Заглушенные камеры для анализа шума

Если измерения уровней шума можно производить как в свободном поле, так и в реверберационном и полуреверберационном поле, то анализ шума можно производить только в условиях свободного поля. Так как измерения с целью анализа шума электрических машин и трансформаторов не могут быть выполнены ни в цехах, ни на открытом воздухе из-за атмосферных условий и отсутствия источников питания, то для анализа шума используются специально оборудованные соответствующим образом помещения, которые заглушают внешние шумы и устраняют внутренние отражения, чтобы распространение звуковых волн протекало в условиях, аналогичных свободному полю. Такие помещения называются заглушенными камерами.
Следовательно, в основу оборудования этих помещений положена идея создания для измерений условий свободного поля или приближенных к свободному полю. Заглушенные камеры, предназначенные для изучения шума, по своим акустическим характеристикам должны отвечать следующим главным требованиям:
пол, стены и потолок помещения должны быть надежно изолированы как от внешних виброакустических источников, так и от внутренних (вспомогательные приводы, нагрузочные машины);
обивка внутренних поверхностей должна быть выполнена из материалов с большим коэффициентом звукопоглощения, а конструкция должна свести до минимума возможность отражения звуковых волн;
электромагнитные помехи должны быть устранены с тем, чтобы создать нормальные условия работы высокочувствительной аппаратуры, используемой при измерениях.
От осуществлений этих условий зависят акустические характеристики помещения в определенном диапазоне частот и определенной области акустических уровней.
Ниже будут рассмотрены методы осуществления этих условий и показаны некоторые характерные заглушенные камеры.
Изоляция от виброакустических колебаний производится для колебаний, произведенных как внешними, так и внутренними источниками. Поэтому для защиты фундаментов конструкций от колебаний, распространяющихся через землю, необходимо учитывать следующее:
глубина залегания фундамента должна быть выше максимального уровня подпочвенных вод;
фундамент следует закладывать в слоях сухой пористой земли;
глубина заложения фундамента здания должна быть выше или ниже слоя, на который опираются основания установок, могущих произвести колебания;
боковые поверхности -фундаментов должны быть изолированы от земли эластичными материалами, обладающими свойствами амортизации колебаний (стекловата, шлак и т. п.).
Изоляция от вибраций может быть пассивной, когда фундамент защищается от внешних колебаний, или активной, когда ее назначение — амортизация колебаний, произведенных установками в защищаемом помещении.
Эффективность активной виброизоляции определяется коэффициентом передачи. При активной виброизоляции коэффициент передачи Спер зависит от массы установки. Удовлетворительная виброизоляция получается, если у>4.
Для пассивной виброизоляции коэффициент передачи Спер определяется отношением амплитуды вертикальных колебаний X центра тяжести изолирующей установки к амплитуде Хв вертикальных колебаний опоры. Эти две амплитуды, называемые также и статическими прогибами.
В этом случае отношение частоты вынужденных колебаний к частоте собственных колебаний выбирается в функции допустимого коэффициента передачи. Как и в случае активной изоляции, пассивная изоляция должна удовлетворять условию у>4.
В этой камере были установлены на расстоянии 30 см от стены, перпендикулярно К ней звукопоглощающие полосы толщиной 2,5 ом и шириной 210 см. Между ними установлены полосы шириной 1120 см Общая толщина звукопоглощающей -обивки 240 см. Характеристики такого помещения  начиная  от 40 Гц.

Рис. 2. Схема размещения удлиненных клиньев в группе.

Рис. 1. Схема размещения на стенах звукопоглощающих клиньев.
Экспериментальными исследованиями установлено, что с точки зрения акустических характеристик и простоты технологии выполнения предпочтительной является изоляция со звукопоглощающими клиньями. В качестве материалов для клиньев в США используется специальный пористый материал из стекловаты с плотность 40 кг/м3. На рис. 1  — акустические характеристики большого клина. Как видно из кривой, для звуков с частотами выше 100 Гц поглощается свыше 99%  падающей акустической энергии, а для частот между 50 и 100 Гц —от 93 до 99%.
Для получения большего поглощения соседние клинья развернуты на угол 90° вокруг продольной оси, как показано на рис. 1. В настоящее время широко применяются рамы с насаженными на них клиньями (рис. 2).
В эксплуатации заглушенных камер, обитых неогнеупорными материалами, необходимо принимать меры по обеспечению пожарной безопасности. С целью уменьшения пожароопасности все горючие материалы должны быть пропитаны водным раствором сульфата аммония и фосфата аммония Для получения раствора тследует на 100 частей мягкой воды взять 4 части сульфата аммония и 6 частей фосфата аммония. Раствор можно приготовить в любой деревянной, стеклянной или цинковой посуде, в теплой воде. Перед использованием раствор необходимо охладить до температуры камеры, дать отстояться и перелить в другой сосуд.
Перед пропиткой ткань или легко воспламеняющийся материал замачивают в теплой воде и выжимают, затем ткань в развернутом виде, а вату разрыхленную помещают в приготовленный раствор на 15—20 мин, после чего слегка выжимают и сушат при температуре не выше 15—20 °С.
Испытания машин и трансформаторов сопровождаются выделением тепла, звукопоглощающие материалы являются одновременно и хорошими теплоизоляторами, поэтому требуется удалять тепло при помощи вентиляции. В этом случае необходимо принять меры для предотвращения проникновения в помещение шума от вентиляционной установки или извне.
Вентиляционную установку располагают в отдельном помещении, изолированном от заглушенной камеры. Соединение каркаса вентилятора с воздухопроводом должно быть выполнено гибким рукавом из брезента или прорезиненной ткани.
Уменьшение уровня звука, передающегося через воздухопроводы, достигается путем обивки внутренних стен помещения и воздухопровода и устройства специального амортизатора. Ослабление шума в вентиляционных каналах благодаря обивке их внутренних стенок можно приближенно определить при помощи формулы

где D — ослабление уровня шума, дБ; а — коэффициент акустического поглощения стенок воздухопровода; I, р и S — длина, периметр и площадь сечения соответствующей секции воздухопровода.
Эта формула показывает, как и какие параметры следует изменять, конечно в разумных пределах, чтобы получить наибольшее ослабление шума. При обивке воздухопроводов необходимо учитывать, что в вентиляционном шуме преобладают низкочастотные составляющие
Скорость воздуха в воздухопроводе не должна превышать 3—4 м/с, а на выходе 1 —1,5 м/с, так как могут образоваться вихри, которые являются источником шума.
Если длина воздухопровода недостаточна для ослабления шума, то используются специальные глушители шума.
Практическое приложение изложенных выше положений иллюстрируется заглушенными камерами, сконструированными известными фирмами. Описанные камеры предназначены как для исследования шума электрических машин и трансформаторов, так и для других областей акустики. Заглушенные камеры для исследования шума вращающихся электрических машин малых размеров начали строить после 1904 г. В последнее время строят в основном большие камеры для изучения шума трансформаторов.
В настоящее время построены заглушенные камеры, в которых можно исследовать шум трансформаторов мощностью до 500 МВт и массой до 400 т. Эти заглушенные камеры содействовали в большой степени проверке гипотез относительно шума трансформаторов и методов его акустического моделирования. В этих камерах также изучались вопросы ослабления шума путем устройства ограждений, звукопоглощающих каркасов и путем компенсации звуков.

Рис. 3. Схематический план акустической лаборатории фирмы General Electric.
Кроме акустических измерений, в заглушенных камерах производятся также измерения радиопомех, излучаемых машинами и трансформаторами, а в некоторых камерах производятся тепловые измерения.
Одна из заглушенных камер фирмы General Electric и одна из камер фирмы Westinghouse до сих пор не превзойдены как по размерам, так и по их акустическим характеристикам.
На рис. 3  показан план здания акустической лаборатории фирмы General Electric. В здании размещены заглушенная камера, комната для аппаратуры, помещение для источников питания и коридор.
Внутренние размеры заглушенной камеры: в плане 18X15 м, высота 13 м; размеры двери: ширина 9,15 м и высота 11,3 м. Камера представляет собой железобетонную конструкцию с двойными стенами. Между внешней стеной, толщина которой 30,5 см, и внутренней стеной толщиной в 20,5 см имеется пористый слой 5,1 см. Пол и потолок выполнены из железобетонных плит толщиной 15,3 см.

Рис. 4. Общий вид заглушенной камеры фирмы Westinghouse.
Экранировка от электромагнитных волн выполнена медными листами толщиной 0,76 мм. Звукопоглощающая обивка стен, пола и потолка представляет собой клинья с размерами базы 70X70 см и высотой 71 см, насаженные в шахматном порядке па конструкции. На рис. 3-33 показан внутренний вид этой камеры, в которой находится трансформатор с целью измерения и анализа шума. Клинья прикреплены к решетке из деревянных брусьев 152 мм, обеспечивающей воздушный зазор между обивкой бетонных стен.
Дверь плавающая, с двумя створками, толщиной 102 см и массой 30 т. Уплотнение осуществляется при помощи резинового шланга с сжатым воздухом. Дверь 98 металлическая с рамой из U-образных балок, облицованной с обеих сторон стальным листом толщиной 6,4 мм и внутри заполненной слоем песка и слоем стекловаты со стороны помещения. Окно между камерой и аппаратной комнатой, предназначенной для наблюдений, имеет две деревянные рамы: первая в наружной стене (305 мм) с двумя стеклами толщиной 12,7 и 9,5 мм, расположенными параллельно с промежутком 200 мм между ними; вторая рама во внутренней стене (205 мм) имеет одно стекло толщиной 7,9 мм.

Рис. 5. Изменение акустического уровня с расстоянием от источника.
Рабочий пол в заглушенной камере представляет собой решетку с ячейками 50x50 мм, подвешенную на расстоянии 250 мм от вершин звукопоглощающих клиньев.
Диаметр троса, образующего решетку, равен 2,5 мм.
В камере отсутствуют подъемные установки, так как трансформаторы устанавливаются в сборочном цехе на специальные тележки и транспортируются по рельсам в камеру. Жесткая конструкция каркаса тележки рассчитана таким образом, что собственная частота ее намного ниже основной частоты вынужденных колебаний трансформатора, равной удвоенной частоте сети.
Акустические свойства этой заглушенной камеры очень хорошие. Общий уровень шумового фона равен 19 дБ. Подтверждением хорошего приближения к условиям свободного поля является совпадение между законом уменьшения интенсивности звука с квадратом расстояния от акустического источника и экспериментальными результатами, представленными на рис 5.
Для уменьшения отражения во время измерения акустической энергии от рельсов их свободная часть покрывается переносными поглощателями в виде клиньев.
Ослабление двери равно 51 дБ при 120 Гц и более 1 дБ при частотах выше 600 Гц.

Ослабление наблюдательного окна равно 52 дБ при 120 Гц, 58 дБ — при 200—500 Гц и выше 70 дБ при частотах более 1 500 Гц.
В свою очередь фирма Westinghouse недавно построила в Сароне (США) другую заглушенную камеру. Размеры камеры в плане 19X14,5 м, высота 15 м. Внешние стены выполнены из железобетона толщиной 30,5 см. Внутренние стены деревянные и не имеют жестких связей с внешними. Внутренняя обивка выполнена клиньями. Толщина стен вместе с клиньями равна 1,525 м.
В отличие от заглушенной камеры фирмы General Electric, описанной выше, в этой камере пол не покрыт звукопоглощающими материалами, чтобы приблизить условия при испытании к условиям, в которых работает трансформатор.
Главная дверь камеры конструктивно выполнена так же, как и стены. Ее размеры 10,4X13,1 м, масса 150 т. Дверь уплотнена звукопоглощающими материалами и резиновым шлангом с сжатым воздухом.
Ослабление главной двери 60 дБ, а уровень шума в камере не превосходит 30 дБ, несмотря на то, что камера находится в монтажном цехе трансформаторов, где уровень шума достигает временами 90 дБ.
Рядом с камерой находится зал с аппаратурой. Между двумя помещениями имеются два окна и одна дверь. Окна имеют по три стекла, среднее из которых установлено под углом к другим. Дверь двойная, одна открывается в заглушенную камеру, другая в зал для аппаратуры. Кроме того, нельзя не сказать о ряде других заглушенных камер, как, например, камерах Гарвардского университета (США) и Высшей технической школы в Берлине, в которых были выполнены самые полные исследования для осуществления звукопоглощающей обивки. В результате этих исследований был обоснован способ обивки звукопоглощающими клиньями, который в настоящее время используется в большинстве конструкций заглушенных камер.
Заглушенная камера Гарвардского университета выполнена в виде отдельного здания с бетонными стенами толщиной 30,5 см, с бетонным фундаментом глубиной 1 см. Фундамент здания отделен по всему периметру от грунта слоем шлака в 1,2 м. Внутренние размеры помещения 11,6X15,3X11,6 м. Для предотвращения запогобления стен вся внутренняя поверхность камеры покрыта пробочными плитами толщиной 25 см.

Звукопоглощающая обивка всех поверхностей камеры выполнена клиньями, установленными на переносной деревянной конструкции таким образом, чтобы между основаниями клиньев и стенами оставался зазор в 273 мм. Этот зазор во избежание возникновения стоячих волн поделен на ячейки 400X400 мм листами из целлотекса.   Клинья выполнены из стекловолокна с плотностью 40 кг/м3. В основании имеются две пластины из стекловолокна с плотностью 56 кг/м3 и деревянная рамка, при помощи которой клин крепится к каркасу. Снаружи клинья покрыты тонкой хлопчатобумажной тканью. Для обеспечения лучшего поглощения вершины рядом расположенных клиньев повернуты на угол 90° относительно друг друга (рис. 1). Для обивки всех поверхностей использовано более 19 000 клиньев. С учетом общей толщины обивки, включая воздушный промежуток, внутренние размеры заглушенной камеры равны 8,8x12,5x8,8 м.
Для размещения персонала лаборатории предусмотрена проволочная сетка шириной 1,2 м, подвешенная па высоте 3,7 м от бетонного пола камеры. Для транспортировки аппаратуры или тяжелых испытуемых объектов камера оборудована монорельсом.
Контрольные испытания показали, что условия свободного поля в помещении выполняются для частот от 70 до 10 000 Гц с отклонениями от закона распространения в функции расстояния от источника, указанными и табл. 1.
Таблица 1

Заглушенная камера берлинской Высшей технической школы построена в виде отдельного здания с внутренними размерами в плане 11X16 м и высотой 9 м. Внутренние поверхности наклонены для увеличения степени поглощения стен. В этой камере впервые использовались в качестве звукопоглощающих элементов клинья сложной конфигурации в виде тетраэдра на кубе. Каркас этих клиньев выполнен из тонких деревянных планок, обтянутых тонкой тканью. Пирамиды заполнены волокном из шлаковой ваты, коэффициент поглощения которой выше, чем у стекловаты.
Обивка стен, потолка и пола потребовала 32 000 пирамид, для изготовления которых было израсходовано 64 т шлаковаты и 18 000 м2 ткани. Размеры пирамиды: база 15X15 см, высота 15 + 85 см. Для изготовления пирамид потребовался труд 11 рабочих в течение 4,5 мес. После обивки внутренние размеры помещения уменьшились до 9X14X7 м. В качестве пола служит подвешенная сеть из тонких стальных тросов с ячейкой 25X Х25 см, на которую при необходимости можно положить переходные трапы.

Рис. 6. Заглушенная камера для электрических машин фирмы Metropolitan Vickers.
Особое внимание было уделено конструкции двери. Была выбрана дверь прислоненного типа, смонтированная на тележке, перемещающейся по рельсам. Звукопоглощающая обивка такая же, как и стен.

Рис. 7. Акустическая лаборатория для электрических машин фирмы Metropolitan Vickers.
Вентиляция камеры осуществляется через два капала, стенки которых также покрыты звукопоглощающей обивкой.
Исследованиями было установлено, что по всей длине камеры условия свободного поля выполняются с отклонением 2—3 дБ при частоте 60 Гц, 2 дБ при 75 Гц, 3 дБ при 120 Гц и 1 дБ при 200—300 Гц.
Не вдаваясь в детали, в порядке помощи проектантам приводятся некоторые эскизы заглушенных камер. Так, на рис. 6  и 7  представлены эскизы двух заглушенных камер фирмы Metropolitan Vickers, а на рис  8 и  9 — Московской лаборатории исследования шума электрических машин.
Не лишена интереса и лаборатория акустических исследований фирмы Brown Boveri, которая, несмотря на то, что в ней можно испытывать объекты до 10 т и с объемом 8X8X7 м, располагает всеми возможностями для изучения шума электрических машин и трансформаторов с ослаблением внешнего шума до 80 дБ.

Рис. 8. Заглушенная камера лаборатории исследования шума (Москва).


Рис. 9. Новая лаборатория (Москва)

Рис. 10. Заглушенная камера ICPE (Бухарест).
/ — фундамент; 2 — армированная пробка; 3— пробка Аско; 4 — фундамент плавающий; 5 — здание из бетонных блоков; 6 — железобетонное перекрытие; 7 распорные бруски; 8, 10— минеральная вага; 9 — деревянная дверь; 11— нижняя платформа; 12 — приводной вал.
На рис. 10  дан эскиз заглушенной камеры ICPE— Бухарест, используемой для измерения шума малых машин.

Рис. 11. Выверка передачи акустической энергии в зависимости от наклона стен.

Недавно была сдана в эксплуатацию на электромоторном заводе в г. Пигешть   заглушенная камера со значительно улучшенными акустическими характеристиками и с соответствующей аппаратурой для изучения шума электрических двигателей мощностью до 10 кВт.
Малые камеры для акустических испытаний. При больших сериях машин нет возможности  производить контрольные испытания в заглушенных камерах, в этом случае предпочитают сравнительные испытания на месте производства.
Произведенные некоторыми институтами  эксперименты показали, что можно производить акустические измерения с достаточно высокой точностью в камере с малыми размерами, имеющей специальную конструкцию. Принцип устройства этих камер показан на рис. 11.

Рис. 12. Изменение акустического уровня в поперечном сечении камеры, изображенной на рис. 11.
X — положение микрофона.
В таких камерах акустическая энергия почти полностью рассеивается звукопоглощающей стеной, если угол наклона стен имеет значение а= 10°.

Рис. 13. Эскиз малой камеры для акустических измерений.
На рис. 12 показаны акустические уровни IB функции частоты для различных точек камеры, изображенной на рис. 11. На основании экспериментальных результатов можно сконструировать малые камеры для акустических испытаний, эскиз которых показан на рис. 13. Такое помещение, установленное в цехе, где уровень окружающего шума изменяется во времени, должно обеспечить внутри постоянный акустический уровень и одновременно полное поглощение звукопоглощающей стеной, расположенной сверху, шума, произведенного испытываемым объектом.
Для изоляции от окружающего шума внешние стены должны быть покрыты одним или не-
сколькими слоями листового железа и иметь акустические отражатели, а внутри оборудованы звукопоглощающими материалами.

Рис. 14. Детали для стен камеры, изображенной на рис. 13.
На рис. 14 даны элементы, составляющие стены такой камеры. Звукопоглощающий потолок сделан по типу показанному на рис. 1 или 2, т. е. установлены звукопоглощающие клинья описанных выше типов. Малые испытательные камеры можно строить желаемых размеров в соответствии с испытуемыми объектами.

Рис. 16. Эскиз звукоизолированной камеры с лентой транспортера, предназначенной для испытания партий машин.
Необходимо только, чтобы расстояние  от  машины до стен и до микрофона было не меньше диаметра машины. Если система вентиляции машин вызывает затруднения при контроле, то могут быть выполнены пути отвода воздуха через акустически изолированные воздуховоды, не возбуждающие дополнительных аэродинамических шумов.

Рис. 15. Пример расположения воздухопроводов для циркуляции воздуха вентиляции.
Эти воздуховоды должны быть выполнены таким образом, чтобы никакая акустическая волна не могла прямо проникнуть внутрь (рис. 15). Ролики ленточных транспортеров, которые могут находиться в камере, должны быть прорезиненными (рис. 16). Двери для ввода машин не требуют какой-либо специальной конструкции по сравнению с конструкцией стен. Требуется только, чтобы места стыкования были ступенчатыми и оснащены упругими прокладками. Такая камера для выборочного контроля шума была построена на заводе Electroprecizie Sacele — Brasov.