Шум и вибрации ударного происхождения

В двигателях внутреннего сгорания, насосах и других механизмах с ли-нейным возвратным перемещением возникают периодические удары различ-ных элементов – например, поршня о втулку цилиндра, о головку шатуна, уда-ры клапанных механизмов и т.д. интенсивность возникающих вибраций опре-деляется величиной зазора (растет с его увеличением), а также величиной уско-рения, присущего соударяющимся деталям. Чем меньше продолжительность кратковременного удара, тем богаче спектр вызываемых ими вибраций. Рас-пространяясь по конструкции, вибрация вызывает интенсивные колебания тех элементов, собственные частоты колебаний которых совпадают с составляю-щими спектра ударной вибрации.

Центрами возбуждения являются зоны контакта деталей в момент их со-ударения. Из-за упругости материала столкнувшиеся детали продолжают дви-гаться навстречу друг другу со снижающейся скоростью. Поверхности сопри-косновения деформируются, увеличивается зона контакта, а следовательно, и сила давления деталей друг на друга. Под действием этой силы скорость сбли-жения деталей гаснет, а затем сила упругости заставляет детали разойтись. Время возрастания и убывания силы можно предположить одинаковым. Для металлических деталей это время τ имеет порядок 10-4 сек.

В первый момент столкновения деталей деформации и напряжения лока-лизуются в малом объеме материала, а большая часть механизма остается в не-возмущенном состоянии. Затем со скоростью звука возмущение распространя-ется по механизму.

Средняя сила Fс, действующая на детали с приведенной массой m, опре-делится

Для массы деталей 5 кг и колебательной скорости 1 м/с величина этой силы будет 105 Н. Таким образом, за крайне малый промежуток времени в ма-лой области соприкосновения деталей давление изменяется от больших (по-рядка тысяч атмосфер) до нуля. При этом энергия, затраченная на возбуждение колебаний , составляет малую долю от энергии соударения ( порядка 0,004%), но для слухового восприятия она достаточно велика ( например, при соударе-нии бильярдных шаров).

Величина звукового давления р находится из выражения

где F(t) - переменная гармоническая сила, приложенная к некоторой точ-ке конструкции;

k – коэффициент передачи (k = υ₂ / υ₁ );

S – площадь поверхности излучения;

r_s – коэффициент излучения, определяемый характером колебаний излу-чателя (r_s <1).

Z_м - механическое сопротивление (импеданс0 (Z_м= F(t) / v₁);

υ₁ – скорость колебания в точке приложения переменной силы (υ₁= ωξ);

ω - угловая частота периодической силы;

ξ –амплитуда колебаний в точке приложения переменной силы.

Акустическая мощность источника ударного шума может быть прибли-женно определена по формуле

W= ρ c υ₂² S r_s (2.3)

где υ₂ – скорость колебания точки, соприкасающейся со средой.

Таким образом, шумность механизма определяется величиной дейст-вующей переменной силы, механическим сопротивлением колеблющегося тела, коэффициентом передачи звуковых вибраций от места возникновения к месту звукоизлучения, величиной поверхности излучения и ее излучающей способно-стью.

Примерами причин возникновения ударного шума являются: удары шейки в шатунных подшипниках ДВС; соударения в сочленениях шатуна с поршнем (кольца с головкой шатуна); при перекладке поршня, иглы форсунки с корпусом распылителя в системах дожигания топлива и др. В зданиях – это ударный шум, обусловленный шагами проведение различных видов работ, в том числе, ремонтом.