Для снижения шума низких частот, а также при выбросе ряда агрессивных газов, например, в автомобильных двигателях внутреннего сгорания, целесообразнее использовать реактивные глушители шума. Одним из простейших и распространенных типов реактивных глушителей является одиночная расширительная камера (рис. 3-7,с).
Эффективность заглушения однокамерного глушителя в децибелах определяется [3] по формуле:
(3-8)
где т — степень расширения, равная отношению площади сечения камеры SK к площади сечения трубопровода STp; /к — длина камеры, м; k — 2nf/c — волновое число, м~‘.
Частотная характеристика однокамерного глушителя имеет вид ряда положительных полупериодов с максимальными значениями на частотах / = с (1 + 2n) / (4/к) и нулевыми значениями на частотах f = сп/(21к), где п = 0, 1, 2, 3, 4, .. . Таким образом, при увеличении длины камеры L частота первого максимума, на которой по длине камеры укладывается четверть длины звуковой волны, смещается в область более низких частот.
Рис. 3-7 Схемы камерных глушителей: а — однокамерный; б — двухкамерный с отверстием в разделительной перегородке, в — трехкамерный с внутренними смещенными соединительными трубками
Заглушение однокамерного глушителя увеличивается при возрастании степени расширения т. Так, при т= 9 заглушение на частоте максимума составляет около 13 дБ, а при т = 16 — около 18 дБ.
Неравномерность частотной характеристики и наличие полос пропускания являются типичными признаками реактивных глушителей всех видов. Поэтому реактивные глушители наиболее подходящи тогда, когда спектр заглушаемого шума имеет не сплошной, а дискретный характер.
Следует отметить, что приведенное выше выражение (3-8) для определения эффективности однокамерного глушителя справедливо лишь для плоских волн, т. е. в области частот, где поперечный размер камеры меньше половины длины звуковой волны. А это означает, что для трубопроводов сколько-нибудь значительного диаметра речь идет об очень низких частотах, которые могут находиться уже в области инфразвука. Кроме того, при выводе выражения (3-8) не учитывалось влияние вязкости среды, скорости потока в трубопроводе и наличие отраженных волн, так как трубопровод предполагается бесконечно протяженным. Таким образом, для энергоустановок с большими расходами и малыми допустимыми гидравлическими потерями в тракте использование реактивных глушителей камерного типа нецелесообразно ввиду значительных поперечных размеров трубопровода, а также из-за относительно высокого гидравлического сопротивления в этих глушителях на внезапные расширения и сужения.
Наибольшее применение реактивные глушители камерного типа нашли для заглушения шума в трактах поршневых компрессоров, которые имеют относительно небольшие диаметры. Причем, для увеличения заглушения часто используют не однокамерные, а многокамерные глушители. В этих глушителях отдельные камеры связаны между собой либо с помощью отверстий в разделительных перегородках, либо с помощью внутренних или внешних соединительных трубок (рис.3-7,б и в). Оси соединительных трубок часто смещают относительно друг друга для устранение «лучевого» распространения звука на высоких частотах, однако, при этом возрастает гидравлическое сопротивление.
Заглушение двухкамерного глушителя из двух одинаковых камер в 1,5—2 раза превышает значение эффективности однокамерного глушителя [21]. Наличие соединительной трубки также оказывает влияние на частотную характеристику заглушения Так, при внешней соединительной трубке полосы пропускания расширяются, а полосы поглощения сужаются. Наибольшие преимущества имеет конструкция с внутренней соединительной трубкой, так как, кроме увеличения заглушения, в таком глушителе при рационально выбранных размерах соединительной трубки можно добиться исчезновения полосы пропускания между двумя первыми максимумами. Например, для двух одинаковых камер ίκΐ = /κ2 относительная длина соединительной трубки составляет половину длины камеры
Кроме
того, глушитель с внутренней соединительной трубкой имеет меньшую общую длину, чем глушитель, выполненный с внешней трубкой.
Эффективность многокамерного глушителя, составленного из N одинаковых камер длиной 1К, соединенных внутренними трубками, определяется по приближенной формуле:
Выражение (3-9) получено с использованием теории четырехполюсников, где глушитель представляется в виде цепочки из одинаковых ячеек [9].
Представляет практический интерес описанный в работе [2] трехкамерный реактивный глушитель с передвижными перегородками с соединительными трубками для регулировки частотной характеристики глушителя. Передвижные перегородки позволяют настраивать глушитель по минимальному уровню шума на выходе из тракта, а затем перегородки фиксируются в найденном оптимальном положении. Такой глушитель особенно удобен при работе источника шума на разных режимах, так как при этом можно изменять частотную характеристику глушителя в соответствии с изменениями в спектре шума.
Передвижную перегородку удобно использовать для подстройки и в одно- и в многокамерном глушителях, так как расчетные формулы (3-8) и (3-9) соответствуют реальному заглушению лишь при точном выполнении всех ограничивающих условий, при которых они выведены, что весьма редко выполняется на практике.
Рис. 3-8. Схемы резонансных глушителей: а — резонатор Гельмгольна; б — однокамерный концентричный резонатор; в — система резонансных отростков
Кроме поршневых компрессоров, реактивные глушители могут использоваться и для энергоустановок на выбросе пара из предохранительных клапанов, так как здесь часто допустимы значительные гидравлические сопротивления, а диаметры трубопроводов не очень велики.
Другим распространенным типом реактивных глушителей являются резонансные, частотная характеристика которых имеет ряд узких полос заглушения вблизи собственных частот резонатора. Одиночный резонатор Гельмгольца (рис. 3-8, а) представляет собой полость, соединенную горлом (трубкой /) с газовоздуховодом. При возбуждении в резонаторе собственных колебаний звуковая энергия проходящей волны затрачивается на преодоление инерционности массы газа в горле и упругости газа в полости. Частота собственных колебаний резонатора Гельмгольца в герцах определяется выражением:
(3-10)
где с —скорость звука, м/с; V — объем резонатора, м3; Ко = =
—проводимость горла, м; S — площадь сечения горла, м2; /0 — длина горла, м; d0 — диаметр горла, м.
При выводе выражения (3-10) предполагается, что размеры резонатора меньше длины волны. Кроме того, выражение (3-10) не учитывает зависимости резонансной частоты от поперечных размеров газовоздуховода, которая обусловлена различной реакцией среды на резонатор в волноводе и в свободном пространстве П2].
Одиночный резонатор Гельмгольца редко используется в технике борьбы с шумом. Более часто используют концентричные резонаторы, которые образованы при помощи камеры, концентрично расположенной по отношению к трубопроводу и равномерно распределенных отверстий (рис. 3-8,6). Расчет эффективности концентричного резонаторного глушителя выполняется [3] по формуле
(3-11)
где V — объем резонансной камеры, м3 ; Stp — площадь поперечного сечения трубопровода, м2; fp — резонансная частота, определяемая по формуле (3-10), Гц; f — текущая частота, Гц; Ко — проводимость соединяющих отверстий. Проводимость отверстий определяется по формуле:
(3-12)
где do — диаметр соединительного отверстия, м; 10 — длина отверстия (толщина стенки трубопровода), м; п0 — количество отверстий; а — шаг отверстий, м; ty(d0/a)—функция Фока, учитывающая зависимость поправки на присоединенную массу отверстий от их взаимного расположения, приведенная ниже:
Эффективность резонансного глушителя на частоте /р не возрастает до бесконечности, а принимает некоторое конечное значение из-за влияния вязкости, которое не учитывалось при выводе формулы (3-11). Так же, как и выражение (3-10), выражение (3-11) справедливо лишь для плоских звуковых волн. При выборе элементов концентричного резонансного глушителя следует иметь в виду, что при неизменном параметре Ko/V и возрастании параметра -\/KoV резонансная частота не меняется, а полоса поглощения расширяется. Заглушение в резонансном концентричном глушителе уменьшается при возрастании поперечного сечения трубопровода.
Для увеличения затухания иногда используют многокамерный концентричный резонатор, составленный из одинаковых не очень длинных камер. При выборе параметров многокамерного концентричного резонаторного глушителя необходимо иметь в виду, что:
1) увеличение диаметра камер при неизменном параметре 
ведет к увеличению заглушения и расширению полосы поглощения; 2) увеличение проводимости при прочих неизменных параметрах ведет к возрастанию резонансной частоты и расширению первой полосы поглощения.
Другую группу резонансных глушителей представляют акустические фильтры в виде присоединенных к газовоздуховоду четвертьволновых резонансных отростков. В первом приближении, предполагая ширину волновода меньше длины волны, резонансные частоты одиночного отростка определяются в герцах по формуле:
(3-13)
где h — глубина отростка, м; с— скорость звука, м/с; п — 0, 1, 2, 3, ... — натуральный ряд чисел. Частотная характеристика заглушения резонансного отростка имеет вид острых пиков на резонансных частотах. Теоретически затухание на резонансных частотах должно достигать бесконечности, однако экспериментальные значения не превышают 40 дБ [3]. Кроме того, экспериментальные значения пиков поглощения соответствуют не четвертьволновой глубине отростков, как это следует из выражения (3-13), а несколько меньше.
Наиболее полное математическое решение задачи о поглощении звука в волноводе, имеющего на стенке резонансный отросток (канавку) для любого соотношения между длиной волны и шириной волновода получено А. Д. Лапиным [12].
Практически подстройка резонатора на заданную частоту может осуществляться при помощи передвигающегося дна резонатора.
Для снижения шума в газовоздуховодах целесообразнее использовать не одиночный резонатор, а систему резонаторов (рис. 3 8, в). Взаимное влияние резонаторов диаметром d, расположенных на расстоянии а друг от друга, приводит к расширению полос затухания, которое зависит также и от ширины волновода Ь. Исследование такой системы в предположении, что λ > 2πft, b >> d, a <C λ, λ ^ 2nh выполнено в работе [20]. Показано, что наиболее широкополосное затухание в таком глушителе обеспечивается при равных длинах и диаметрах системы отростков. Система одинаковых отростков имеет несколько полос затухания, причем ширина последующей меньше каждой из предыдущих. Для обеспечения снижения шума в широком диапазоне частот необходимо использовать несколько последовательных систем с отношением глубин отростков, равным отношению взаимно простых чисел. Уменьшение диаметра отростков при сохранении коэффициента перфорации ведет к сдвигу полосы заглушения к более высоким частотам.
Резонансные глушители могут использоваться в газовоздушных трактах энергооборудования для снижения шума дискретных составляющих в области частот, где ширина волновода меньше длины волны.
Для заглушения неизменной во времени интенсивной низкочастотной составляющей можно использовать интерференционный глушитель в виде ответвления от основного газовоздуховода [9]. Длина ответвления должна быть больше соответствующего участка прямого канала на половину Длины волны, заглушаемой тональной составляющей. Тогда звуковая волна, прошедшая через ответвление, приходит в противофазе по отношению к волне, прошедшей по прямому каналу, за счет чего и достигается эффект заглушения дискретной составляющей. Причем, должно соблюдаться условие D < λ/2, т. е. поперечные размеры канала не должны превышать половину длины волны заглушаемой составляющей.
Реактивный глушитель может быть выполнен и в виде сочетания различных типов рассмотренных глушителей. Так, в работе [19] описан глушитель диаметром 0,83 м и длиной 1,5 м, представляющий собой комбинацию камерного и двух резонансных глушителей.
Рис 3-9. Комбинированный глушитель
Экспериментально снятая характеристика этого глушителя имеет довольно существенные отличия от рассчитанной, что обусловлено трудностью выполнения в практической конструкции всех тех условий, для которых выведены формулы расчета реактивных глушителей. Поэтому формулы, приведенные в данном параграфе, можно рассматривать как первое приближение к реальной характеристике заглушения. Наиболее рациональным путем проектирования глушителей реактивного типа является использование расчетных формул для предварительного определения элементов глушителя и предусмотрение в конструкции регулируемых элементов для возможности точной настройки их на месте установки.
Кроме рассмотренных выше типов активных и реактивных глушителей, существуют еще и другие, например комбинированный глушитель, представляющий собой комбинацию активного и реактивного глушителей. Один из вариантов комбинированного глушителя (рис. 3-9) выполнен в виде камеры, внутренние поверхности которой облицованы звукопоглощающим материалом 1. Внутри камеры установлен экран 2, что ведет к увеличению площади облицованных поверхностей и устранению «лучевого» эффекта, но вызывает дополнительное увеличение гидравлического сопротивления. В области низких частот, где поперечные размеры меньше половины длины звуковой волны, действие комбинированного глушителя определяется реактивными процессами и его эффективность определяется по формуле (3-8). На более высоких частотах поле внутри камеры приобретает диффузный характер и эффективность облицованного однокамерного глушителя определяется выражением:
(3-14)
где α' — коэффициент звукопоглощения облицовки; 5ВН — площадь внутренних облицованных поверхностей, м2; SBbix— площадь выходного отверстия камеры, м2.
Эффективность многокамерных облицованных глушителей определяется выражением:
(3-15)
где п — количество камер, а'— коэффициент звукопоглощения облицовки в ί-й камере; SBH« — площадь облицованных поверхностей ΐ-й камеры, м2; SBUx — площадь выходного отверстия t-й камеры, м2. Недостатками камерных глушителей является повышенное гидравлическое сопротивление из-за внезапных изменений проходного сечения и большие габариты
При проектировании глушителей шума для энергооборудования конструктор должен выполнить целый ряд требований, основными из которых являются; 1) обеспечение наибольшего акустического эффекта при минимальных массе и габаритах глушителя; 2) обеспечение минимальных гидравлических потерь в глушителе; 3) простота конструкции и удобство монтажа; 4) долговечность и прочность конструкции; 5) простота обслуживания в процессе эксплуатации; 6) минимальные затраты на изготовление.
В конкретном проекте значимость каждого из перечисленных требований может изменяться. Из рассмотренных глушителей в наибольшей степени поставленным требованиям отвечают каналовые активные глушители и, особенно, пластинчатые, которые получили широкое распространение для снижения шума в газовоздушных трактах энергооборудования.
