Analiza zgomotelor - bazele teoretice ale analizei zgomotelor, aspecte privind zgomotul produs de motoarele cu ardere interna

Bazele teoretice ale analizei zgomotelor

Mediile continue, gazele, lichidele si solidele elastice, sunt formate din sisteme de particule molecule, atomi sau ioni, legate intre ele si care interactioneaza reciproc. O particula sau un sistem de particule se considera ca este in miscare de vibratie cand efectueaza oscilatii relativ mici in jurul unei pozitii locale de echilibru. Daca una dintre particule oscileaza vor oscila si particulele alaturate. Oscilatia se va propaga in mediul continuu de la particula la particula sub forma de unde, numite unde elastice. Daca mediul din care este alcatuita structura este cvazielastic si daca cel putin una din dimensiunile sale geometrice este suficient de mare pentru ca perturbatia sa sa poata fi considerata locala, atunci se poate vorbi de excitarea, propagarea si radiatia unei unde elastice.

Forma undei este determinata de forma perturbatiei originale, respectiv sursa undei. Influenta formei si a dimensiunii sursei asupra formei undei, este foarte puternica in imediata vecinatate a sursei si devine mai mica, odata cu indepartarea de sursa. La o distanta suficient de mare sursa poate fi considerata punctiforma. In realitate are loc suprapunerea mai multor asemenea miscari de oscilatie cu amplitudini si frecvente de valori diferite. Acestea pot fi evidentiate intr-o forma integrala de catre spectrul lor de frecvente.

Vibratiile si undele elastice ale caror spectre de frecvente sunt cuprinse intre 15 Hz si 16000 Hz, domeniu in care este sensibila urechea omului, se numesc unde acustice. Astfel in acustica sunt studiate perturbatiile datorita vibratiilor mecanice ale unui corp intr-un mediu elastic, care se afla in acest domeniu de frecvente. Aceste perturbatii constituie campul acustic. Propagarea undelor acustice se face numai intr-un mediu substantial. Ele nu se pot propaga in vid. Campul acustic creeaza efecte mecanice si anume variatii de presiune acustica. Daca acestea actioneaza asupra organului auditiv al omului se produce senzatia de sunet. Sunetul este definit ca o variatie a presiunii in aer, apa sau alte medii, care poate fi detectata de catre urechea omului. Conceptul de zgomot se refera la acele sunete care actioneaza intr-un mod suparator asupra omului. In studiul caracteristicilor fizice ale undelor acustice se foloseste termenul de sunet, iar in studiile care au in vedere actiunea fiziologica a undelor acustice, se prefera termenul de zgomot. Desi perturbatiile ca si mediile in care se propaga sunt de natura diferita, undele acustice generate de aceste perturbatii au anumite caracteristici esentiale comune, care sunt grupate in mai multe tipuri de unde, sau sunt grupate in functie de natura mediilor in care se propaga.

Propagarea undelor acustice

Producerea si propagarea undelor acustice presupune existenta unor medii continue si deformabile. Cunoasterea acestor medii este de mare importanta teoretica dar mai ales practica datorita faptului ca mediile solide, in special metalele au o structura microcristalina. Pentru cunoasterea proprietatilor mediilor cristaline trebuie studiate relatiile existente intre diferitele constante ale mediului si starea de solicitare la care este supus sub actiunea unor sarcini exterioare in echilibru plastic sau dinamic. Deci este necesara cunoasterea unor notiuni de mecanica mediilor continue si deformabile.

Dupa forma suprafetei de propagare se pot distinge urmatoarele tipuri de unde:

sferice

plane

cilindrice

In cazul in care punctul de observatie este suficient de aproape de sursa, se va tine seama de faptul ca energia purtata de unda va fi distribuita intr-un volum din ce in ce mai mare pe masura ce distanta va creste. In cazul undelor plane diferenta de energie de la un punct la altul este neinsemnata.

Ca marimi masurabile:

- viteza sunetului c;

- frecventa sunetului f;

- perioada undei T - reprezinta timpul necesar parcurgerii complete a unui ciclu al tonului sinusoidal. Este data de timpul care desparte doua momente succesive in care functia de unda are aceeasi valoare; perioada undei T este inversa frecventei f a unui ton pur se determina cu relatia: si este exprimata in secunde;

- lungimea de unda λ - este distanta care desparte 2 pozitii succesive in care functia de unda are aceeasi valoare. Lungimea de unda reprezinta drumul parcurs de planul de faza in timp de o perioada. Aceasta se exprima in m si este data de relatia:

.

Marimile caracteristice undei sunt marimi complexe care depind atat de timp cat si de spatiu. Se observa ca relatiile de faza dintre ele sunt diferite dupa cum unele sunt progresive, sau regresive. In cazul undei progresive, potentialul de viteze si deplasarea particulei sunt in opozitie de faza, iar presiunea acustica si viteza sunt in faza, dar ambele sunt decalate cu π/2 fata de potentialul de viteze.

Marimile acustice

In practica masurarii si combaterii zgomotelor marimea acustic ce intereseaza este  presiune acustica p si uneori viteza de oscilatie a particulelor v. Marimile p si v difera prin constanta z care reprezinta impedanta acustica specifica a aerului. De asemenea o alta marime care intereseaza in mod deosebit este energia transportata de unda acustica. Aceasta este diferita prin intensitatea acustica I intr-un punct dat. In afara acestei marimi in practica masurarii si combaterii zgomotelor mari intervin si alte marimi. Oricare dintre ele putand fi masurate direct sau indirect.

Viteza de propagare a undelor elastice

Deoarece  perturbatiile sunt mici se poate aplica legea lui Hooke care spune ca intre presiune si deformatie exista relatia:

P= ε E

in care:            E este modulul de elasticitate longitudinal;

- ε este deformatia.

In cazul solicitarilor, odata cu deformatiile longitudinale au loc si deformatii transversale astfel se exprima viteza de propagare in medii solide. Apare si raportul dintre deformatia transversala si deformatia longitudinala notat cu υ coeficientul lui Poisson, iar valoarea lui depinde de mediul de propagare si este < 0,5.

Eseu: Eterificarea monozaharidelor Eseu: COMBUSTIBILI -combustibili folositi in industria aerospatiala- referat chimie

Impedanta acustica

Amplitudinea presiunii acustice p si a vitezei de oscilatie a particulelor v sunt direct proportionale intre ele. In special in cazul propagarii undei acustice plane variatia in timp a presiunii acustice este aceeasi cu variatia in timp a vitezei de oscilatie a particulelor. In orice punct de propagare a undei nu exista diferente de faza intre cele doua marimi. In cazul undei acustice plane relatia dintre cele doua marimi este :

.

Marimea p si v difera prin constanta Z_a = ρ c , care reprezinta impedanta acustica. Z_a la o suprafata data este definita cu raportul complex dintre presiunea acustica pe suprafata si viteza volumului prin aceasta. Suprafata poate fi o suprafata ipotetica intr-un camp acustic, sau o suprafata mobila intr-un mecanism mecanic.

Intensitatea acustica I

Reprezinta fluxul continuu al puterii dat de o unda acustica, sau eliminate de unda acustica prin unitatea de suprafata intr-un punct din spatiu. Intensitatea acustica I este importanta prin faptul ca intr-un punct din spatiu se poate exprima puterea totala radiata in aer de catre o sursa acustica si totodata ofera o modalitate de determinare a presiunii acustice. Intensitatea acustica I intr-un punct este un vector si are valoarea maxima in planul perpendicular pe directia de propagare si valoarea zero, cand planul este paralel cu directia de propagare. Intr-un spatiu in care nu se afla suprafete reflectante in orice punct si pentru orice tip de propagare a undei, presiunea acustica este exprimata in functie de intensitatea  maxima.

Puterea acustica W_s

Este puterea totala radiata de o sursa acustica in mediul inconjurator. Pentru o sursa acustica sferica intensitatile acustice masurate in toate punctele suprafetei sferice imaginate sunt egale.

Radiator acustic

Transmiterea si transportul energiei acustice se numeste radiatie acustica. Sursa care emite energie acustica se numeste radiator acustic. Factorii care caracterizeaza un anumit radiator acustic sunt:

eficacitatea radiatiei;

directivitatea;

caracteristica de frecventa.

Sfera pulsanta

Este cel mai simplu radiator acustic. Sfera pulsanta se contracta si se dilata periodic, raza ei variind sinusoidal in timp. O sfera pulsanta radiaza in mod uniform in toate directiile formand in jurul acesteia un camp de unde sferice. Se poate presupune ca viteza postului unei unde sferice cu raza sferei pulsante este si viteza superficiala a sferei. 

Spectrul acustic

Reprezinta dependenta amplitudinii unei marimi acustice de frecventa. O unda acustica poate fi un ton pur, sau poate fi o combinatie de frecvente compuse armonic, ambele combinatii putand fi ca numar finit sau infinit. O combinatie de un numar finit de tonuri formeaza o linie spectrala, o combinatie de un numar mare de tonuri formeaza un spectru continuu. Spectrul continuu al uni zgomot al carui amplitudini in timp se afla intr-o distributie normala se numeste zgomot aleatoriu. O combinatie dintre o linie spectrala si un spectru continuu poate fi dat de un numar mare de tonuri pure intre doua frecvente limita. Intrucat urechea omului percepe un domeniu mare de frecvente si nu are aceeasi sensibilitate pentru toate frecventele, spectrul acustic continuu se masoara de obicei intr-o serie de benzi de frecvente  alaturate folosind un analizor acustic. De obicei latimea benzii de frecventa folosita este de 1/3 de octava sau de o octava. Daca latimea benzii de filtrare este de 1 Hz, graficul presiunii acustice in valori RMS astfel filtrate ale unui spectru acustic continuu in frecventa se numeste densitate spectrala de putere.

Sursele de vibratii si zgomote la autovehicule

Nivelul de zgomot este un parametru esential in aprecierea calitatii autovehiculului. Cea mai importanta si cea mai sigura cale de urmat in constructia autovehiculelor, caracterizata de o functionare cu zgomot redus, o constituie cercetarea surselor si metodelor de reducere a nivelului de zgomot inca din faza de proiectare. Cercetarea zgomotului trebuie sa parcurga urmatoarele etape:

studiul aspectului fizic al zgomotului (depistarea surselor, depistarea mecanismului de generare a acestora);

evaluarea cantitativa si calitativa a zgomotului produs de sursele sistemului pentru diferite regimuri de functionare;

diagnosticarea fenomenului de aparitie a zgomotului; 

cercetari in vederea combaterii la sursa a zgomotului si impiedicarea propagarii lui in mediul inconjurator.

Principalele surse de zgomot ale autovehiculului pot fi clasificate in:

surse interne - functionarea motorului si a sistemelor auxiliare;

surse externe - macro si micro profilul drumului, rigiditatea benzii de rulare a pneului.

Din punct de vedere al mecanismelor de generare, cauzele surselor de zgomot pot fi grupate in doua clase principale:

a)     procesele de curgere ale mediilor fluide (lichide, sau gazoase):

- variatiile de presiune, generatoare de zgomote sunt produse de curgerile de lichide sau gaze.

- pulsatiile, pot fi provocate de deplasarea curentului de aer sub actiunea paletelor ventilatorului, sau de fenomenele de curgere datorate unui gradient mare de presiune la admisia, sau evacuarea gazelor din motoarele termice;

- turbulenta aerodinamica, apare ca urmare a curgerii turbulente a gazelor care produc unde acustice. Turbulenta poate fi determinata de obstacole sau transformari ale energiei cinetice a gazelor in caldura si sunet.

- termodinamica gazelor. In procesele generatoare de caldura se produce destinderea gazelor, insotita de variatie de presiune - zgomotele de ardere, sau descarcarile electrice.

b)     miscarile mecanice

Componentele autovehiculelor sau ale structurilor din componenta acestora, sub actiunea unor forte variabile intra intr-o stare de vibratie generatoare de radiatii acustice. Asemenea forte pot sa apara in procesele de magnetizare, frecare sau vibratii mecanice.

Se deosebesc:

miscari relative ale diferitelor componente mecanice ale autovehiculului;

forte alternative care determina aparitia starii de vibratie;

impactul dintre doua corpuri solide in care cel putin unul dintre corpurile participante, sau structura atasata acestuia, intra in stare de vibratie generatoare de unde acustice.

Masuri de atenuare a zgomotului autovehiculelor

Acestea pot fi impartite in 2 categorii:

- masuri active care vizeaza mecanismele de generare a zgomotului si care au ca obiectiv reducerea cantitatii de energie radiate sub forma de unde acustice;

- masuri pasive care vizeaza distribuirea in spatiu a energiei astfel incat in locurile in care se efectueaza masurarile acustice sa ajunga o cantitate mai mica din energia radiata sub forma de unda acustica. Pentru a putea decide care dintre masurile de atenuare a zgomotului, sau combinatii dintre masurile de atenuare a zgomotului va putea fi aplicata etapizat este necesara luarea in considerare succesiv a urmatoarelor probleme:

- cauzele  si sursele care genereaza zgomotul;

- cuantumul general al atenuarii;

- mijloacele umane si materiale avute la dispozitie;

- implicatiile economic-tehnologice la aplicarea in productie de serie.

Tipurile de zgomote produse de autovehicule

Zgomotul produs de interactiunea roata-drum

Una din sursele de vibratii si zgomote a autovehiculelor este roata in miscare aflata in contact cu suprafata de rulare. Exista o corelare intre pneu si suspensia autovehiculului si il numim cuplaj pneu-sistem de suspensie. Forma ondulatorie a suprafetei de rulare provoaca asupra sistemului pneu-sistem de suspensie miscari vibratorii. Aceasta influenteaza modul de oscilatie al rotii diminuand capacitatea pneului de a dezvolta efortul de ghidare. Ondularile existente pe suprafata de rulare care provoaca acest fenomen la viteze uzuale sunt cele din banda declivitatilor netede cu lungimi de unda de la 100 la 800 de metri. Crestaturile suprafetei de rulare ale pneului sunt generatoarele zgomotului de contact dintre pneu si drum.

Exista un antagonism "zgomot-aderenta" care trebuie rezolvat in pofida presiunilor care exista pentru reducerea zgomotului. O analiza comparativa a aderentei pe diferite calitati ale drumului facuta de Michelin, demonstreaza ca valoarea coeficientului de aderenta pe drumuri  de tip drenant ramane dintre cele mai ridicate datorita faptului ca reduce riscurile acvaplanarii. Acest tip de drum asigura o vizibilitate mai buna pe timp de ploaie prin reducerea proiectiilor de particule de apa. In timpul rularii, la nivelul petei de contact, pneul se deformeaza acoperind asperitatile drumului. Aceasta deformare excita primele moduri de vibratie ale pneului, care provoaca o energie acustica de joasa frecventa. Daca la nivelul suprafetei de atac frontal a pneului exista asperitatile locale, impacturile succesive pe aceste asperitati genereaza un zgomot important in domeniul frecventelor joase si medii. Aceste doua procese sunt minimizate si apar alte doua procese: slip-stick-ul si fenomenul de rezonanta a aerului.

Slip-stickul este un fenomen de generare a zgomotului de frecvente medii si inalte. El apare cand exista o succesiune dintre pierderea si mentinerea aderentei la nivelul petei de contact. Destinderea proeminentelor profilului pneului la iesirea din pata de contact determina propagarea undelor acustice prin succesiunea punerii acestor proeminente in miscare de vibratie.

Rezonanta aerului este de fapt o emisie sonora de medie si inalta frecventa rezultata prin succesiunea fazelor de compresie-destindere a aerului prins la nivelul petei de contact, fenomen cunoscut sub denumirea air-pumping. Acest fenomen dispare daca imbracamintea drumului prezinta o textura corespunzatoare, sau o porozitate suficienta. 

O suprafata de rulare mai putin zgomotoasa asigura diminuarea celor doua procese generatoare de zgomot: cel vibrator si cel de rezonanta a aerului. Se poate aprecia ca un drum cu suprafata rugoasa, cu neregularitati transversale cu distanta dintre ele de ordinul centimetrilor, genereaza vibratii ale rotilor care produc zgomot. Suprafata perfect plana a unui drum, nu este perfect silentioasa.

O suprafata de drum cu o textura fina, cu neregularitati distantate la cativa milimetri nu deformeaza pneul si reduce presiunea aerului prins intre acesta si drum. Experimentele au demonstrat ca pentru imbracaminti compacte, cu dimensiuni ale granulelor din compozitia materialului intre 2 si 6 milimetri, precum si pentru betoane bituminoase drenante Φ6mm si Φ10mm s-au obtinut rezultate bune in ceea ce priveste reducerea zgomotului. Eficacitatea acustica a betoanelor bituminoase drenante este rezultatul combinarii a trei fenomene:

- reducerea proceselor care genereaza zgomotul de contact pneumatic prin:

- reducerea proceselor vibratorii prin micsorarea neregularitatior suprafetei drumului;

- reducerea fenomenului de rezonanta a aerului printr-o porozitate corespunzatoare;

- atenuarea efectului de amplificare prin realizarea unei suprafete de drum absorbante;

- atenuarea suplimentara asigurata de suprafata de drum absorbanta, prin comparatie cu o suprafata de drum reflectanta.

O suprafata de drum drenanta are caracteristici optime de atenuare a zgomotelor produse de interactiunea roata-drum daca aceste trei fenomene se cumuleaza. Cercetarile in domeniu au demonstrat ca eficacitatea optima este realizata de betoanele bituminoase drenante foarte poroase (cu mai mult de 25% goluri comunicante) si cu grosimi intre 6 si 10 centimetri. Daca conditiile de utilizare a betoanelor bituminoase drenante sunt favorabile, performantele acustice si hidraulice ale acestora raman la un nivel acceptabil in timpul unei durate de viata normale de 8-10ani.

Aspecte privind zgomotul produs de motoarele cu ardere interna

Ca urmare a analizei cauzelor si surselor zgomotului motoarelor cu ardere interna rezulta urmatoarele:

- zgomotul generat de procesul de ardere. Procesul de ardere actioneaza ca o excitatie (o forta aplicata brusc asupra pistonului ca urmare a cresterii rapide a presiunii, ce va induce vibratii tranzitorii in intreaga structura a motorului). Aceste vibratii se vor propaga catre suprafetele exterioare ale structurii. Aceste suprafete vor radia zgomot in exterior. Se poate afirma ca nivelul zgomotului radiat este proportional cu nivelul spectrului presiunii din cilindru si ca zgomotul motorului este controlat de cresterea rapida a presiunii din cilindru. In cazul unui motor diesel cu injectie directa cu diametrul cilindrului de 118mm, pentru un domeniu de turatie cuprins intre 1000 - 2600 rpm radiatia predominanta a zgomotului aerian determinat experimental se gaseste in domeniul frecventelor inalte, de la 800 la 2000 Hz;

- volumul gazului in camera de ardere prezinta moduri de vibratie proprie, ceea ce inseamna ca vibratiile de presiune ce apar local pentru o perioada de timp mult mai scurta in comparatie cu perioada de timp a primei frecvente proprii vor produce cresteri ale oscilatiilor presiunii gazului. Astfel, la motoarele diesel de capacitate mare cu injectie directa oscilatiile presiunii au amplitudini mari, acestea putand deveni surse predominante de zgomot;

zgomotul generat mecanic. Dintre numeroasele surse de zgomot generat mecanic, cel mai usor de identificat si caruia i se acorda o atentie majora este cea cauzata de bataia pistonului de peretii cilindrului. In acest caz este vorba de o excitatie de timp impact determinata de schimbarea sensului fortei care actioneaza pe o directie perpendiculara pe axa cilindrului;

- experimental s-a constatat ca spectrul zgomotului prezinta amplitudini apreciabile in domeniul frecventelor inalte ceea ce inseamna ca exista o sursa importanta de vibratii in acest domeniu;

- masurari de acceleratii realizate pe capacul lagarului principal, au aratat o dependenta de turatia motorului similara cu cea evidentiata de masurarile de zgomot. Concluzii asemanatoare au fost stabilite si la modificarea altor parametri cum sunt: sarcina si jocurile functionale;

- vibratia structurii motorului in ansamblu. Pentru motoarele cu o capacitate intre 6 si 8 l frecventa fundamentala a modului de vibratie la solicitarea de incovoiere este in domeniul 300 - 350 Hz. Aceasta frecventa poate fi semnificativa in generarea zgomotului total al motorului. In acesta, exista surse separate si se poate presupune ca restul structurii motorului (chiulasa, bloc motor, etc.) actioneaza ca un invelis metalic de protectie (de atenuare) a surselor respective;

- vibratia axiala a arborelui cotit produce in partea frontala a motorului niveluri inalte de zgomot cu componente tonale puternice;

- zgomotul radiat de suprafata motorului. Acesta se datoreaza variatiilor periodice ale presiunii in cilindru si a impacturilor mecanice ale pistoanelor asupra peretilor cilindrilor. De asemenea se datoreaza si impacturilor mecanice care apar in interiorul intregului sistem de transmitere al puterii, a sistemului de distributie al gazelor si a mecanismelor de comanda auxiliare. Vibratiile structurale excitate de aceste forte in interiorul motorului sunt transmise prin structura interna a acestuia (bloc motor, chiulasa, baie de ulei, capac chiulasa, etc.) suprafetelor sale exterioare si a componentelor atasate generandu-se astfel zgomotul radiat mediului ambiant. Amplitudinea maxima a zgomotului se inregistreaza in domeniul de frecventa cuprins intre 1000 si 2000 hz. Aceasta frecventa este tipica motoarelor a caror structura de baza este construita din fonta turnata. In cazul motoarelor de dimensiuni mari, amplitudinea zgomotului se inregistreaza la frecvente mai joase. Contributia individuala cea mai semnificativa (cam 20% din zgomotul global al motorului) este data de catre suprafata peretelui carterului. Aceasta inseamna ca in aproape toate sistemele de combustie ale motoarelor moderne presiunea gazului din cilindri reprezinta cea mai puternica excitatie.

Atentia cercetatorilor a fost indreptata spre realizarea unui proces de ardere cat mai lin. Totusi, nu se poate realiza un sistem de combustie ideal fara alte dezavantaje majore. Reducerile excitatiei mecanice in vederea optimizarii acustice este posibila, insa datorita costurilor considerabile si din considerente de fabricatie, acestea pot fi avute in vedere numai pana la o anumita limita. Aceasta inseamna ca o reducere a excitatiei datorate proceselor de ardere si mecanice este limitata din rationamente tehnice si economice.

Nivelul ridicat al zgomotului in domeniul de frecventa cuprins intre 1000 si 2000 Hz se datoreaza pe de-o parte excitatiei deosebite datorata proceselor de ardere, iar pe de alta parte deficientelor structurale tipice ale carterului motorului.