RU2829838C1 - Шумопоглощающий экран энергетического отсека транспортного средства - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к транспортному машиностроению. Экран выполнен в виде оболочки, содержащей первый и второй напротив лежащие щиты, перегородки и периферийные стенки, соединённые c образованием разобщённых трубчатых акустических резонаторов, горла которых расположены на периферийных стенках оболочки. Упомянутые полости сформированы с образованием четвертьволновых, заглушенных с одной стороны, акустических резонаторов. При этом экран может содержать и полости, сформированные с образованием полуволновых, открытых с двух сторон, акустических резонаторов. Часть внутренней цилиндрической поверхности четвертьволновых резонаторов выполнена облицованной звукопоглощающей футеровкой, содержащей расположенный со стороны цилиндрической поверхности слой из пористого звукопоглощающего материала и расположенный со стороны полости слой из защитной звукопрозрачной плёнки. Достигается эффективное снижение акустического шума. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности транспортного машиностроения, а именно к шумоизолирующим экранам выгородок электрических двигателей / генераторов, или гидравлических двигателей, или двигателей внутреннего сгорания (ДВС), или каких-либо их совокупностей - иначе - к шумо подавляющим экранам, расположенным в отсеках, где установлены излучающие акустический шум энергетические агрегаты.

Из патента RU2640379, 6МПК B60R 13/08, B62D 25/12, публ. 28.12.2017, известен экран, расположенный в выгородке энергетического отсека транспортного средства, установленный со смещением к капоту выгородки и закреплённый неподвижно к её стенкам. Экран выполнен в виде фасонной оболочки, снабжённой сервисным вырезом аккумуляторной батареи, вентиляционным окном, первым и вторым парапетами, а также подвижно установленным клапаном / заслонкой. Где один из парапетов выполнен с возможностью ограждения аккумуляторной батареи от инфракрасного излучения теплогенерирующего оборудования энергетического отсека, а второй из парапетов, совместно с заслонкой, с возможностью перераспределения направления части потоков проходящего через выгородку воздуха в зависимости от температурных условий среды, окружающей транспортное средство.

Решение по патенту направлено, в первую очередь, на оптимизацию температурного режима в подкапотном пространстве энергетического отсека

и не имеет в своем составе средств / элементов, эффективно уменьшающих энергию звукового поля, формируемого размещённым в отсеке оборудованием.

Из патента RU2172853, публ. 27.08.2001, а также патента RU2209326, публ. 27.07.2003, 6МПК F02В 77/13, F02F 7/00, известны расположенные в энергетических отсеках транспортных средств, закрепляемые на корпусных деталях ДВС экраны, каждый из которых включает в себя жёсткую декоративную оболочку, сформированную из плотного полимерного материала, и звуко поглощающую футеровку, образованную фасонными, в плане, прокладками, сформированными из вязкоупругого вибро шумо демпфирующего материала и звукопоглощающими пористыми панелями или объёмными элементами сложной пространственной геометрической формы, расположенную со стороны ДВС (со стороны источника акустического шума).

Звукопоглощающие пористые панели или объёмные элементы могут быть выполнены:

- полимерными, открыто ячеистыми, сформированными, например из вспененного пенополиуретана,

- волокнистыми, цельноформованными, сформированными из волокнистого материала органического или искусственного происхождения, например, хлопкового или синтетического, армированного термопластичным волокном.

При этом прокладки выполнены расположенными между звукопоглощающими панелями и оболочкой, адгезивно связанными с оболочкой, а звукопоглощающие пористые панели или объёмные элементы прикреплёнными к оболочкам или посредством механических крепежных элементов, или посредством липкого клеевого слоя, или посредством термоадгезивного соединения сопрягаемых поверхностей оболочки и поверхности звукопоглощающей панели, или комбинацией указанных выше способов.

Из патента RU2327887, МПК F02B 77/13, публ. 27.06.2008, известен расположенный в энергетическом отсеке транспортного средства, закрепляемый на корпусных деталях ДВС экран, включающий в себя жёсткую декоративную оболочку, сформированную из плотного полимерного материала, и звуко поглощающую футеровку, образованную, по крайней мере, одной звукопоглощающей панелью, содержащей слой из пористого звукопоглощающего материала и слой из защитной звуко прозрачной плёнки, где звуко прозрачная плёнка выполнена расположенной со стороны ДВС (со стороны источника акустического шума), а слой пористого материала между звуко прозрачной плёнкой и оболочкой. Причем и плёнка, и слой пористого материала выполнены перфорированными - коэффициент перфорации k=S_пер/S_пан=0,02...0,06, где S_пер - суммарная площадь отверстий перфорации, м², S_пан - площадь поверхности панели, м².

Недостатком вышеописанных аналогов является весьма низкая звукопоглощающая способность в низкочастотной области звукового спектра ввиду того, что основным средством звукопоглощения является слой пористого звукопоглощающего материала. Как известно, эффективность большинства пористых звукопоглощающих материалов отмечается в частотном диапазоне от 1000 до 4000 Гц.

В качестве прототипа принято техническое решение по RU2756657, МПК B60R 13/08, G10K 11/16, F02B 77/13, публ. 04.10.2021, где представлен шумо поглощающий экран энергетического отсека транспортного средства, выполненный в виде несущей оболочки, включающей в себя первый и второй напротив лежащие щиты, перегородки и периферийные стенки, сформированные из плотного полимерного материала и соединённые c образованием разобщённых акустических полостей, снабжённой отверстиями, сфабрикованными в периферийных стенках оболочки, с распределением по одному отверстию на полость, посредством которых каждая из акустических полостей выполнена сообщающейся с окружающей экран средой. Где отверстия и полости экрана выполнены сформированными с образованием резонаторов*, а именно, горл и камер акустических резонаторов Гельмгольца. При этом каждая из резонаторных камер выполнена снабженной звукопоглощающей футеровкой, неподвижно закреплённой на ограниченном периметром камеры участке одного из щитов экрана, содержащей слой из пористого материала, расположенный со стороны несущего футеровку щита, и слой из защитной звуко прозрачной плёнки.

Прототип обеспечивает эффективное поглощение звука в широкополосном частотном диапазоне, включая диапазон низких и средних частот.

* Резонатор - колебательная система, в которой происходит накопление энергии колебаний за счёт резонанса с вынуждающей силой.

Из патента на полезную модель RU139581, МПК E01F 8/00, публ. 20.04.2014, известен шумопонижающий экран, включающий в себя выполненные из плотных материалов лицевую панель, снабжённую симультанно расположенными щелевыми отверстиями, и короб изменяемой, относительно лицевой панели и в соответствии с продольным направлением щелей, глубины, герметично соединённые с образованием совокупности виртуальных** резонаторов Гельмгольца щелевого типа.

** Виртуа́льность - воображаемые объект или состояние, которые реально не существуют, но возникают при определённых условиях.

При этом ширину и глубину (толщину лицевой панели) щелей, расстояние между внутренней поверхностью лицевой панели и напротив её лежащей внутренней поверхностью короба определяют исходя из диапазона частот, в котором необходимо обеспечить шумопоглощение.

Из патента на полезную модель RU73007, МПК E04С 2/36, E04В 1/82, публ. 10.05.2008, известна звукопоглощающая панель, включающая в себя перфорированную обшивку и многослойный складчатый заполнитель, сформированный из дистанцированно расположенных слоёв воздухопроницаемого зигзагообразного гофра. Где лицевая обшивка и складки гофра, а также перфорационные (в данном решении круглые) отверстия обшивки выполнены с образованием множества сообщающихся между собой резонаторных камер Гельмгольца переменной глубины (в цитируемом решении изменяемой в двух направлениях), любая из которых содержит не менее двух горл.

Решения по RU139581 и RU73007 обеспечивают повышение величин звукопоглощения на частотах больше или меньше резонансной при незначительном снижении звукопоглощения на резонансной частоте.

Из статьи «Характеристики поглощения резонатора Гельмгольца» (Работа посвящена исследованию поглощающих характеристик торцевого резонатора Гельмгольца в канале), А.И.Комкина, М.А. Миронова, опубликованной в разделе «РАДИОФИЗИКА, ЭЛЕКТРОНИКА, АКУСТИКА» журнала «Ученые записки физического факультета» 6, 146304 (2014), статья доступна на интернет ресурсе http://uzmu.phys.msu.ru/file/2014/6/146304.pdf, см. стр.2 интернет публикации, второй справа абзац, известно, «что чем больше глубина резонатора, тем большее значение коэффициента поглощения на резонансе ей соответствует. С уменьшением глубины резонатора не только уменьшается поглощение резонатора, но уменьшаются и диапазоны изменений действительной и мнимой частей коэффициента отражения. С уменьшением длины горла поглощение на резонансе увеличивается, откуда можно заключить, что основным фактором, определяющим поглощение в резонаторе, является потери в термо–вязком пограничном слое в полости резонатора. …увеличение длины горла резонатора приводит к уменьшению ширины резонансных кривых.»

Недостатками экранов по RU139581, RU2756657 (прототип) и панели по RU73007, при том, что габаритные размеры резонаторов Гельмгольца носят субволновой характер, являются их существенные габаритные размеры при необходимости подавления низких частот. Как известно, чем ниже рабочая частота резонатора, тем больший объем должна иметь его камера. Учитывая стесненность пространства энергетических отсеков современных легковых автомобилей, это обстоятельство является препятствием к широкому применению таких экранов в конструкции малотоннажных транспортных средств.

Задачей изобретения является улучшение функциональных свойств шумопоглощающего экрана энергетического отсека транспортного средства.

Задача решается в шумопоглощающем экране энергетического отсека транспортного средства, выполненном в виде несущей оболочки, включающей в себя, первый и второй напротив лежащие щиты, перегородки и периферийные стенки, сформированные из плотного полимерного материала и соединённые c образованием разобщённых акустических полостей, снабжённых отверстиями, сфабрикованными в периферийных стенках оболочки.

Технический результат достигается тем, что акустические полости выполнены трубчатыми, сформированными с образованием четвертьволновых акустических резонаторов, часть внутренней цилиндрической поверхности которых выполнена снабжённой (облицованной) звукопоглощающей футеровкой, содержащей расположенный со стороны образующей, слой из пористого звукопоглощающего материала и расположенный со стороны полости, слой из защитной звукопрозрачной плёнки.

Технический результат может также достигаться тем, что экран энергетического отсека выполнен дополнительно снабжённым открытыми с двух сторон трубчатыми акустическими полостями, сформированными с образованием полуволновых акустических резонаторов.

Концепция изобретения поясняется чертежами:

Фиг. 1, где схематично изображён фронтальный вид экрана со стороны отверстий (устьев / горл) четвертьволновых акустических резонаторов.

Фиг. 2, где схематично изображено медианное, относительно щитов, сечение экрана.

Фиг. 3, где схематично изображено продольное сечение одного из четвертьволновых акустических резонаторов экрана.

Изобретение может быть реализовано в ограждающем энергетический отсек экране, расположенном, например, под капотом (со смещением к капоту) транспортного средства, выполненном в виде несущей оболочки, включающей в себя первый 1, располагаемый со стороны источника шума (не показан), и второй 2, располагаемый со стороны капота (не показан), напротив лежащие щиты, симультанные, к продольной геометрической оси транспортного средства, перегородки 3, поперечные, к продольной геометрической оси транспортного средства, перегородки 4 и периферийные стенки (показаны графически), сформированные из плотного полимерного материала и соединённые c образованием разобщённых акустических полостей.

Экран, в иллюстрируемом примере, выполнен снабжённым девятью продольными 3 и восемью поперечными 4 перегородками, расположенными с образованием десяти трубчатых четвертьволновых акустических резонаторов R₁-R₁₀ и их горл 5, расположенных на одной из периферийных стенок (показано графически) экрана. Количество резонаторов и форма их поперечного сечения зависят от конструктивных особенностей транспортного средства, технологии изготовления экрана и спектра подавляемых экраном шумов.

Акустические резонаторы R₁-R₁₀ выполнены с длинами L₁-L₁₀, величины которых выбраны из условия подавления шумового излучения на дискретных частотах звукового спектра, обусловленных конструктивом транспортного средства и используемым в его составе энергетическим оборудованием.

Совершенно очевидно, что количество, геометрическая форма и размеры трубчатых акустических резонаторов могут отличаться от приведённых в иллюстрируемом примере.

Собственные резонансные частоты (f _R) четвертьволновых акустических резонаторов определяют с учетом их необходимой частотной настройки, обеспечивающей эффективное подавление звукового излучения на дискретных значениях рабочих доминирующих частот, излучаемых расположенным в энергетическом отсеке оборудованием. Это достигается соответствующим выбором геометрических длин L трубчатых частей четвертьволновых акустических резонаторов.

Из книги Helmut V.Fuchs. «Schallabsorber und Schalldämpfer», Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007 – 546 р., известно, что частота f и длина волны λ звуковых колебаний связаны со скоростью с распространения их в упругой (воздушной) среде следующим соотношением:

λ=c/f , м (1)

где λ – длина звуковой волны, м;

f – частота звуковых колебаний, Гц (с^-1);

c – скорость распространения звуковых волн (скорость звука), м/с;

В свою очередь, скорость распространения звуковых волн с в воздушной среде зависит от температуры t этой среды, и определяется согласно выражения:

, м/с (2)

где c – скорость распространения звуковых волн (скорость звука) в упругой среде (воздухе) при температуре воздуха t (°С), м/с;

t – температура воздуха в °С.

Таким образом, с учетом выражений (1) и (2), четверть длины (¼λ) звуковой волны, излучаемой в подкапотном пространстве транспортного средства (в пространстве энергетического отсека), помещающейся в габаритах тупиковой трубчатой акустической полости 6 любого из четвертьволновых акустических резонаторов, включая его горловую часть 5 с вязкоприсоединенным к ней динамическим удлинением акустического четвертьволнового резонатора может быть представлена в виде соотношений:

¼λ = f, м (3)

или

λ = f, м (4)

где f – доминирующая дискретная частота излучаемого шума в подкапотном пространстве транспортного средства, Гц.

Величина динамического удлинения четвертьволнового акустического резонатора, учитывающего присоединенную концевую колеблющуюся массу воздуха на открытом концевом срезе трубчатой акустической полости 6, находится в диапазоне - (0,1…0,3)d _пр, где d _пр - приведенный диаметр трубчатой части акустической полости, определяемый из выражения:

d _пр , м (5)

где π = 3,14;

S _т – площадь проходного сечения, в м², трубчатой части акустической полости 6.

Динамическая длина (L _d) акустического четвертьволнового резонатора, с учетом динамического удлинения, может быть представлена в виде:

L _d = L + (0,1…0,3)d _пр (6)

где L - геометрическая длина акустического четвертьволнового резонатора.

Тогда, геометрическая длина (L) акустического четвертьволнового резонатора может быть определена из известных геометрических и физических параметров согласно следующих выражений:

L = L _d - (0,1…0,3)d _пр = ¼λ - (0,1…0,3)d _пр, м (7)

L = f - (0,1…0,3)d _пр, м (8)

В окончательном виде, после преобразований:

L = f - (0,1…0,3)d _пр, м (9)

В упрощенном виде, при незначительных (менее 7 см) приведенных диаметрах d _пр горловой части акустического четвертьволнового резонатора, геометрическую длину L можно определить по формуле (10):

L = f, м (10)

Соответственно, собственная резонансная частота f _R четвертьволнового акустического резонатора определяется по выражению (11):

f _R = /L Гц (11)

При ориентировочных габаритных размерах (ширина*длина) подкапотного пространства автомобилей класса В, равных 0,7*0,7 м и установившейся в подкапотном отсеке температуре воздуха t = 50°C, возможная низшая собственная резонансная частота f _R четвертьволнового акустического резонатора в составе шумопоглощающего экрана ДВС транспортного средства составит:

f _R = /0,7 = 129 Гц

Для возможности производить поглощение шума на частоте 129 Гц при конструктивном исполнении шумопоглощающего экрана - прототипа, где экран содержит камерные резонаторные элементы, объем камеры должен составить:

V_к = (()/2 π) ² К_р/(f _R)² (12)

где K_p - проводимость входного отверстия конкретной резонаторной камеры, (м), где

, где (13)

S _g - площадь проходного сечения входного отверстия конкретной резонаторной камеры, м²;

L _R - динамическая толщина входного отверстия конкретной резонаторной камеры, м, где

, где (14)

h _g - геометрическая (габаритная) толщина входного отверстия (входного канала) конкретной резонаторной камеры (толщина периферийной стенки, в которой сформировано входное отверстие резонаторной камеры, в районе формирования указанного отверстия), м;

Приняв диаметр проходного сечения входного отверстия резонаторной камеры, равным 5 см (0,05 м), а геометрическую толщину входного отверстия h _g, равной нулю, определим необходимый объем резонаторной камеры V_к:

V_к = ((57,5)²·0,056)/(129)² = 0,011 м³ (или – 11 л).

Т.е. для поглощения шумового излучения на частоте 129 Гц шумопоглощающие экраны, при их площади, соответствующей габаритным размерам подкапотного пространства автомобилей класса В, сформированные с применением двух и более резонаторов Гельмгольца, должны обладать существенной толщиной акустических (резонаторных) камер, в то время как толщина экрана, сформированного с применением четвертьволновых акустических (резонаторных) камер может быть ограничена 7 см при длине трубчатой части акустической полости 70 см.

Геометрические параметры резонаторов, количество резонаторов и их расположение между щитами экрана, определяют поглощающую способность экрана для низких и среднечастотных составляющих спектра акустического шума.

Для обеспечения поглощающей способности экрана для высокочастотных составляющих спектра акустического шума часть внутренней цилиндрической поверхности четвертьволновых акустических резонаторов выполнена снабжённой звукопоглощающей футеровкой, содержащей расположенный со стороны образующей слой из пористого звукопоглощающего материала 6 и расположенный со стороны полости слой из защитной звукопрозрачной плёнки 7.

Звукопоглощающая футеровка может также быть выполнена, и этот вариант является предпочтительным, перфорированной (содержащей каналы, пронизывающие и слой из пористого звукопоглощающего материала 6, и слой из защитной звуко прозрачной плёнки 7. Пространственное расположение экрана в выгородке энергоотсека (не показана) определяет и участок поверхности четвертьволнового резонатора, который будет использован в качестве носителя звукопоглощающей футеровки. Например, при расположении экрана в, преимущественно, горизонтальной плоскости предпочтительным носителем футеровки будет верхняя, в пространственном отношении, часть поверхности четвертьволнового резонатора (на чертежах Фиг. 1 и 3 – участки верхнего щита оболочки).

Для гашения акустических волн, длина которых в два раза больше продольного либо поперечного размера экрана, последний может быть выполнен дополнительно снабжённым открытыми с двух сторон трубчатыми акустическими полостями (не показаны), сформированными с образованием полуволновых акустических резонаторов, горла которых расположены на оппозитно расположенных периферийных стенках формирующей экран оболочки. При этом открытая с двух сторон труба, настроенная на половину длины волны, будет иметь более высокую резонансную частоту, в сравнении с закрытой трубой при их равных длинах, что, в ряде случаев, может обеспечить подавление более высоких (по сравнению с частотами, подавляемыми четвертьволновыми резонаторами) частот без использования звукопоглощающей футеровки.

Для обеспечения возможности установки шумопоглощающего экрана в энергетическом отсеке, экран выполнен снабжённым известными из уровня техники вибро поглощающими монтажными элементами 8 (в простейшем случае, например, эластичными втулками - показаны условно). Крепление экрана в отсеке может быть выполнено посредством сопряжения монтажных элементов 8 экрана с соответственно расположенными в отсеке крепежными элементами (например, шпильками – не показаны), предварительно интегрированными или со стенками выгородки энергетического отсека, или с расположенным в выгородке виброзвукоизлучающим оборудованием.

Функционирование четвертьволновых, полуволновых акустических резонаторов, как технических устройств ослабления (подавления, заглушения) акустической энергии в заданных узких частотных диапазонах звукового спектра, определяется (характеризуется) соответствующими дискретными значениями их собственных (резонансных) частот колебаний f _R и параметрическими характеристиками добротности (определяемой шириной резонансных характеристик амплитудных откликов, сформированных частотной областью звукового спектра относительно дискретного значения собственной (резонансной) частоты колебаний f _R) используемых акустических резонаторов. Параметр добротность равен отношению значения собственной (резонансной) частоты колебаний f _R четвертьволнового акустического резонатора R ^I к ширине прилегающей к ней частотной полосы Δf _R, на границах которой акустическая энергия при вынужденных резонансных колебаниях вдвое (на 3 дБ) меньше акустической энергии на резонансной частоте f _R. Характеристика добротности четверть- или полуволнового акустического резонатора определяется (формируется) реализуемой в нем величиной внутренних диссипативных потерь, возникающих как непосредственно в составных структурах (элементах) четвертьволнового акустического резонатора, так и внешними энергетическими потерями, непосредственно связанными с процессом излучения звука в окружающую среду, на который также расходуется колебательная энергия акустического резонатора. Функционирование, с частотной настройкой на собственную (резонансную) частоту колебаний f _R четвертьволновых акустических резонаторов, базируется на соответствующем волновом (длина волны λ, фаза волны φ) динамическом взаимодействии амплитуд падающих звуковых волн на звукоотражающее препятствие, каковым является донная часть резонатора, представленная поперечной перегородкой 4, и отраженных от него звуковых волн, с возникающим эффектом интерференционного (фазо-амплитудного) компенсационного подавления энергии распространяемых в упругой (воздушной) среде звуковых волн заданного частотного диапазона, совпадающего (близких по значениям) с собственными (резонансными) частотами f _R четвертьволновых акустических резонаторов.

Функционирование, с частотной настройкой на собственную (резонансную) частоту колебаний f _R полуволновых акустических резонаторов, базируется на синфазном попадании (вхождении) и последующем соответствующем волноводном распространении звуковых волн, распространяемых в энергетическом отсеке транспортного средства, совпадающих (близких по значениям) с собственными (резонансными) частотами полуволновых акустических резонаторов в обе открытые горловые части полуволнового акустического резонатора. В срединной зоне трубчатой части полуволнового акустического резонатора при встречном распространении импульсов звуковых давлений навстречу друг другу по обоим составным четвертьволновым участкам трубчатой части происходит их встречное взаимнопроникающее энергетическое демпфирование. В это же время, в зоне открытых горловых частей полуволнового акустического резонатора реализуется противофазная энергетическая компенсация полей давлений падающих (входящих) и выходящих из горловых частей звуковых волн.

Применение в составе экрана ДВС комбинации технических устройств шумоподавления в виде пористого звукопоглощающего материала и четвертьволновых акустических резонаторов обеспечивает эффект снижения шума в широкополосном частотном диапазоне, включая диапазон низких и средних частот 200…800 Гц.

Совершенно очевидно, что заявляемый экран может быть выполнен или в виде отдельного узла, упруго закреплённого в выгородке энергетического отсека, или в виде составной части кожуха, огораживающего энергетическое оборудование, или в виде составной части какой-либо из панелей / оболочек, формирующих собой огораживающий энергетическое оборудование кожух, или в виде составной части капота выгородки.

Изобретение обеспечивает создание шумопоглощающих экранов энергетических отсеков транспортного средства, применение которых обеспечивает эффективное снижение акустического шума, излучаемого во внешнюю среду расположенным в энергетическом отсеке оборудованием.

Claims (2)

1. Шумопоглощающий экран энергетического отсека транспортного средства, выполненный в виде несущей оболочки, включающей в себя первый и второй напротив лежащие щиты, перегородки и периферийные стенки, сформированные из плотного полимерного материала и соединённые c образованием разобщённых акустических полостей, снабжённых отверстиями, сфабрикованными в периферийных стенках оболочки, отличающийся тем, что акустические полости выполнены трубчатыми, сформированными с образованием четвертьволновых акустических резонаторов, часть внутренней цилиндрической поверхности которых выполнена облицованной звукопоглощающей футеровкой, содержащей расположенный со стороны цилиндрической поверхности слой из пористого звукопоглощающего материала и расположенный со стороны полости слой из защитной звукопрозрачной плёнки.

2. Шумопоглощающий экран по п.1, отличающийся тем, что выполнен дополнительно снабжённым открытыми с двух сторон трубчатыми акустическими полостями, сформированными с образованием полуволновых акустических резонаторов.