота. Через двигатель проходит лишь малое количество воздуха. В результате, хотя ускоряется значительная масса воздуха, только часть ее проходит через камеру сгорания и отбрасывается в виде высокоскоростной струи. Большая же часть отбрасываемого воздуха, имеющая ту же температуру, что и окружающая атмосфера, обтекает наружную поверхность двигателя и, доходя до выходного отверстия сопла, образует между турбулентной струей и окружающей атмосферой буферную зону. Воздух, прошедший снаружи двигателя, менее турбулентен, чем струя, что само по себе уже снижает шум; кроме того, благодаря наличию промежуточного слоя воздуха, обтекающего двигатель, смешение газов струи и холодного атмосферного воздуха происходит гораздо более плавно.

Дело было бы попроще, если бы шум турбореактивного (или турбовентиляторного) двигателя создавала только струя; в действительности это не так. Есть также возмущения, обусловленные аэродинамическими взаимодействиями при вращении лопаток компрессора и (в гораздо меньшей степени) лопаток турбины. Последние поколения двигателей фирмы Роллс-Ройс воплощают в себе главное нововведение в этой области: обычные входные направляющие лопатки здесь полностью выброшены, благодаря чему исключен важный источник возмущений, вызываемых прохождением каждой лопатки через области пониженной скорости воздуха позади неподвижных направляющих лопаток. Шум взаимодействия венцов ротора и статора был снижен путем увеличения зазора между венцами и подбором наилучшего соотношения между числами лопаток в одном и другом венце.

Эти двигатели снабжены также тремя отдельными пустотелыми концентрическими приводными валами, что позволяет снизить скорость вращения вентилятора, который приводится в движение другим валом, чем компрессор. Кроме того, двигатель имеет также устройство, предназначенное для изменения площади и формы сопла от круговой до прямоугольной, это изменяет характеристику направленности шума, отклоняя большую часть его вбок; в результате было получено снижение шума у поверхности земли на 3 дБ. Дальнейшего уменьшения шума двигателя удалось достигнуть при помощи значительного количества звукопоглощающей облицовки, встроенной в различные воздуховоды. Как мы увидим в следующей главе, звукопоглощающая облицовка воздуховода может значительно ослабить бегущий вдоль него звук. В каждом двигателе звукопоглощающей облицовкой покрыто около 20 м² поверхности воздухоприемника вентилятора и выходного воздуховода (рис. 50). В низкотемпературных воздуховодах используются волокнисто-пористые пластмассы, в горячих участках — металло-волокнистые материалы. Как показано в гл. 8, частотный диапазон эффективности волокнистых поглотителей сдвигается вниз при устройстве зазора между ними и стенкой. Поэтому облицовка воздуховода вентилятора, где частоты более низкие, чем в выхлопном газопроводе, укреплена с зазором, тогда как в выхлопном газопроводе в этом не было нужды, поскольку шум турбины более высокочастотный. Конечно, самый низкочастотный звук генерируется на струе, уходящей от двигателя, и никакие поглощающие облицовки тут не помогут. Однако ввиду большой степени двухконтурности шум струи двигателя RB 211 оказывается ниже шума вентилятора, компрессора и турбины, взятых вместе.

Рис. 50. Звукопоглощающая облицовка авиационного двигателя (жирная линия).

Теперь перейдем к исходным возмущениям в других устройствах. В пневматическом перфораторе практически нельзя повлиять на основной механизм создания шума — периодическое воздействие сжатого воздуха на поршень, — не снизив существенно эффективность перфоратора. Несмотря на то что и для цилиндра перфоратора можно получить график давления, аналогичный графику для цилиндра дизеля (график для перфоратора более зазубренный), пути превращения флуктуации в шум тут совсем другие и поэтому сглаживание кривой давления в цилиндре перфоратора не приведет к снижению шума.

Однако шум многих других механизмов можно значительно снизить. Например, для дыропробивного пресса можно изготовить пунсон с разной высотой режущей части в разных точках, чтобы удар по изделию не приходился одновременно по всей поверхности. Резкость удара при этом сильно снизится. Разумеется, если появится возможность заменить резкий удар непрерывно нарастающим давлением, как в гидравлическом прессе, проблема шума будет почти исключена.

Удары, возникающие при действии многих механизмов, по существу, никак не связаны с их работой. В этих случаях эффективность механизма не пострадает от применения амортизирующих прокладок и подкладок. При ударе какой-нибудь деталью по амортизирующему элементу последний сожмется, поглощая энергию удара, которая в результате потерь на трение, вызванных внутренним поглощением в материале, обратится в тепло. Различные дыропробивные прессы содержат множество источников совершенно излишнего ударного звука, который можно подавить при помощи резиновых[26] амортизирующих подкладок.

Чтобы такие резиновые прокладки или подкладки выполняли свои функции не только на высоких частотах, они должны быть достаточно толстыми и податливыми. Ясно, что при отсутствии существенной деформации материала нельзя получить большое поглощение энергии, поэтому иногда приходится использовать прокладки толщиной до 20—30 мм. Важно отдавать себе отчет в том, что резина практически несжимаема. Это может звучать подобно выражению «вода не текуча», и, однако, это верно. Резину можно сильно продеформировать, только подвергая се сдвиговым напряжениям, но не путем всестороннего сжатия. Наступив на маленький кусочек резины, мы расплющим его, но только потому, что он раздастся во все стороны. Такое выпячивание в стороны происходит вследствие сдвигающих напряжений, действующих под прямым углом к приложенной силе. Если вставить кусочек резины в стальное кольцо, легко обнаружить, что он перестанет сжиматься: он не сможет более раздаваться в стороны.

С этой важной особенностью поведения резины мы встретимся еще не раз. Пока речь идет о поглощении энергии ударов, следует учитывать, что при сжатии большого куска сплошной резины он окажется податливым только в той мере, в какой он сможет раздаваться в стороны с боков. Если раздаваться ему некуда или если его боковая поверхность мала, как в большом листе, то резину можно рассматривать как жесткое тело. По этой причине для поглощения ударов микропористая резина (с закрытыми порами) зачастую пригоднее, чем сплошная, потому что воздушные карманы пор позволяют резине деформироваться во всех направлениях. При небольших нагрузках микропористая резина действительно дает гораздо большую деформацию, но не менее важно то, что при большой нагрузке она сплющивается и снова становится как бы сплошной. К сожалению, случаи резких ударов в механизмах встречаются довольно часто. Например, пишущая машинка работала бы гораздо тише, если бы ее валик был сделан из микропористой резины. Правда, тогда отпечатки букв были бы едва заметны!

На примере реактивного двигателя мы видели, что снизить аэродинамические возмущения может оказаться очень трудным. Для твердых тел, движущихся относительно воздуха, применение обтекаемых форм напрашивается в первую очередь; хорошее аэродинамическое проектирование лопастей вентиляторов, во всяком случае, может исключить излишнее вихреобразование. В частности, существенно, чтобы угол атаки лопастей не был слишком велик. Во всех случаях, когда имеет место взаимодействие ротор — статор, например между лопастями вентилятора и его стойками или между ротором и статором электромотора, увеличение просвета эффективно снижает аэродинамические возбуждения. Этот способ может, однако, вступить в противоречие с другими соображениями: например, раздвигание ротора и статора может снизить коэффициент полезного действия механизма. В некоторых центробежных вентиляторах уровень шума на частоте прохождения лопастей можно уменьшить путем увеличения просвета между ротором и языком улитки Важно также избегать турбулентности на входе вентилятора. Дело в том, что размеры вихрей могут оказаться настолько большими, что они повлияют на подъемную силу лопастей, а изменение подъемной силы означает колебания давления, а следовательно, и шум.

Безусловно, положение почти всегда можно улучшить тщательным подбором числа элементов в роторе и статоре. Четырехлопастный ротор, вращающийся в непосредственной близости к четырем направляющим лопаткам, создает гораздо более сильный звук, чем если бы направляющих лопаток было три или пять. Как правило, числа лопаток ротора и статора не должны находиться в простом отношении. Тогда различными будут не только основные частоты, создаваемые тем и другим, но и несколько первых гармоник. Выгода получается двоякая: интенсивность дискретных тонов в шуме уменьшится, а раздражающее действие шума снизится, ввиду того что распределение отдельных тонов и их гармоник на более широкий частотный диапазон сделает их менее ощутимыми.

Переходя к механическим исходным возмущениям, заметим, что часто шум можно существенно снизить, уменьшая заводские допуски. Шум шарикоподшипников свидетельствует о неправильной форме шариков и колец: когда-нибудь с этим будет покончено, Даже если для этого потребуется отливать шарики в условиях невесомости на заводе, размещенном на спутнике Земли! Шум вращения при большом числе оборотов может быть снижен путем лучшей балансировки. Когда приходится иметь дело с флуктуирующей силой, следует обратиться к соображениям, рассмотренным для дизеля. Если удастся устранить резкие флуктуации, интенсивность высших гармоник Фурье будет снижена. Если можно нарушить регулярность флуктуации, звуковая энергия распределится на более широком участке спектра и не будет сосредоточена только на нескольких частотах.

В ближайший раз, когда вы займетесь проверкой покрышек на колесах вашей автомашины (пока они еще не изношены), обратите внимание на узор выступов на катящейся поверхности, особенно по краям: вы увидите, что поперечные прорези между участками выступающей резины расположены нерегулярно, так что расстояния между ними постепенно изменяются от узких к широким. Это делается для того, чтобы на ходу шины не «свистели»; при такой неравномерности слышно только шипение случайного характера.

На одном участке автострады М10 в порядке эксперимента было использовано бетонное покрытие с поперечными канавками для стока воды. Оказалось, что канавки вызывали громкий визгливый шум, когда над ними проезжали машины, так что встревоженные шоферы на этом участке съезжали на обочину, чтобы взглянуть, не приключилось ли чего-нибудь с задними осями. На другом участке шоссе канавки прорезали на двух чередующихся расстояниях друг от друга, но, как и следовало ожидать, шум и в этом случае состоял из чистых тонов. Избежать этого можно только при полностью случайном распределении промежутков либо при тщательно рассчитанном законе чередования узких и широких промежутков. Последний метод позволяет создать впечатление настолько быстрой трели, что в результате шум распределяется по более широкой частотной полосе: к более широкополосному шуму приводят оба метода. Раньше думали, что причина возникновения чистых тонов — резонансы шин, но это оказалось ошибочным. Хотя выяснилось, что с визгливым шумом бороться можно, все же шум шин на таких шоссе оказался сильнее, чем при качении по гладкой поверхности; в этом убедились на своем печальном опыте неудачники, поселившиеся по соседству с автострадой М10.

Возникает интересная возможность покрывать поверхность дороги канавками, в какой-то мере аналогичными бороздкам граммофонной записи, и создавать таким образом нечто вроде говорящих дорожных знаков. К сожалению, высота «голоса» дороги будет меняться в зависимости от скорости автомашины: мы услышим голос Поля Робсона при малой скорости и писк утенка Дональда (из мультипликаций Диснея)— при высокой. Можно было бы применять постоянные знаки, залитые в бетон, и изменяемые знаки, создаваемые выдвиганием специальных планок над поверхностью дороги при помощи гидравлического устройства. Поскольку предлагаемая система никогда не сможет быть использована для рекламных целей, она имеет ряд преимуществ, например может служить для предупреждения о дорожных пробках на шоссе при тумане.

Подобный тип исходных возмущений встречается во многих механизмах. Если располагать зубцы циркулярной пилы не строго регулярно, можно было бы, тщательно рассчитав промежутки между ними, растянуть по частоте спектр как аэродинамических возмущений, так и колебаний самой пилы. Для этой же цели в охлаждающих вентиляторах радиаторов автомашин нарушают регулярность в расположении лопастей, что придает им непривычный вид. То же можно сделать с резцами фрез фрезерных и фасонно-фрезерных станков и с канавками сверл.

Однако, если бы все эти исходные возмущения можно было бы отъединить от их усилителей и излучателей-громкоговорителей, жизнь стала бы гораздо тише. Поэтому, если нам и не удается снизить исходные возмущения, еще не все потеряно: во многих механизмах можно достаточно эффективно воздействовать на остальные два звена шумопроизводящей цепочки.

Напоследок вернемся еще раз к дизельному двигателю и посмотрим, что можно сделать с механизмами усиления и излучения, чтобы уменьшить шум. Мы уже знаем, что основная часть шума, возникающего в камере сгорания, не достигает полностью наружного пространства и это обусловлено различием импедансов между газом в камере сгорания и картером и цилиндровым блоком. Нам известно также, что главная причина снижения импеданса картера и блока — их резонансы. Если бы удалось ввести какой-либо вид поглощения в структуру картера и цилиндрового блока, который бы уменьшал амплитуду резонанса, был бы сделан важный шаг вперед.

Этому вопросу были посвящены многие исследования; первым начал их д-р Тео Прид, работая в одной промышленной компании; затем он продолжил изучение вопроса, перейдя в Институт исследования шума и вибраций в Саутгемптонском университете. Промышленная компания изготовляла оборудование для впрыскивания горючего в дизелях; чтобы доказать, что инжектор не вносит существенного вклада в шум дизельного двигателя, было предпринято изготовление малошумящего дизеля. Попытки оказались удачными, и было создано два типа двигателей, уровень шума которых субъективно имел, грубо говоря, половинную громкость по сравнению с двигателями обычного типа. Проблема постройки малошумного двигателя решалась двумя путями. Первый — изготовление двигателя с сильно задемпфированными стенками, второй — использование таких материалов и такой формы картера и цилиндрового блока, при которых их жесткость возрастала настолько, что резонансные частоты увеличивались примерно в 5 раз.

В соответствии с этим было построено два почти одинаковых экземпляра двигателя первого типа. Основная рама четырехцилиндрового двигателя с тремя подшипниками коленчатого вала была сварена из стальных листов и несла рубашки охлаждения цилиндров и подшипники коленчатого и кулачкового валов. Элементы конструкции, так же как и головки цилиндров, были стандартными. Такая решетчатая конструкция картера и цилиндрового блока выдерживала все возникающие напряжения, а поскольку общая наружная поверхность каркаса была очень мала, излучение шума резко снижалось. Однако залить в такой решетчатый каркас воду и масло было невозможно. Оставалось найти материалы для боковых стенок, которые бы не усиливали колебаний каркаса вследствие резонанса: к сожалению, некоторое увеличение шума было неизбежно просто в результате увеличения суммарной наружной поверхности. Были изготовлены съемные панели из различных материалов: стали, свинца, пластмасс и слоистых конструкций («сандвичей») сталь — резина — сталь. Панели из свинца и пластмасс с их большими внутренними потерями были очень эффективны, но в конечном счете были выбраны слоистые конструкции из стали и резины. Эти панели крепились к ребрам каркаса множеством маленьких винтиков; оказалось, что эти панели излучают шум с уровнем на 15 дБ меньше, чем чугунные стенки обычного картера. В дополнение маслоотстойник картера был изолирован от каркаса при помощи резиновой ленты, а другие крупные металлические крышки, например крышка распределительного устройства, были сильно задемпфированы (они изготовлялись из таких же сандвичей сталь — резина).

Наибольшие вибрации в дизельном двигателе испытывает коленчатый вал. Это вызвано, как и следовало ожидать, тем, что все скачки давления в камерах сгорания непосредственно передаются на вал, К сожалению, на одном конце вала имеется шкив, и этот шкив ведет себя подобно громкоговорителю. При испытании описываемого «экспериментального экземпляра двигателя» оказалось, что, если снять шкив, шум на частоте 1600 Гц (собственная частота шкива) снижается на 25 дБ. Поэтому был сконструирован шкив из двух частей, что позволило изолировать его от вала: центральная втулка укреплялась на валу, а наружная часть шкива, с большим диаметром отверстия, соединялась с ней при помощи резиновой муфты. По сравнению с обычной конструкцией шкива это давало 15 дБ выигрыша на частоте 1600 Гц.

В результате, после того как снизили также шумы всасывания и выхлопа, а коробка передач была сильно звукоизолирована, шум в «экспериментальном двигателе» снизился по сравнению с обычным примерно на 10 дБ, начиная от 400 Гц и выше. Если не считать низкие частоты, на которых двигатель колебался как целое и на которых поэтому никакое демпфирование помочь не могло, указанные мероприятия снизили шум до уровня, создаваемого бензиновым двигателем той же мощности, и устранили неприятный стук, характерный для дизелей.

Другой тип двигателя был построен совершенно иначе и во многих отношениях меньше подходил для практического осуществления. Картер и цилиндровый блок были отлиты из магния, и толщина их стенок составляла около 30 мм. Вследствие малой плотности магния вес двигателя не превышал обычных значений, но ввиду большой толщины стенок их жесткость на изгиб значительно повысилась. Возникли существенные практические проблемы, связанные с малой прочностью магния на разрыв, а также с его подверженностью гальванической коррозии, но эти трудности удалось преодолеть. Двигатель был снабжен сильно задемпфированными крышками распределительного устройства и клапанных рычагов, а также звукоизолированными маслоотстойником картера и шкивом коленчатого вала, аналогичными тем, которые были применены в экспериментальном двигателе первого типа.

Описываемая конструкция обладала двумя достоинствами. Высокая изгибная жесткость стенок снижала амплитуду вибраций на низких частотах, а обусловленное жесткостью увеличение собственных частот переводило резонансы в ту область, где компоненты Фурье внутрицилиндрового давления имели уже малую величину. По сравнению с первым типом этот двигатель имел преимущество на низких частотах и давал примерно тот же результат на средних и высоких частотах.

Результаты, полученные в промышленной компании и развитые в Саутгемптоне, легли в основу субсидируемого правительством Проекта бесшумного пассажирского транспорта. Институт исследования шума и вибраций разработал малошумящие двигатели, основанные на образцах фирм «Роллс-Ройс» и «Бритиш Лейланд»; одновременно Исследовательское общество моторостроительной промышленности и Лаборатория дорожных исследований проводили дополнительную исследовательскую работу по шумам самой автомашины и по шуму шин. Целью было построить грузовик, уровень шума которого был бы на 10 дБ ниже, чем в существующих моделях, и таким образом показать автомобильной и моторостроительной промышленностям, что более «тихие» грузовики можно выпускать по вполне приемлемой цене. Аналогичная программа была начата и в США, хотя там исследования производились по более консервативной программе, предусматривающей вначале только звукоизоляцию двигателя, а не радикальное изменение конструкции.

Успехи, достигнутые при разработке описанных двигателей, можно, разумеется, использовать и для огромного множества других механизмов. Например, предупреждение резонансных явлений относится к наиболее плодотворным методам снижения уровня шума любого механизма. Один из способов добиться этого — ввести затухание. Очевидно, лучше всего получать требуемое затухание, применяя материалы, для которых характерно именно малое усиление колебаний при резонансе. Резина — хорошо известный представитель этой категории материалов: для ее структуры типично наличие длинных молекулярных цепей, скользящих одна по другой при деформации материала, при этом происходит потеря колебательной энергии вследствие трения.

К сожалению, невозможно построить механизм прямо из резины! Одним из наиболее важных открытий последних лет было открытие углеродных нитей. Специальная термообработка позволяет изготовить из длинных прядей синтетического полимера длинные цепочки, образованные углеродными молекулами и обладающие высокой прочностью на разрыв. При связывании со смолами эти цепи образуют «чудо-материал», имеющий прочность стали при значительно меньшем весе. Менее известно другое свойство этого материала — его весьма большие внутренние потери.

Углеродные нити только начали разрабатываться и поэтому пока еще дороги. В настоящий момент их цена еще препятствует целому ряду возможных применений. К сожалению, другие материалы с большим внутренним поглощением обладают малой прочностью я жесткостью. Поэтому приходится применять обычные металлы, например сталь, а поглощение вносить другими средствами. Мы уже видели, как это было сделано в конструкции экспериментального дизеля; прежде чем переходить к другим применениям таких поглотителей звука, рассмотрим более подробно их действие.

Рис. 51. Неармированный и армированный поглощающие слои.   1 — неармированный поглощающий слой;   2 — только продольное растяжение;   3 — армированный поглощающий слой;   4 — деформация сдвига.

На рис. 51 показана стальная пластина, соединенная со слоем поглощающего звук вещества, например со слоем синтетической резины. Пластина может излучать звук, колеблясь как целое, однако чаще излучение обусловлено изгибными колебаниями пластины. При изгибании пластины резиновый слой также изгибается и, как следует из геометрических соображений, наружная поверхность резины растягивается при изгибании пластины в одну сторону и сжимается при изгибании в противоположную сторону. Рассеяние или поглощение энергии происходит в результате потерь на внутреннее трение при продольных растяжениях и сжатиях резины. Представим теперь, что к наружной стороне резинового слоя приклеен тонкий металлический лист. При изгибании пластины резиновый слой не сможет растянуться или сжаться потому, что он приклеен к тонкому металлическому листу, обладающему большим сопротивлением растяжению. Это означает, что резиновый слой окажется сильно перекошенным, то есть он испытает большие сдвиговые деформации. Все знают, что согнуть резиновый лист сможет и ребенок, но, чтобы сдвинуть одну поверхность относительно другой на значительное расстояние, потребуются гораздо большие силы. По этой причине «армирование» сильно повышает эффективность демпфирования; при этом тонкий слой резины может оказаться выгоднее толстого, так как в нем сдвиговые деформации будут иметь большую величину.

Приклеивание куска или кусков металлического листа к панели с поглотителем может быть очень эффективным при правильном подборе размеров листа и положения приклейки; эффективность будет зависеть также от частоты. Отсюда, однако, не следует, что обработка поглощающими материалами без армирования ничего не дает: существует много патентованных покрытий, которые легко наносятся на заглушаемую поверхность и часто обеспечивают достаточное поглощение колебаний. Помимо резины, можно применять и другие материалы. Используют целый набор веществ от смесей смол до войлока. Один хорошо известный поглощающий материал похож по внешнему виду на овсянку и имеется в продаже либо в жидком виде, либо в виде самоприклеивающихся листов. В последнем случае его удобно приклеивать к слою звукопоглощающей неопреновой пены, убивая таким простым способом сразу двух зайцев. Несколько легче и дешевле покрытие из двух слоев стеклянной ткани, приклеенной к стали специальной смолой. При этом также достигается огромная жесткость композита, далеко превышающая жесткость стали или стекловолокна в отдельности. При надлежащем выборе смол можно получить и термостойкое демпфирующее покрытие.

Все же армированный сандвич сталь — резина — сталь обладает множеством преимуществ. Имеются такие конструкции, состоящие из стального листа калибра 20 (толщина 0,95 мм), склеенного смолой с листом калибра 26 (толщина 0,48 мм), что дает общую толщину (около 1,6 мм), соответствующую калибру 16. Существуют также материалы, склеенны из многих слоев резины и алюминия. К сожалению их жесткость на изгиб мала, а изготовление их затруднительно. Штамповать эти материалы до сих пор не удается, потому что один из слоев образует складки или трескается. Проводятся опыты по раздельной штамповке слоев и их последующей склейке. При сварке таких композитных листов «начинка» выгорает, а шов получается слабым, потому что зачастую скрепляется только один из слоев сандвича.

Демпфирование широко применяется для снижения шума в механизмах всех видов. Нанесение демпфирующих покрытий снижает шум на 10 дБ и более во всех случаях, когда звук излучается легкими панелями. Если панели можно спроектировать таким образом, чтобы их резонансная частота нигде не совпадала с частотами исходного возмущения, этого может оказаться достаточно. Общеизвестный пример демпфирования панелей — это обесшумливание автомашин «седан» и вообще дорожных транспортных средств. Панели крыши, пола, капота мотора и крышки багажника — все они обладают множеством резонансов, и демпфирование может принести большую пользу. Применение демпфированных композитных стальных листов позволит снизить шум дорожных перфораторов децибел на 7, при условии что предварительно заглушён шум выхлопа отработанного воздуха. С акустической точки зрения наилучшая композитная стальная конструкция — это полый лист, заполненный свинцовой дробью. Однако на практике такая конструкция не годится, так как при нагревании дробь сплющивается. Пробовали применять в качестве заполнителя медь, марганец, чугун, но это не дает таких же результатов.

Резонансы в твердых телах не единственный тип резонансных колебаний. Вспомним резонаторы Гельмгольца, описанные в гл. 8. Любой замкнутый объем воздуха способен совершать резонансные колебания, и в зависимости от формы и размера объема мы можем встретиться с одной, а чаще с целым рядом резонансных частот. Теоретически способ борьбы с резонансами прост: следует либо задемпфировать колебания, например с помощью волокнистых или пенистых материалов, либо конструктивным путем вывести резонансные частоты из опасной области. Чем больше размер воздушного объема, тем ниже резонансная частота, и обратно. Крупные полости ведут себя подобно малым помещениям, и в них могут установиться нормальные колебания, описанные в гл. 10. При наличии «горлышка», соединяющего объем с внешней атмосферой, как в резонаторе Гельмгольца, частота тем выше, чем горлышко шире. Не следует упускать из виду того обстоятельства, что задемпфированный резонатор Гельмгольца весьма эффективно поглощает звук, а это может оказаться очень полезным в некоторых случаях.

Итак, есть три направления борьбы с шумом механизмов. Если не удается сгладить исходные возмущения, то, наверное, возможно избежать их усиления в результате резонанса, либо вводя демпфирование, либо избавляясь от резонанса путем изменения конструкции. Если и это не удается, можно воспрепятствовать излучению звука, по возможности устраняя контакты между источником возбуждения и всеми другими частями механизма. В общем руководствуйтесь здравым смыслом!

[26] Термин «резина» подразумевает здесь наряду с натуральной резиной самые различные полимерные материалы.