Белов С.В. (ред.) Безопасность жизнедеятельности

Подождите немного. Документ загружается.

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 п

kl=2nl/X

Рис. 11.52. Реактивный камерный элемент глушителя:

а — схема элемента; б — зависимость эффективности камерного глушителя от длины каме-

ры и отношения площадей

ния от Si до S

и образуется камера длиной /. При изменении площади

сечения звук отражается. Эффективность камерного элемента можно

определить по формуле (11.92), заменив отношение импедансов на

отношение площадей [см. формулу (11.76)] и толщину h на длину / ка-

меры (к

= к = со/с):

с = 101g[cos

&/ + 0,25(^/^2 + S

)

smkl\.

На очень низких частотах, когда kl^> 0 или когда длина глушите-

ля равна Х/2, X, ЗХ/2 и т. д., образуются стоячие волны, которые уве-

личивают давление на концах камерной полости. В результате импе-

данс трубопровода с поперечным сечением S

также увеличивается от

значения рc/S

до значения mpc/S

, которое в точности равно импе-

дансам входного и выходного трубопроводов, т. е. равно рс/S\. Таким

образом, на этих резонансных частотах взаимодействие волн приво-

дит к рассогласованию импедансов и отражению звуковой энергии к

421

Рис. 11.53. Зависимость эффективности

глушителя от числа камер и длины

соединительной трубы

0 20 4060

1 11 11 11

Шкала, см

200 400 /, Гц

Рис. 11.54. Зависимость эффективности

200 400 / Гц глушителя от длины входного патрубка

источнику шума. На более высоких частотах, когда длина волны X

равна или меньше поперечного размера камеры, эффективность бу-

дет зависеть от других параметров (теоретически максимум эффек-

тивности достигается при разности диаметров d

— d

= Х/2, ЗХ/2,

5Х/2

и т. д.).

Эффективность е растет с увеличением числа камер и длины со-

единяющей трубы. Однако уже добавление третьей камеры создает

незначительный эффект по сравнению с двумя предыдущими (рис.

11.53).

На рис. 11.54 для сравнения показаны эффективность глушителя,

состоящего из двух последовательных камер, и эффективность глу-

шителя из двух камер, но со входом или выходом, введенным в полос-

ти камер, и оканчивающимися на середине их длины. Эффектив-

ность последнего глушителя выше. Изменяя длину входа и выхода,

можно варьировать эффективность и частотный диапазон.

Если в спектре шума присутствуют дисперсные составляющие

высокого уровня, то эффективность камерных элементов может ока-

заться недостаточной. В этом случае применяют реактивные элемен-

ты резонаторного типа: кольцевые и ответвления (рис. 11.55). Такой

глушитель отличается от предыдущих тем, что поток газа через каме-

ру не протекает, и она подсоединяется к основному трубопроводу че-

422

—

ft о о о о о о

4 ооооооо 1

/ •. / * /"Т>\ ч г—ч • 1

)

S<r%St

Sn—XSi

Рис. 11.55. Схемы глушителей резонансного типа:

а — кольцевые; б — ответвления

рез одно или некоторое количество небольших отверстий или трубок.

Этот тип глушителя называют объемным резонатором или глушите-

лем Гельмгольца. Резонансные частоты определяются размерами от-

верстий и подсоединенным объемом. Предполагается, что линейные

размеры подсоединенного объема меньше 1/10 длины волны на всех

рассматриваемых частотах. Если это условие нарушается, то надо

принимать во внимание движение волн в резонаторе. Ситуация ста-

новится похожей на глушитель, рассмотренный выше. Эффектив-

ность объемного глушителя

б = 10 lg{l + [а + 0,25]/[а

+ р

(///о

-Л/Л

]},

где а = S

{

z /S

pc — безразмерное активное сопротивление резонатора;

Р = S

{

c/2nf

V— безразмерное реактивное сопротивление резонатора;

{

и S

— соответственно площадь трубопровода и суммарная пло-

щадь отверстий; f

— резонансная частота; V— объем резонатора.

При резонансе эффективность зависит только от величины а и

может быть записана в виде

е = 20 lg[(a + 0,5)/а].

При а < 0,25 и при частотах, намного больших или меньших час-

тоты /о,

e=101g{l + l/[4 PV//0-/0//)

]}.

На рис. 11.56 показана эффективность глушителя рассматривае-

мого типа при a = 0,5р.

Эффективность глушителя, синтезированного из типовых эле-

ментов, может быть определена по формуле е

= У

£е

где е

}

— эффек-

тивность /-го шумоглушащего элемента.

423

0,1 0,2 0,4 1 2 4 6ю/ю

Рис. 11.56. Эффективность резонаторного глушителя при а = 0,5р

Экранирование электромагнитных полей*. Электромагнитное поле

имеет зоны индукции и излучения, которые для элементарных излучате-

лей (диполей) в воздухе определяются соответственно неравенствами:

X X

r«— (kr« 1) и г»— (kr>> 1),

2 71 2 71

где г — расстояние от источника. Обычно считают, что на расстоянии

от источника, не большем длины волны,— зона индукции. Напри-

мер, для частот 10

и 10

Гц расстояние, которое определяет зону ин-

дукции, меньше 0,3 и 300 м.

Для антенн зону излучения обозначают неравенствами:

/Х

г > ЗА,, где / — размер антенны. В зоне излучения поле практически

принимает плоскую конфигурацию и распространяется в виде пло-

ской волны, составляющие которой равны:

Ё = Ё

Яш

х)

;

(ПЛ05)

где с*

£ — уа/со — комплексная диэлектрическая проницаемость

среды; с и ju — абсолютные проницаемости соответственно диэлек-

трическая и магнитная; а — удельная проводимость среды; ком-

плексное волновое число к* = со ^/jus*.

* Здесь термин «изоляция» заменен термином «экранирование», который обычно

используется в специальной литературе.

424

Сравнивая выражения (11.54) и (11.105), видим, что импеданс среды электромаг-

нитному полюсу z = / i. С учетом формулы (11.105) найдем, что для непроводящей

среды (а = 0)

= s; z = z> 5 = 0; (11.106)

для проводящей среды (е = 0)

^=V~Mia; z = yljaц/а; 5 = у = 7ю|ш/2 . (11.107)

В табл. 11.25 приведены ориентировочные значения волнового числа и импеданса

для металлов. Для вакуума импеданс равен ^ = 1— = 120 7г, Ом, где s

и — соответст-

венно электрическая и магнитная постоянные: s

= 1/(Зб7г • 10

) = 8,85 • Ю

-12

ф/м,

(л

= 471 • 10"

Гн/м. В зоне индукции импеданс среды зависит от источника.

Таблица 11.25. Характеристика металлов, применяемых

для экранирования ЭМП

Металл

Электрическая

проводимость

•

, См/м

Магнитная про-

ницаемость ц/ц

Коэффициент

распространения

| &.|=^/соцст, мм

Импеданс

\z*\=-J®n /сг, Ом

Медь

57,1

21,2 • 1<Г

V7 0,372 • 10~

Алюминий

34,5

16,4 • 10"

V7 0,478 • 10"

Сталь

7,2 100

75,4 • Ю-

10,47 • 10~

Свинец

4,8

6,2

•

Ю-

V7 1,28 • Ю-

При определении электромагнитного поля сложных источников

их разбивают на элементарные, а затем используют принцип супер-

позиции полей. Импеданс среды для поля элементарного электриче-

ского излучателя

i = z*( 1 + jkr + \/jkr)/{\ +jkr). (11.108)

Импеданс среды для поля элементарного магнитного излучателя

i = z*( 1 + jkr)/(l+jkr + l/jkr). (11.109)

Из выражения (11.108) видно, что вблизи источника, т. е. в зоне

индукции (kr« 1), импеданс среды преимущественно электриче-

скому полю

z = z

=z*/jkr. (11.110)

Импеданс среды преимущественно магнитному полю

z=z

=jkrz*. (11.111)

425

Рис. 11.57. Импеданс среды для элементарных из-

лучателей в зависимости от расстояния от источни-

ка:

/ — электрический диполь

- магнитныи диполь

\+{кг)

[1 +{кг)

]

\+{кг)

-11/2

{кг)

1 +{krf

С увеличением расстояния от источника импеданс ^уменьшает-

ся, а импеданс ^увеличивается (рис. 11.57). Оба импеданса будут

стремиться к одному значению, которое они достигают в зоне излуче-

ния (кг» 1 ):z=z

=z*.

Различают экранирование магнитного, электрического и элек-

тромагнитного (плоская волна) полей. В большинстве случаев с двух

сторон от экрана находится одна и та же диэлектрическая сре-

да — воздух, и эффективность экранирования, пользуясь формулой

(11.77), можно записать в виде

е = 20lg| chM+20lg|l+0,5(^2 /z

+zjz

)thLh\. (11.112)

Чтобы произвести расчет по этой формуле, кроме толщины экра-

на h необходимо знать коэффициент распространения к* и импедан-

сы i\ и Z2- Так как экран обычно изготовляют из металла, то с учетом

зависимостей (11.64) и (11.107) коэффициент распространения к* и

импеданс Zi будут равны: к* = 7 ; z = V-A

2 /

2 • Более слож-

но определяется импеданс z

. В зоне излучения импеданс диэлектри-

ческой среды — воздуха — будет равен (для воздуха ju - ju

, е — е

)

Z\ = Z

EH =

д/ilxj /е

® д/jiio

/е

377 Ом. Однако в зоне индукции импе-

данс i\ зависит не только от вида основной составляющей электро-

магнитного поля [см. формулы (11.110) и (11.111)]. Он определяется

также формой конструкции экрана (рис. 11.58). С учетом формы им-

педанс i\ при экранировании электрического поля записывают в виде

Z\ = z\ = z*/jkinm = l/ycosinm,

а при экранировании магнитного поля в виде

(11.113)

426

Zi = Z \ =jk

{

mz* =j(o\x\r

<101g

1 +

1 h

2m cdSj n

Шар

где m = 2 при n = 1/2 для плоского экрана;

т= 1 при п = р — для цилиндрического

экрана; т = \/ы2 при п = г — для сфериче-

ского экрана (см. рис. 11.58).

Тогда при k*h« 1, что обычно достига-

ется на низр1х частотах (f< 10

Гц),

chk*h « 1, a thкМ « кМ и эффективность эк-

ранирования электрического поля (Z

\/Z2 >

Цилиндр

Плоский

экран

Рис. 11.58. Конструкции

экранов

Эта эффективность будет большой на низких частотах, а в диапа-

зоне относительно высоких частот е -> 0.

При экранировании магнитного поля необходимо учитывать осо-

бенности материала, из которого изготовлен экран. Обычно для маг-

нитных металлов (сталь, пермаллой, феррит) Zi/Z

\> Z\/Zi, а для не-

магнитных металлов (медь, алюминий, свинец) г \/zi > Zi/Z\. Тогда

для защитных устройств из магнитных металлов эффективность эк-

1 \х

ранирования е « 20 lg

1+-

2т jlXj п

Она не зависит от частоты.

Для защитных устройств из немагнитных металлов е « 10 lg [1 +

+ —ы\х

<з

гМ\ Эта эффективность зависит от частоты и при частоте

со ^ 0 тоже стремится к нулю.

В области относительно высоких частот (10

</, Гц < 10

) эффек-

тивность экранирования удобно определять* по формуле

е = +20 lg

4 у coju

Из соотношения импедансов следует, что амплитудные коэффи-

циенты [формула (11.75)] для плоского Т

П9

цилиндрического Гц и сфе-

* См. выражение (11.77) и комментарий к нему.

427

Рис. 11.59. Колебательный характер эффективности экранирования ЭМП в диа-

пазоне СВЧ:

а — электрическое поле; б— магнитное поле; А, = 0,01 мм; h

= 0,001 мм; г=5 мм

рического Г

экранов при Zi > Z2 имеют приблизительно следующее

соотношение: Г

: Г

= 1:2:3. Это соотношение справедливо

для экранов, изготовленных из одинакового материала и имеющих

равную толщину стенок, причем расстояние между параллельными

пластинами плоского экрана равно диаметру сферического или ци-

линдрического экранов (/= 2гили 2р). Таким образом, если эффек-

тивность экранирования плоским экраном принять за исходное зна-

чение е

= 201g |1/Г

|, то эффективность экранирования цилиндром

= 201g |1 /Гц = 201g| 1/2Г

| = е

- 201g2 « е

- 6 дБ, а эффективность

экранирования сферой Е

= Е

— 9,5 дБ. При экранировании магнит-

ного поля магнитными материалами (z

> ZI) соотношение амплитуд-

ных коэффициентов передачи будет иметь обратную закономерность

: Гц : Г

= 1 : 1/2 : 1/3. На практике полученными соотношениями

пользуются при определении, например, эффективности цилиндри-

ческого экрана по формулам плоского.

В области СВЧ, охватывающей дециметровые, сантиметровые и

миллиметровые волны (F> 10

... 10

Гц), длина волны X соизмерима с

диаметром экрана d, т. е. X > d, и эффективность экранирования но-

сит колебательный характер (рис. 11.59). В этой области импеданс Zi

при экранировании магнитного и электрического полей цилиндри-

ческим экраном следует определять по формулам:

Z? = Z

JNK

р/, (К

Р)Н

(К

{

р),| (11.114)

JNK

PJL(K

P)HL(K

P),\

428

где J

(u) и Н

{и) — функции Бесселя* соответственно первого и

третьего рода, порядка п (штрихом отмечены производные). С учетом

соотношений (11.94) эффективность экранирования рассчитывают

по формуле (11.92), при этом надо иметь в виду, что во многих случаях

можно принять Z\/z

« 1 и пренебречь этим слагаемым.

При наличии в экране для радиоэлектронной аппаратуры отвер-

стий или щелей, возникающих вследствие несовершенства его конст-

рукции и технологии изготовления, среднюю эффективность экра-

нирования можно определить по эмпирической формуле

e = 101g

л/2

+>4+8,6861?.

(11.115)

где импеданс z

{

при экранировании электрического поля; z

при экранировании магнитного поля; импеданс \z

\=\^j^2 /

2 \

слагаемые А и множитель В = 2nh/l учитывают негерметичность эк-

рана

А=

201g

г ~ V/

2 я

(1-0,5 tl)

где п - 0,62 И

— эквивалентный радиус экрана любой геометриче-

ской формы (V— внутренний объем экрана); / — наибольший размер

отверстия (щели) в экране; к

= со ^/ji

• Формула (11.115) примени-

ма в диапазоне частот, пока к

{

1 <2, / > 0.

Для защиты от ЭМП обычно применяют металлические листы,

которые обеспечивают быстрое затухание поля в материале. Однако

во многих случаях экономически выгодно вместо металлического эк-

рана использовать проволочные сетки, фольговые и радиопоглощаю-

щие материалы, сотовые решетки.

Эффективность экранирования электрического поля при исполь-

зовании проволочных сеток

е = lOlg \z

/z | + >4 + 8,686С.

* Обычную функцию Щи) находят по формуле Н

(и) = /,(")

jY{u). Чтобы найти

производную, можно использовать соотношение: Q[{u) = 0

(м) — -(?,(«), где 0озна-

чает любую функцию Y, Н или любую их линейную комбинацию.

429

Здесь слагаемое А означает то же, что в выражении (11.115)

(kj < 2), а множитель С и величину z при заданном диаметре провода

d и шаге s сетки рассчитывают по формулам: С= nd/(s — d),

Z = 1 /а

Л*, где эквивалентная толщина сетки Л* = nc?/4s.

В сортамент фольговых материалов толщиной 0,01...0,05 мм входят

в основном диамагнитные материалы — алюминий, латунь, цинк.

Расчет эффективности экранирования фольговых материалов произ-

водится по формулам для тонких материалов. При негерметичности

эффективность экранирования электрического поля

е= lOlg + Л+ 11,9,

где z

1/сгй.

Радиопоглощающие материалы изготовляют в виде эластичных и

жестких пенопластов, тонких листов, рыхлой сыпучей массы или за-

ливочных компаундов. В табл. 11.26 приведены характеристики неко-

торых радиопоглощающих материалов. В последнее время все боль-

шее распространение получают керамикометаллические компози-

ции.

Эффективность экранирования сотовыми решетками зависит

вплоть до сантиметрового диапазона от отношения глубины к шири-

не ячейки.

Таблица 11.26. Основные характеристики радиопоглощающих материалов

Марка поглотителя

и материал, лежа-

щий в его основе

Диапазон

рабочих

волн, см

Отражающая

мощность,

Размер пла-

стины,

•

10~

Масса 1 м

материала,

кг

Толщина

материала,

мм

СВЧ-068, фер-

15...200

100 х 100

18...20

рит

«Луч», древес-

15...150

1...3

600 х 1000

— —

ное волокно

В2Ф2, резина

0,8...4

345 х 345

4...5

11...14

В2ФЗ : ВКФ1

0,8...4

345 х 345

4...5

(включая

высоту

шипа)

«Болото», по- 0,8...100 1...2

— — —

ролон

Ориентировочно эффективность

е « 27///

+ 20 lg л,

430