Modeling of the mechanism of appearance of external infrasound of land vehicles

Full Text

Введение Наземные транспортные средства (НТС) являются одним из основных источников шума и инфразвука на селитебных территориях. Внешнее звуковое поле автомобиля определяется следующими составляющими: двигатель, системы газообмена двигателя (система выпуска отработавших газов и система впуска воздуха для процесса сгорания топлива), агрегаты трансмиссии (коробка передач, мосты), шины при взаимодействии с дорожным покрытием, аэродинамический шум (взаимодействие кузова с потоком воздуха). В структуре аэродинамического шума и шуме от качения шин присутствует инфразвук. Воздействие инфразвука и низкочастотного шума оказывает вредное влияние на человека. Оно вызывает общебиологическое действие: головная боль, головокружение, нарушение функции вестибулярного аппарата, снижение внимания и работоспособности, появления чувства страха, общего недомогания [1, 2]. Большинство существующих научных работ посвящены исследованиям слышимого шума и разработке мероприятий по его снижению. По мнению авторов, имеющих определенные наработки в данной области [3, 4], в настоящее время недооценивается проблема возникновения и распространения инфразвука на территории жилых застроек, а соответственно его негативное воздействие на жителей. Проблема инфразвукового негативного воздействия не потеряет актуальности и при переходе на электромобили и исключении основного источника шума автомобиля - двигателя внутреннего сгорания, так как основным источником инфразвука является набегающей поток воздуха. Цель исследования Целью исследования является разработка расчетно-экспериментальных методов изучения механизма возникновения инфразвука от НТС. Материалы, методы исследования и их обсуждение Значительная доля акустического излучения от автомобиля приходится на инфразвуковую и низкочастотную область частот. В зависимости от конструкции автомобиля возникновение внутреннего инфразвука может быть обусловлено колебаниями двигателя как твердого тела на своей подвеске, изгибными и крутильными колебаниями кузова, воздействием набегающего потока воздуха. Рис. 1. Спектр шума в салоне автомобиля при движении со скоростью 60 км/ч Рассмотрим влияние упругости воздушного объема на уровень инфразвука в автомобиле. С этой целью были проведены измерения вибраций крыши, пола, уровня инфразвука и вертикального потока акустической мощности в салоне при полностью открытых и закрытых окнах, а также при разной степени открытия левой задней двери. На рис. 1 приведены спектры инфразвука на заднем сиденье в салоне легкового автомобиля с открытым и закрытыми окнами при движении со скоростью 60 км/ч. Нетрудно заметить, что открытие окон приводит к уменьшению уровня инфразвука на 8…10 дБ в диапазоне частот 9…13 Гц. Однако в случае открытия полностью или частично только одного окна происходит обратная картина. Открытие частично или полностью только одного окна приводит к увеличению уровня инфразвука от 2 дБ до 10 дБ в зависимости от степени открытия окна в диапазоне частот 2…20 Гц. Увеличение уровня инфразвука можно объяснить, рассмотрев кузов автомобиля в виде резонатора Гельмгольца. Возбуждение инфразвука в салоне автомобиля может происходить (как в резонаторе Гельмгольца) вследствие пульсации давления в набегающем потоке воздуха открытого окна. Были проведены расчеты резонансных частот для автомобиля при открытии окна левой задней двери на 1/10 долю площади, 1/2 долю и полностью открытом окне, которые показали, что собственная частота кузова как резонатора равна соответственно 7 Гц, 13 Гц, 18 Гц. Именно в области этих частот и происходит максимальное увеличение инфразвука при изменении степени открытия окна. Результаты вычисления функции когерентности между вертикальными колебаниями переднего колеса, пола, крыши и инфразвукового давления в салоне при полностью открытом окне также подтверждают предположение о возбуждении инфразвука в салоне набегающим потоком воздуха. Степень связи между этими колебательными процессами и инфразвуком уменьшилась при открытии окна от 1 до 0,4…0,6 в диапазоне частот 10…13 Гц. Такое уменьшение функции когерентности при открытии одного окна указывает на появление нового источника возбуждения, которым вероятнее всего является набегающий поток воздуха, пульсации давления в котором через открытое окно возбуждают инфразвуковые колебания (как в резонаторе Гельмгольца) в салоне автомобиля. Для получения более полного представления об инфразвуке, создаваемом легковыми автомобилями, были проведены измерения внешнего шума. На рис. 2 приведены средние спектры внешнего шума в области частот 2…20 Гц автомобиля при скорости движения 100 и 120 км/ч. Ширина полосы анализа F=1 Гц. Максимальный уровень инфразвука имеет место на частоте 2 Гц и равен 94…97 дБ в зависимости от скорости движения. С повышением частоты он падает от частоты 6 Гц примерно 7 дБ на октаву, а при дальнейшем повышении остается практически без изменения, на частотах 10…12 Гц уровень инфразвука равен ~85 дБ. Рис. 2. Спектр внешнего шума автомобиля при движении На рис. 3 произведено сравнение внутреннего и внешнего инфразвука легкового автомобиля при скорости движения 100 км/ч. В частотном диапазоне от 11 до 13 Гц разница между уровнем внутреннего и внешнего инфразвука составляет примерно 30 дБ (30 раз). Таким образом, механизм возникновения внутреннего и внешнего инфразвука в автомобиле различный. Исследование на масштабной модели легкового автомобиля, проведенные ранее в институте механики МГУ, показали, что источником внешнего инфразвука в частотном диапазоне 1,7…28 Гц могут быть пульсации продольной компоненты скорости набегающего потока воздуха. Это приводит к образованию вихревого шума, связанного с периодическим срывом вихрей с обтекаемого тела, частота срыва вихрей и частота звука равны. Аэродинамический шум делится на вихревой шум, шум вращения, шум от неоднородности потока, шум ударных волн, шум самовозбуждающихся газодинамических пульсаций. Вихревой шум делится на шум периодически срывающихся вихрей, шум турбулентного обтекания, шум турбулентной струи. Вихревой шум - широкий класс аэродинамических шумов, связанных с вихреобразованием. Это вихреобразование может быть хаотичным или регулярным. В первом случае образуется турбулентный след, в котором происходят беспорядочные хаотичные пульсации воздуха, а во втором за обтекаемым телом образуется «дорожка Кармана», состоящая из крупных вихрей, расположенных в шахматном порядке. Частота срыва вихрей и соответственно частота порождаемого им звука определяются с помощью соотношения Струхаля: , где Sh - число Струхаля; V - скорость, м/с; D - характерный размер, м. Постоянная Sh является критерием подобия при образовании вихревого шума. Впоследствии было установлено, что число Струхаля может изменяться в некоторых пределах в зависимости от числа Re (число Рейнольдса). , где d - диаметр цилиндра, м; U - скорость потока, м/с; ν - кинематическая вязкость, м2/с. Величина инфразвукового давления (P) может быть посчитана по формуле: , (1) где - коэффициент лобового сопротивления; l - длина цилиндра, м; с - скорость звука, м/с. Теоретическое исследование влияния конструктивных особенностей автомобиля на уровень внешнего инфразвука проводилось на качественной модели - цилиндр в набегающем потоке воздуха. Размеры цилиндра соответствовали габаритным размерам автомобиля, а лобовое сопротивление соответствует лобовому сопротивлению автомобиля ( ). Скорость Vn набегающего потока воздуха равнялась скорости Va автомобиля (рис. 3). При этом диаметр D цилиндра равняется высоте h кузова. Рис. 3. Модель возникновения инфразвука Для расчетной оценки уровня внешнего инфразвука были выбраны несколько различных типов автомобилей (автобус, грузовой автомобиль, малотоннажный грузовой автомобиль, легковой автомобиль, гибридный легковой автомобиль и микролитражный городской автомобиль). Для каждого автомобиля были проведены расчеты при скоростях движения 60, 80, 100 и 120 км/ч. В табл. 1 приведены характеристики автомобилей, для которых проводились расчеты. Результаты расчета частоты срыва потока показали, что частотный диапазон внешнего инфразвука составляет от 1 до 5 Гц. Таблица 1 Характеристики автомобилей Автомобиль Коэффициент лобового сопротивления Сx Длина автомобиля l, м Высота салона автомобиля h, м Ikarus 250 0,71 12 3,2 КАМАЗ 5320 0,68 7,39 2,83 ГАЗ 33022 0,65 5,47 2,57 Renault Logan 0,36 4,29 1,53 Toyota Prius 0,26 4,46 1,5 Daewoo Matiz 0,39 3,49 1,48 Величина инфразвукового давления оценивалась по формуле (1), где ρ = 1,29 кг/м3 - плотность воздуха; c = 340 м/с - скорость звука; Sh = 0,2; значения Cx и l выбирались по табл. 1 для каждого автомобиля. Результаты расчета показали, что уровни инфразвука находятся в диапазоне от 65 до 135 дБ в зависимости от скорости и типа автомобиля. Максимальные уровни внешнего инфразвука имеют место при движении грузовых автомобилей и автобусов. Минимальный уровень внешнего инфразвука создают автомобили Toyota Prius и Daewoo Matiz. Далее на расчетной модели была проведена оценка влияния конструктивных особенностей автомобиля на уровень инфразвука. Минимальную длину кузова имеет Daewoo Matiz, поэтому теоретическая оценка влияния длины на уровень инфразвука проводилась на автомобиле Daewoo Matiz. Длина кузова автомобиля менялась от 3,5 до 12 м. На рис. 4 представлен график уровня инфразвука при различной длине автомобиля. Из графика видно, что при увеличении длины автомобиля в 2 раза уровень внешнего инфразвука увеличивается на 10 дБ, а при увеличении длины автомобиля до 12 м уровень внешнего инфразвука увеличивается на 22 дБ. Рис. 4. Расчетный уровень инфразвука при различной длине автомобиля Расчетная оценка влияния величины Сх на уровень инфразвука проводилось на автомобиле Toyota Prius, так как этот автомобиль имеет минимальный коэффициент лобового сопротивления Сх = 0,26. На рис. 5 представлен график изменения уровня внешнего инфразвука при различном коэффициенте лобового сопротивления. При изменении Сх от 0,26 до 1 уровень инфразвука возрастает на 35 дБ. На рис. 6 представлен график зависимости уровня инфразвука от числа Sh Струхаля. Таким образом, результаты расчета показали существенную зависимость уровня внешнего инфразвукового давления от конструктивных особенностей кузова или кабины автомобиля. Существенным источником инфразвука в автомобиле также являются колеса, которые совершают вращательные и поступательные движения в набегающем потоке воздуха. Рис. 5. Расчетный уровень внешнего инфразвука при различных коэффициентах лобового сопротивления При малых и средних скоростях движения автомобиля первая колесная гармоника fкол проявляется, как правило, в инфразвуковом диапазоне спектра шума (ниже 20 Гц); только при высоких скоростях движения современных легковых автомобилей (115…120 км/ч) эта гармоника начинает прослушиваться в звуковом диапазоне частот. Как правило, она имеет наибольший уровень интенсивности и на отдельных скоростных режимах может обуславливать высокий уровень внешнего и внутреннего инфразвука. Рис. 6. Расчетная зависимость уровня инфразвука от числа Струхаля Частота колесной гармоники в спектрах вибрации агрегатов и шума в кузове: , где k = 1, 2, 3… - числовой ряд; Vа - скорость автомобиля, м/c; Rдин - динамический радиус качения шины, м. Проведен расчет пяти колесных гармоник для колеса от R=13 дюймов легкового автомобиля при скорости движения 80, 100 и 120 км/ч. Результаты расчетов представлены в табл. 2. Таблица 2 Расчеты частоты колесных гармоник V, км/ч f1, Гц f2, Гц f3, Гц f4, Гц f5, Гц 80 22 45 67 90 112 100 28 56 84 112 141 120 33 67 101 135 169 При скоростях 80…120 км/ч частоты колесных гармоник находятся в диапазоне от 20…170 Гц. При увеличении радиуса колеса частоты колесных гармоник будут снижаться, особенно для грузовых автомобилей и автобусов. В транспортном потоке спектр колесных гармоник будет перекрывать низкочастотный и инфразвуковой диапазон. Расчетные исследования механизма возникновения внешнего инфразвука транспортного средства показали, что его частота и уровень зависят от скорости движения, коэффициента лобового сопротивления, длины и высоты кузова. Важно отметить, что превышение инфразвуком нормативных значений [5] может быть только на селитебных территориях, прилегающих к транспортному потоку со скоростями движения свыше 80 км/ч. Таким образом, рациональная организация дорожного движения позволит уменьшить уровни инфразвука и снизить негативное воздействие данного фактора на организм человека и окружающую среду. Дальнейшее изучение механизма возникновения инфразвука от наземных транспортных средств позволит разработать эффективные средства снижения инфразвука от НТС, например, резонансные поглотители и устройства активного глушения шума. Выводы 1. Источником внешнего инфразвука НТС в частотном диапазоне 1,7…28 Гц могут быть пульсации продольной компоненты скорости набегающего потока воздуха. 2. Образование инфразвука НТС связано с периодическим срывом вихрей с обтекаемого тела, частота срыва вихрей и частота звука равны. 3. Частотный диапазон внешнего инфразвука зависит от скорости движения и типа автомобиля и находится в диапазоне от 1 до 5 Гц. 4. Максимальные уровни внешнего инфразвука имеют место при движении грузовых автомобилей и автобусов, а минимальные - микролитражные легковые автомобили. 5. Результаты расчета показали, что превышение нормативных значений инфразвука возможно только на селитебных территориях, прилегающих к транспортному потоку со скоростями движения свыше 80 км/ч. 6. При увеличении длины автомобиля в 2 раза уровень внешнего инфразвука возрастает на 10 дБ, а при увеличении длины в 4 раза - на 22 дБ. 7. При изменении коэффициента лобового сопротивления от 0,26 до 1 уровень инфразвука возрастает на 35 дБ. С увеличением числа Струхаля уровень инфразвука возрастает. 8. При малых и средних скоростях движения автомобиля первая колесная гармоника проявляется, как правило, в инфразвуковом диапазоне спектра шума (ниже 20 Гц). 9. Расчетные исследования механизма возникновения внешнего инфразвука транспортного средства показали, что его частота и уровень зависят от скорости движения, коэффициента лобового сопротивления, длины и значения числа Струхаля.

About the authors

B. N Nyunin

Moscow Polytechnic University

Email: ecomami@mail.ru
Dr.Eng.

M. V Grafkina

Moscow Polytechnic University

Email: ecomami@mail.ru
Dr.Eng.

E. Yu Sviridova

Moscow Polytechnic University

Email: ecomami@mail.ru
Ph.D.

References

Supplementary files