Установлено, что при выполнении требуемых по Правилам UIM размеров глушителя и введении в него воды гашение шума достаточно эффективно производится лишь в прямоточных трубчатых глушителях небольшого диаметра, какие, например, применяются на глиссерах классов R2 и R4 производства ПО ДОСААФ «Патриот».
На скутерах и глиссерах R1 применяют не прямоточные глушители, а имеющие расширительную камеру, поэтому введение воды гасит шум не всегда достаточно эффективно. Чтобы снизить шум выхлопа двигателя как можно больше, необходимо в конце выходного тракта выхлопных газов предусмотреть конструкцию для активного гашения звуковых колебаний.
Простейшим таким устройством является звукопоглощающая насадка, которая уже довольно давно применяется в мотокартинге и мотоспорте.
Эскиз устройства насадки показан на рис. 1. Выходной патрубок глушителя («свисток») изготовляют из перфорированной стали толщиной 0,5 мм. Круглые отверстия перфорации диаметром 3—5 мм располагают относительно друг друга на расстоянии не более диаметра отверстия. На перфорированный патрубок надевают цилиндрический тонкостенный сварной кожух из листовой стали, который или приваривают к патрубку глушителя, или жестко прикрепляют к нему. Пространство, образованное между патрубком и кожухом, заполняют стекловатой, стекловолокном или «мочалкой» из тонкой проволоки. Толщина слоя обычно составляет 25—30 мм. Результаты применения глушителей на картингах в Ленинградском СТК «Импульс» подтвердили их довольно большую способность гасить выхлопные шумы, особенно высокочастотные диссонирующие звуки, режущие слух. Благодаря установке таких глушителей, появилась, например, возможность разговаривать, не повышая голоса, на расстоянии до метра от «газующего» карта.
Основным недостатком рассмотренного устройства шумогашения является то, что в стекловате скапливается отработанное масло, которое со временем коксуется; в результате стекловата теряет пористость, а работа устройства становится малоэффективной. Чтобы устройство со временем не теряло свойств гашения шума, картингисты после каждой тренировки или соревнований промывают насадку чистым бензином.
Чтобы понять принцип действия насадки, ее следует представить как короткий круглый газопровод, облицованный звукопоглощающим материалом (проточный, активный шумопоглотитель). Звукопоглощающую поверхность в насадке можно рассматривать как простой набор акустических резонаторов Гельмгольца, наполненных волокнистым материалом, в которых убраны лишние стенки. Такое упрощение закономерно, так как стекловата дает большое затухание звуковой волны; неважно, будут существовать жесткие перегородки между отдельными элементами в звукопоглощающей насадке или не будут. Резонансная частота звуковых колебаний одиночного резонатора Гельмгольца (рис. 2, а) определяется из уравнения:
где с — скорость звука в среде, заполняющей резонатор (для стекловаты с = 200 м/с, для воздуха — 344 м/с);
S — площадь сечения, м2;
l — длина горлышка резонатора (толщина стенки патрубка), м;
V — объем резонатора, м3.
Как показали экспериментальные исследования, оптимальная толщина стекловаты в эквивалентной схеме акустической плиты, действующей как набор резонаторов Гельмгольца (рис. 2,6), должна составлять 25—30 мм. При меньших толщинах хорошие условия для затухания не достигаются. Эффективность поглощения звука будет максимальной, если площадь отверстий перфорации составит 30—50% общей.
Насадка для поглощения шума, изображенная на рис. 1, действует эффективно только на высоких частотах, так как элементарные объемы его акустических ячеек — заторможенных резонаторов — малы. При помощи формулы, определяющей резонансную частоту, легко узнать, что при диаметрах отверстий перфорации, равных 3—5 мм, резонансная частота получается довольно высокой — 3,0—3,5 кГц. Увеличение диаметра отверстий резонансной частоты поглощения не понижает. Хотя эта конструкция гасителя шума работает и на низких частотах, эффективность поглощения низкочастотных шумов невелика. А ведь основной шум выхлопа сосредоточен, как было установлено, на частоте следования вспышек в двигателе, к тому же обычно параметры процессов сгорания различаются от цилиндра к цилиндру и от такта к такту; все это может привести к образованию шумов еще меньших частот — субгармоник.
Чтобы расширить диапазон поглощаемых шумов низких частот, следует увеличить эквивалентные объемы акустических резонаторов. Конструктивно это достигается при помощи щелевой перфорации (рис. 3).
Конструкция щелевого поглотителя аналогична конструкции, изображенной на рис. 1. Выходной патрубок представляет собой толстостенную стальную трубку (δ=1,5—2 мм), вдоль которой сделаны пазовые отверстие шириной 4—5 мм и длиной 50 мм. Площадь всех отверстий должна составлять не менее 35% площади трубки, занимаемой гасителем. Трубка обмотана одним слоем тонкой металлической сетки с ячейкой площадью 1—4 мм2, которая предназначена для удержания волокон стекловаты от выдувания газовой струей. На сетку рекомендуется положить один слой стеклорогожи, а затем произвести набивку стекловатой. В слоях, лежащих ближе к наружному кожуху гасителя, набивка должна быть менее плотной.
Расчетная резонансная частота предлагаемой конструкции гасителя будет находиться в диапазоне 100—300 Гц, что соответствует 6—18 тыс. об/мин, т. е. = реальным скоростям вращения коленвала двигателей скутеров и глиссеров.
В сезоне 1981 г. некоторыми ленинградскими спортсменами, например, А. Даниловым (СК «Молния»), А. Тверлохлебом (ГСТК ДОСААФ), А. Коноваловым (ДЮТСШ ДОСААФ), по конструкциям, изображенным на рис. 1 и 3, были изготовлены и применены эффективные насадки для глушителей на скутерах классов OBN и OCN. Техническая комиссия Ленинградской федерации водно-моторного спорта установила, что эти моторы работали без раздражающих шумов. По субъективной оценке, уровень шумов данных моторов даже без введения воды в глушители не превышал 80 дБА.
Ленинградская федерация водномоторного спорта обратилась к спортсменам и тренерам городских и областных СТК с предложением начиная с сезона 1980 г. в обязательном порядке вводить гасители шумов для скутеров классов ОА, ОВ, ОС, OBN, OCN и глиссеров R1. Можно использовать устройства любых конструкций, важно лишь одно — чтобы они действовали эффективно. Поскольку ленинградские водно-моторные соревнования проходят в городской черте, где расположена зона отдыха, нормативы максимальной шумности глушителя, определяемые Правилами UIM, оказались несколько завышенными — 95 дБА (см. § 416.2). В городской черте целесообразно принять допустимый уровень шумов спортивных моторов не выше 80 дБА.