ВЫСОКОПРОЧНЫЙ АРМИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
HIGH-STRENGTH REINFORCING ELEMENT FOR HYDROACOUSTIC COATINGS

Настоящее изобретение относится к области машиностроения и судостроения и может быть преимущественно использовано для обеспечения поглощающей эффективности средств гидроакустической защиты - гидроакустических покрытий (ГАП), в широком диапазоне гидростатических давлений.
В области гидроакустики известен ряд средств гидроакустических покрытий (ГАП), например, патент №2340012 «Гидроакустическое покрытие». В качестве основных армирующих элементов, обеспечивающих эффективность указанной конструкции, используются слои эластомерного материала с воздушными полостями, благодаря которым обеспечивается поглощение звуковой волны. Применение в гидроакустических покрытиях армирующих элементов связано с возможностью обеспечивать стабильность состояния воздушных полостей при воздействии внешних сил, направленных на их сжатие. Кроме того, данные элементы направлены на повышение эксплуатационных характеристик покрытий.
Наиболее близким по технической сущности аналогом предлагаемого изобретения является патент №2466467 «Гидроакустическое покрытие», представляющее собой герметичную пластину из резиноподобного материала, содержащего воздушные полости в форме конусов, поперечные сечения которых уменьшаются к наружной поверхности пластины. Герметичная пластина выполнена из двух полуперфорированных пластин, соединенных между собой через слой монолитной резины, причем нижняя полуперфорированная пластина содержит цилиндрические полости, армированные полимерными катушками, а в верхней полуперфорированной пластине воздушные полости имеют форму конусов.
Недостатками известных технических решений являются:
- типоразмеры: сечение элемента схоже с сечением двутавра, вследствие чего, армирующий элемент имеет большую площадь контакта верхней и нижней поверхности с эластомерным материалом в полости ГАП;
- ухудшение свойств ГАП по причине конфигурации армирующего элемента в виде стойки с развитыми полками;
- перерасход материала за счет повышенной массы недостаточно рационально спроектированного армирующего элемента;
- технология формирования армирующего элемента требует применения дорогостоящей оснастки;
- затраты значительного количества времени на изменение конструкции армирующего элемента при его производстве, связанные с необходимостью полной замены технологической формирующей оснастки;
- передача части звуковой энергии от источника шума и вибрации в окружающую среду, что обусловлено невысоким коэффициентом механических потерь используемого для его изготовления материала и конфигурацией армирующих элементов.
В общем случае, для изделий с воздушными полостями инженерной задачей является конструкционное обеспечение оптимальных деформаций эластомерного материала, соответственно, первоначальной ролью армирующего элемента в изделии является обеспечение устойчивого состояния полости при воздействии гидростатических давлений. Оптимальная акустическая эффективность в рабочем диапазоне частот под воздействием различных гидростатических давлений достигается, среди прочего, обеспечением состояния воздушных полостей близких к исходному (в случае без внешнего воздействия).
При прочих равных условиях расширение частотного диапазона акустической эффективности возможно за счет модернизации армирующего элемента.
В гидроакустике для расширения диапазона эффективности средств акустической защиты в низкочастотной области известно решение в виде специальной подкрепляющей арматуры из ребер в виде распорных элементов (патент №1098438, 1968 г. Великобритания).
Наиболее близким по технической сущности аналогом предполагаемого изобретения - его прототипом является существующий серийный армирующий элемент для гидроакустических покрытий (RU 2596834 С1, 10.09.2016 «Способ изготовления вибро-звукоизолирующего устройства и вибро-звукоизолирующее устройство, получаемое по этому способу, а также армирующий элемент, используемый в этом устройстве). Он относится к средствам защиты от воздействия шума, различных акустических колебаний или для их подавления, в частности к деталям вибро-звукоизолирующих устройств. Армирующий элемент изготавливается из двух параллельных дисков одинакового диаметра, соединенных в центре стержнем крестообразного сечения. Диаметр крестообразного сечения меньше диаметра диска.
Недостатками существующего серийного армирующего элемента являются: типоразмер, т.е. сечение элемента схоже с сечением двутавра, вследствие чего, армирующий элемент занимает значительное пространство в полости покрытия; не достижение высоких параметров акустической эффективности по причине размещения нерационально спроектированного армирующего элемента, т.е. большой площади контакта верхней и нижней поверхности с эластомерным материалом в полости ГАП; большая масса армирующего элемента. Существующий армирующий элемент выполняет только армирующие функции воздушной полости в изделии и не способствует достижению высоких параметров акустической эффективности.
Также недостатком существующего армирующего элемента является его неоптимальная конструкция. Под действием гидростатических давлений происходит деформация эластомерной среды, выполненной из резины или полиуретана, которая «затекает» в свободное пространство полости с армирующим элементом. Давление эластомерной среды (массива) по верхней поверхности армирующего элемента распределяется неравномерно. Оно в значительной степени локализуется по периметру верхнего диска, хотя определенное давление передается и в центральную зону верхней поверхности. При этом нагрузка нижней поверхности тоже происходит неравномерно. Эластичный массив создает на эту поверхность силовое воздействие. В центральном районе нижней поверхности это эквивалентно приложению некоторого давления, направленного вверх, а по периферии фактически происходит закрепление краев от каких-либо смещений.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание высокопрочного армирующего элемента с большой удельной площадью вырезов на поверхности с использованием технологии 3Д печати и бионического дизайна для повышения параметров акустической эффективности в широком диапазоне гидростатических давлений.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение доли звуковой энергии, передаваемой по армирующему устройству от источника шума и вибрации в окружающую среду с одновременным уменьшением массы указанного устройства
Другим техническим результатом является повышенная прочность разрабатываемого армирующего элемента с одновременным уменьшением массы при сохранении высокой эффективности вибро-звукоизолирующих свойств изделия.
Технический результат обеспечивается тем, что высокопрочный армирующий элемент для гидроакустических покрытий из композиционных материалов (фиг. 1), состоящий из двух параллельных пластин - верхней и нижней - различных диаметров, соединенных круглыми стержнями, имеет отличия: верхняя и нижняя пластины выполнены в виде колец с прямоугольными вырезами на верхней пластине и центрирующими выступами на нижней пластине, при этом стержни круглого сечения, в количестве не менее 3, расположены под углом 3-30° от верхней пластины к нижней пластине.
А также, в конструкции применены пластины и соединительные стержни, выполненные по технологии генеративного (бионического) дизайна.
Сущность изобретения поясняется чертежом. На фиг. 1. изображен высокопрочный армирующий элемент для гидроакустических покрытий, где:
1 - верхняя пластина;
2 - стержни;
3 -центрирующий выступ;
4 - прямоугольный вырез;
5 - нижняя пластина.
Уникальностью предлагаемого высокопрочного армирующего элемента для гидроакустического покрытия является его форма с большой удельной площадью вырезов на поверхности, позволяющая повысить акустическую эффективность в поглощающих покрытиях, применяемых для снижения уровней шума объекта, находящегося в воде под воздействием гидростатического давления.
В таблице 1 приведены прочностные характеристики прототипа и предлагаемого высокопрочного армирующего элемента для гидроакустического покрытия.
Из таблицы 1 видно, что при аналогичных условиях проведения испытаний у предлагаемого высокопрочного армирующего элемента для гидроакустического покрытия удалось снизить максимально возникающий прогиб при давлении 10 МПа более чем в 2 раза, а напряжения на верхней поверхности высокопрочного армирующего элемента при расчетном давлении - более чем в 1,5 раза. Также за счет модернизации формы оснований и стержня достигается снижение массы высокопрочного армирующего элемента для гидроакустических покрытий в 2 и более раз при одновременном увеличении удельной площади вырезов, обеспечивающей эластичное деформирование окружающего материала, что является одним из значимых параметров при изготовлении поглощающих покрытий.
Изготовление высокопрочного армирующего элемента для гидроакустического покрытия из полимера с высоким коэффициентом механических потерь обеспечивает большее поглощение той доли звуковой энергии, которая передается по указанному устройству от источника шума в окружающую среду, что повышает эффективность гидроакустических покрытий (табл. 1). Показатели звукоизоляции и эффективности по отражению звука определены в условных единицах по специальной методике с использованием гидроакустической измерительной трубы. Анализ данных, приведенных в табл. 1 показывает, что предлагаемый высокопрочный армирующий элемент для гидроакустического покрытия обладает лучшими показателями вибро-звукоизоляции в структуре гидроакустического покрытия, по сравнению с прототипом.
Предлагаемый высокопрочный армирующий элемент для гидроакустического покрытия технически просто реализуем как с использованием перспективной технологии 3D печати, так и технологии литья из полимерных или композиционных материалов с конструкцией на основе технологии бионического дизайна.
Таким образом, за счет конструкционной формы с большей удельной площадью вырезов на поверхности предлагаемого высокопрочного армирующего элемента для гидроакустического покрытия достигается повышение параметров акустической эффективности ГАП в широком диапазоне гидростатических давлений, что выгодно отличает его от прототипа.