Układy wylotowe silników – drgania i dźwięk

Drgania mechaniczne

Jeśli sprężynę o długości początkowej I₀ (rys. 1a) zostanie ściśnięta siłą F, a następnie nacisk zostanie usunięty, to zacznie ona wykonywać drgania. Gdy z chwilą usunięcia nacisku będzie rejestrowany czas to zmianę długości sprężyny w trakcie drgań można przedstawić na wykresie - rys. 1b. Zaznaczone są na nim wszystkie charakterystyczne punkty dla drgań sprężyny, pokazane na rysunku 1a. Cykl zmiany długości sprężyny od punktu 1 do 5 nazywany jest jednym drganiem, a czas, w którym to nastąpiło okresem drgań T. Obliczamy ja ze wzoru:

f=1/T

Częstotliwość informuje, ile pełnych drgań jest wykonanych w ciągu sekundy. W rzeczywistości, gdy drganie sprężyny będzie wymuszone to każde następne drganie będzie coraz słabsze(sprężyna mniej się ugnie i wydłuży), a po pewnym czasie drgania zanikną - nazywane tłumieniem drgań.

Drganie, to powtarzająca się w czasie zmiana określonych wielkości. W przypadku sprężyny z rys. 1a są to zmiany: długości sprężyny (przedstawiona narys. 1b), prędkości oraz przyspieszenia górnego końca sprężyny.

Co to jest dźwięk?

Rura 2 (rys. 1a), wypełnioną gazem np.powietrzem, o ciśnieniu początkowym p_p. Do lewego końca rury został włożony tłok i zaczęto wykonywać szybkie ruchy, wsuwając i wysuwając tłok. W momencie szybkiego wsunięcia tłoka, w strefie gazu położonej w  jego sąsiedztwie następuje lokalne sprężenie gazu (strefa S rys. 2b) tak że ciśnienie gazu p_S w tej strefie będzie większe od ciśnienia początkowego p_p.

Po osiągnięciu maksymalnego wsunięcia tłoka 3, wysuwa się on do pozycji wyjściowej, co w strefie gazu położonej wsąsiedztwie tłoka, wywołuje lokalne rozprężenie (strefa R rys. 2b), tak że ciśnienie gazu p_R strefie będzie niższe od ciśnienia początkowego p. Gdy tłok zastanie ponownie wsunięty do rury (rys. 2d), to w jego sąsiedztwie powstanie następna strefa sprężenia „S”.

Obie strefy: sprężenia „S” i rozprężenia „R” przemieszczają się w kierunku 4. Jest to wynik tego, że cząsteczki ze strefy sprężenia „S”„naciskają” na cząsteczki gazu po prawej stronie, powodując lokalny wzrost ciśnienia.Cząsteczki w następującej po niej strefie rozprężenia „R", przemieszczają się w lewą stronę, czego następstwem jest lokalny spadek ciśnienia.

Jeśli tłok będzie wykonywał cykliczne ruchy, tak jak na rysunku 2,a na prawym końcu rury będzie mierzone ciśnienie, to zostaną zarejestrowane nadchodzące kolejno strefy: o podwyższonym ciśnieniu „S" i o zmniejszanym ciśnieniu „R”. Zjawisko przemieszczania się tych stref ciśnień, określane jest falą dźwiękową. Jeśli taka fala miałaby odpowiednie natężenie i częstotliwość, to ucho ustawione po prawej stronie rury usłyszy ją jako dźwięk, bowiem dźwiękiem w ogólnym znaczeniu, nazywamy wszystkie fale dźwiękowe, które oddziaływują na organy słuchu. „Narzędziem”wymuszającym drgania może być np. membrana głośnika, struny głosowe lub inne zjawiska powodujące nagłe zmiany ciśnień. Ucho ludzkie słyszy przeciętnie dźwięki o częstotliwości od 20 do 20 000 Hz. O częstotliwościach dźwięku, które człowiek słyszy indywidualnie zaświadczyć może jedynie badanie, tzw. audiogram.

Wielkości charakterystyczne dźwięku

Natężenie dźwięku to ilość energii przenikającej w jednostce czasu przez powierzchnie jednostkową. Podajemy je np.w W/m². Dla określenia natężenia dźwięku (głośności) przyjęto jednak nie liczbowe jego określanie ale porównanie natężenia danego dźwięku z tzw.natężeniem standardowym I₀.

Natężenie dźwięku określa więc wzór: β=1g 1/1₀

Za wartość natężenia standardowego l₀ przyjmujemy natężenie dźwięku o częstotliwości 1000 Hz, wynoszące 10 -12 W/m². Jednostką dziesięć razy mniejszą, czyli decybel [dB], tak więc: 1dB= 0,1B

Dźwięk ma natężenie równe 1B, gdy jego natężenie jest większe dziesięciokrotnie od natężenia standardowego (logarytm dziesiętny z liczby 10 wynosi 1). Natomiast natężenie dźwięku wynosi 1dB, gdy jego natężenie jest większe 1,26 raza (w zaokrągleniu) od natężenia standardowego(logarytm dziesiętny z liczby 1,26 wynosi 0,1 Bela czyli właśnie 1dB),

Tu istotna uwaga!

Często w prasie samochodowej jest błędnie podawane, że wzrost głośności np. we wnętrzu samochodu, o 1dB oznacza dziesięciokrotny wzrost głośności.

Wzrost głośności o 1dB to wzrost natężenia dźwięku jedynie o 1,26 raza. Natomiast wzrost głośności o 3dB np. od 76 do 79dB, oznacza dwukrotny wzrost natężenia dźwięku.

Granica słyszalności dźwięku. To najmniejsze natężenie dźwięku, o określonej częstotliwości, który jeszcze jestsłyszalny. Dla każdej częstotliwości dźwięku, natężenie to jest inne.

Granica bólu. Jest natężeniem dźwięku, przy którym fali dźwiękowej nie odbiera się jako określony dźwięk, ale sprawia ona ból ucha.

Subiektywna ocena dźwięku przez człowieka

Wrażenia słuchowe człowieka różnią się od wskazań przyrządów pomiarowych. Ocena głośności jest subiektywna, zależy bowiem od jego częstotliwości. Przedstawiony na rys. 3 wykres pokazuje, jak człowiek ocenia natężenie słyszanego dźwięku, zależnie od jego częstotliwości, mimo

że natężenia wszystkich dźwięków,określone w jednostkach fizycznych, są takie same. Za dźwięk, względem którego porównujemy, przyjęto dźwięk o częstotliwości 1000Hz, dlatego na pionowej osi wykresu, natężenie tego dźwięku przyjęto jako „0”. Słysząc dwa dźwięki o częstotliwościach 1000Hz i 100Hz, mimo że w rzeczywistości mają one te same natężenia, my ocenimy,że dźwięk o częstotliwości 100Hz jest o ok, 20dB cichszy (-20dB na skali). Z kolei porównując dźwięki o częstotliwościach 1000Hz i 2000Hz stwierdzimy, że ten o wyższej częstotliwości jest o około 2dB głośniejszy (+20dB na skali), mimo że rzeczywistości dźwięki te mają te same natężenia.

Krzywa z rys.3 jest tzw. krzywą korekcyjną a, która przy pomiarach głośności pozwala uwzględnić omówioną cechę ucha ludzkiego. Stosuje się w tym celu tzw. filtr korekcyjny A, a podając zmierzoną wartość informuje się, że z pomocą tego filtra wykonano pomiar, dodając obok jednostki literę [dB(A)]. 

Zdjęcia i tekst pochodzą z artykułu „Drgania i dźwięk w teorii” w dodatku technicznym do Wiadomości IC „Układy wylotowe silników” nr 33/Grudzień 2009.