НЕЛИНЕЙНЫЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ ГАСИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ
NONLINEAR DYNAMIC VIBRATION DAMPER AND ITS APPLICATION FOR SOUND INSULATION

Настоящее изобретение относится к нелинейному динамическому гасителю колебаний и к его применению для улучшения звукоизоляции между двумя пространствами, разделенными стеной.
Звукоизоляция между двумя комнатами, разделенными стеной, обычно обеспечивается путем повышения поверхностной плотности стены или путем дублирования указанной стены. В случае перегородок с двойными стенками можно ввести в воздушный зазор между двумя плитами звукоизоляционный материал, обычно слой минеральной ваты или эластичного пенопласта.
С точки зрения акустики, такая перегородка с двойными стенками, независимо от того, заполнена она или нет изоляционным материалом, ведет себя на низких частотах как система масса-пружина-масса, когда воздушный зазор или заполняющий изоляционный материал играет роль пружины, скрепляющей две плиты друг с другом. Фиг.1 показывает изменение коэффициента затухания (NF EN ISO 140-3) такой перегородки с двойными стенками, с и без изолирующего наполнителя, как функцию частоты звука.
0
c
Обнаружено первое характерное ослабление (f) на низких частотах (примерно 100-150 Гц), называемых частотой "дыхания", соответствующее смещению в противофазе системы, и второе характерное ослабление (f) на высоких частотах (2000-3000 Гц), называемое частотой совпадения, когда длина падающей звуковой волны совпадает с длинами волн изгиба в плитах.
Целью настоящего изобретения является уменьшить звукопроницаемость стенок, в частности, перегородок с двойными стенками, в области низких частот, то есть на частотах в интервале примерно от 50 до 150 Гц, без добавления дополнительного звукоизоляционного слоя и без увеличения полной толщины перегородки.
et al
Part I and II
Эта цель достигнута посредством устройства небольшого размера, крепящегося на стенке в подходящем для этого месте и способного ослаблять и даже подавлять резонанс стенки на ее частоте дыхания, благодаря адаптации к ее собственным колебаниям. Физическое явление, лежащее в основе этого ослабления резонанса плиты, известно под названием "накачка энергии" (по-английски energy pumping или non-linear targeted energy transfer, смотри, например, O. Gendelman ., Energy pumping in non-linear mechanical oscillators, , J. Appl. Mech., 68 (2001) 34-48).
Накачкой энергии называют необратимую передачу колебательной энергии основной конструкции, обычно линейного осциллятора, вспомогательной конструкции, образуемой существенно нелинейным осциллятором. Вспомогательная конструкция, состоящая из массы, связанной с основной конструкцией через нелинейную пружину и, возможно, амортизатор, не имеет собственной резонансной частоты и может колебаться на любой частоте. Начиная с пороговой колебательной энергии основной конструкции, ее колебательная энергия передается вспомогательной конструкции, ослабляя в результате амплитуду колебаний основной конструкции.
Вспомогательная конструкция, называемая нелинейным динамическим гасителем колебаний (по-английски non-linear energy sink, сокращенно NES), предпочтительно имеет значительно меньший размер, чем основная конструкция.
Накачка энергии уже широко используется в таких разных областях, как сейсмическая защита зданий и инженерных сооружений, улучшение динамических характеристик автомобилей или стабилизация судов.
Насколько известно авторам заявки, до сих пор не предлагалось использовать накачку энергии для снижения звукопроницаемости стен, разделяющих два помещения в здании или отделяющих внутренний объем здания от наружной среды.
Заслугой авторов заявки является то, что они разработали такой нелинейный динамический гаситель колебаний, одновременно простой, надежный и легкий, который можно легко закрепить на плите, исполняющей роль стены или перегородки, как, например, элемент подвесного потолка, плита перекрытия, стенка простой или двойной перегородки, дублирующий элемент и т.д.
Нелинейный динамический гаситель колебаний согласно настоящему изобретению содержит в качестве основного элемента тонкую пластину, оба конца которой зажаты в опоре (несвободные концы) и на которой закреплен небольшой груз. В случае динамической нагрузки эта пластина ведет себя как нелинейная пружина, колеблющаяся вблизи своего положения равновесия (или вблизи одного из своих положений равновесия) в диапазоне частот, охватывающих частоту нагрузки, что делает возможным необратимую передачу колебательной энергии от основного резонатора, то есть от плиты, на которой закреплен нелинейный гаситель колебаний, на нелинейный динамический гаситель колебаний.
Таким образом, объектом настоящего изобретения является нелинейный динамический гаситель колебаний, содержащий:
- тонкую пластину с двумя концевыми участками и промежуточным участком с функцией нелинейной пружины,
- груз, закрепленный на промежуточном участке, с функцией нелинейной пружины пластины,
- средство фиксации, позволяющее закрепить два концевых участка пластины на твердой опоре, чтобы промежуточный участок с функцией нелинейной пружины мог колебаться вблизи своего положения равновесия или одного из своих положений равновесия.
Таким образом, нелинейный динамический гаситель колебаний по настоящему изобретению содержит три основных элемента:
- средство фиксации пластины к основной конструкции, колебания которой подлежит ослабить,
- пластину с двумя несвободными концами, зажатыми в средство фиксации, и
- небольшой груз, закрепленный на промежуточном "свободном" участке пластины, расположенном между двумя зажатыми концевыми участками.
Если этот гаситель колебаний подвергнуть колебательной нагрузке достаточной энергии и подходящей частоты, малый груз будет колебаться в плоскости, перпендикулярной главной плоскости пластины, на частоте, отличной от частоты возбуждения, причем промежуточный участок пластины ведет себя в этом случае как нелинейная пружина, соединяющая груз со средством фиксации и с основной конструкцией, на которой закреплен гаситель колебаний.
Пластина может быть образована из любого жесткого упругого материала с высоким модулем Юнга, обычно выше 50 ГПа, предпочтительно выше 60 и, в частности, выше 70 ГПа.
Пластина предпочтительно является металлической.
Груз предпочтительно закреплен в центральной части, более точно, в центральной трети, промежуточного участка с функцией нелинейной пружины пластины, но это положение не является единственно возможным, и груз вполне мог бы быть расположен не по центру.
Груз может быть образован из того же материала, что и пластина, или из другого материала. Как и пластина, он предпочтительно образован из металлического материала. Можно, например, предусмотреть, чтобы груз и пластина были образованы как одно целое, тогда груз соответствовал бы утолщению на промежуточном участке пластины.
Пластину предпочтительно подвергают напряжению, в частности, напряжению сжатия или кручения. Это напряжение выражается в уменьшении жесткости пружины, образуемой тонкой пластиной. Исследования, проведенные авторами заявки, показали, что выгодным следствием этого напряжения является также снижение порога инициирования явления накачки энергии и повышение эффективности динамического гасителя колебаний.
Пластину предпочтительно не подвергать растягивающему напряжению, способному уменьшить эффективность и даже сделать бесполезным нелинейный динамический гаситель колебаний (по-видимому, из-за увеличения жесткости пружины и порога инициирования).
Напряжение сжатия или кручения предпочтительно достаточно велико, чтобы придать пластине упругий продольный изгиб, то есть обратимый продольный изгиб, который исчезает при снятии напряжения. В одном предпочтительном варианте осуществления нелинейного динамического гасителя колебаний по настоящему изобретению пластина подвергается напряжению сжатия, придающему ей упругий продольный изгиб.
Изогнутая пластина, то есть подвергнутая напряжения сжатия в плоскости пластины, имеет две точки устойчивого равновесия, в отличие от пластины, не испытывающей напряжения сжатия, которая имеет всего одну точку устойчивого равновесия.
Упругий продольный изгиб пластины не должен быть слишком большим. Действительно, когда величина изгиба превышает некоторое значение, переход между двумя положениями устойчивого равновесия становится слишком сложным, и тогда нелинейная пружина колеблется только вблизи одного положения устойчивого равновесия.
Упругий продольный изгиб предпочтительно составляет менее 10%, предпочтительнее менее 6%, в частности, менее 4%, причем процентные доли рассчитаны на длину промежуточного участка с функцией нелинейной пружины.
Изгиб пластины можно также выразить, указав отношение деформации к толщине пластины. В нелинейном динамическом гасителе колебаний по настоящему изобретению это отношение предпочтительно составляет менее 100, в частности, менее 50 и в идеале менее 30.
В одном предпочтительном варианте осуществления нелинейного динамического гасителя колебаний по настоящему изобретению средство фиксации состоит из одной детали, содержащей два средства зажима концевых участков пластины. Этот вариант осуществления особенно выгоден, когда используют изогнутую пластину, так как он позволяет регулировать напряжение сжатия пластины без прикрепления средства фиксации к основной конструкции.
Однако в принципе средство фиксации могло бы быть образовано из двух разных деталей, каждая из которых содержит средство зажима одного конца пластины. Этот вариант осуществления потребовал бы регулировки натяжения пластины после закрепления нелинейного динамического гасителя колебаний на основной конструкции, колебания которой требуется ослабить.
Средство фиксации должно быть образовано из достаточно жесткого материала, чтобы передавать колебания основной конструкции на нелинейную пружину, образованную пластиной. Предпочтительно речь идет о полимерном материале с относительно высоким модулем упругости, обычно выше 1,5 ГПа.
Средство фиксации нелинейного гасителя колебаний, использованного в экспериментах, осуществленных авторами заявки, было образовано из ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол). ABS представляет собой составной двухфазный материал с термопластичной матрицей (акрилонитрил-стирол), в которой распределены зерна эластомера (бутадиен). Эти зерна могут играть важную роль в диссипации колебательной энергии нелинейного динамического гасителя колебаний. Другим двухфазным материалом этого типа, особенно хорошо подходящим для образования средства фиксации, является ударопрочный полистирол, представляющий собой блок-сополимер стирола с бутадиеном, с эластомерными зернами полибутадиена, распределенными в полистирольной матрице.
В одном выгодном варианте осуществления изобретения средство фиксации образовано из двухфазного полимерного материала, содержащего жесткую термопластичную матрицу (с высоким модулем Юнга) и эластомерную фазу (с низким модулем Юнга), диспергированную в термопластичной матрице.
Динамический гаситель колебаний по настоящему изобретению предпочтительно имеет плоскость симметрии, перпендикулярную продольной оси пластины.
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления динамического гасителя колебаний средство фиксации содержит два плеча, идущих симметрично из общего основания. В таком случае два средства зажима концевых участков пластины расположены соответственно на двух плечах, предпочтительно на краю или близко к краю каждого плеча, в двух симметричных положениях относительно друг друга.
Нелинейный динамический гаситель колебаний как целое может иметь, например, U-, Y- или V-образную форму, что позволяет закреплять его на опоре на уровне основания U, Y или V.
В одном предпочтительном варианте осуществления оба средства зажима являются губками тисков.
Груз, закрепленный на промежуточном участке, предпочтительно весит от 1 до 200 г, предпочтительнее от 2 до 100 г, в частности, от 3 до 50 г и в идеале от 5 до 30 г.
Длина промежуточного участка пластины предпочтительно составляет от 1 до 50 см, предпочтительнее от 3 до 30 см, в частности, от 5 до 20 см.
Толщина промежуточного участка пластины предпочтительно составляет от 0,05 мм до 5 мм, предпочтительнее от 0,1 до 3 мм, в частности, от 0,5 до 2 мм.
Наконец, ширина промежуточного участка пластины предпочтительно составляет от 1 мм до 50 мм, предпочтительнее от 2 мм до 30 мм, в частности, от 5 до 20 мм.
Нелинейный динамический гаситель колебаний, сконструированный и испытанный авторами заявки и более подробно описываемый ниже, содержит пластину, промежуточный участок которой имеет длину 12 см, толщину 0,1 мм и ширину 0,5 см, и в центре которого закреплен груз весом 3 г.
Как пояснялось во введении, нелинейный динамический гаситель колебаний согласно настоящему изобретению применяется для улучшения звукоизоляции между двумя помещениями, разделенными стеной, содержащей по меньшей мере одну плиту. Эта стена может отделять внутреннее пространство здания от наружной среды, или же она может разделять два помещения здания или железнодорожного, морского, автомобильного или воздушного транспортного средства.
Эта стена может представлять собой элемент конструкции в форме плиты или же она может содержать несколько элементов конструкции, каждый из которых содержит по меньшей мере одну плиту. Во всех случаях нелинейный динамический гаситель колебаний закреплен с помощью средства фиксации непосредственно на плите или плитах элемента конструкции.
Кроме того, объектом настоящей заявки является элемент конструкции, содержащий
- по меньшей мере одну плиту из жесткого материала и
- по меньшей мере один нелинейный динамический гаситель колебаний, какой описан выше, жестко закрепленный на плите с помощью средства фиксации динамического гасителя колебаний.
Объектом изобретения является также перегородка или стена, в частности, перегородка или стена здания или железнодорожного, морского, автомобильного или воздушного транспортного средства, содержащая такой элемент конструкции с вышеописанным нелинейным динамическим гасителем колебаний. Эта перегородка или стена предпочтительно является двойной перегородкой или двойной стенкой.
Модуль Юнга жесткого материала, из которого образована плита, обычно выше 0,1 ГПа, предпочтительно выше 1 ГПа, в частности, больше или равен 3 ГПа.
Плита может быть выполнена из материала, выбранного, например, из стекла, бетона, металла, гипса, пластмассы, древесины или из композиционных материалов.
В одном предпочтительном варианте осуществления элемент конструкции содержит по меньшей мере одну гипсовую плиту.
В другом предпочтительном варианте осуществления элемент конструкции является частью перегородки с двойными стенками, то есть он содержит две параллельные плиты, разделенные промежутком, называемым также воздушным зазором. Действительно, именно с двойными перегородками, содержащими две плиты, соединенные воздушным зазором, возникают проблемы довольно высокой звукопроницаемости в области низких частот, соответствующих частоте дыхания системы. Проблема звукопроницаемости особенно значительна, когда обе плиты являются гипсовыми, обычно закрепленными на реечной раме и/или стойках, предпочтительно металлических.
Промежуточное пространство, заключенное между двумя плитами, предпочтительно по меньшей мере частично заполнено звукоизоляционным материалом.
Как правило, нелинейный динамический гаситель колебаний предпочтительно закреплять на плите таким образом, чтобы плоскость пластины гасителя колебаний была по существу параллельна плоскости плиты.
Элемент конструкции может содержать один или несколько нелинейных динамических гасителей колебаний. Из очевидных эстетических соображений, когда элемент конструкции является частью перегородки с двойными стенками, нелинейный динамический гаситель колебаний предпочтительно закреплять на по меньшей мере одной из сторон, обращенных внутрь двойной перегородки.
Однако в рамках проекта улучшения звукоизоляции существующей стены гаситель звуковых колебаний можно закрепить на видимой, легко доступной стороне стены.
Для оптимизации эффективности нелинейного динамического гасителя колебаний его следует установить в месте плиты, где амплитуда колебаний плиты максимальна. Действительно, накачка энергии начинается только с некоторого уровня колебательной энергии, и основная сложность применения нелинейного динамического гасителя колебаний для звукоизоляции состоит в максимально возможном снижении порога инициирования. Таким образом, устанавливать нелинейный динамический гаситель колебаний следует в месте плиты, где она колеблется наиболее сильно. Это место чаще всего будет находиться в середине поверхности плиты, наиболее удаленном от закрепленных краев.
Когда промежуточное пространство двойной перегородки заполнено изоляционным материалом, нелинейный динамический гаситель колебаний можно разместить в углублении, сделанном на внутренней стороне плиты, или в углублении, сделанном в изоляционном материале, так, чтобы он не контактировал с изоляционным материалом. В другом варианте изоляционный материал может заполнять только часть промежуточного пространства, и нелинейный динамический гаситель колебаний можно вставить в незаполненную часть.
Наконец, объектом настоящего изобретения является применение нелинейного динамического гасителя, какой описан ниже, или элемента конструкции, содержащего такой нелинейный динамический гаситель колебаний, для снижения звукопроницаемости стенки.
Это применение включает, например, способ снижения звукопроницаемости стены, разделяющей две комнаты в здании или отделяющей внутреннее пространство здания от наружной среды, причем способ включает в себя закрепление на указанной стене, предпочтительно на одной плите указанной стены, нелинейного динамического гасителя колебаний согласно настоящему изобретению.
Разумеется, все рассмотренные выше варианты осуществления нелинейного динамического гасителя колебаний или элемента конструкции, содержащего такой гаситель колебаний, применимы в равной мере к применению этих объектов для снижения звукопроницаемости стены.
Далее настоящее изобретение описывается более подробно с обращением на приложенные фигуры, на которых:
- Фиг.1 показывает график изменения коэффициента затухания двойной перегородки в зависимости от частоты звука, прохождение которого через стену требуется предотвратить;
- Фиг.2 является видом в перспективе нелинейного динамического гасителя колебаний согласно изобретению,
- Фиг.3 является видом сверху предлагаемого изобретением динамического гасителя колебаний с фигуры 2, выявляющим два положения устойчивого равновесия пластины с функцией нелинейной пружины;
- Фиг.4 показывает поперечный разрез двойной перегородки, содержащей нелинейный динамический гаситель колебаний согласно изобретению.
0
Фиг.1 уже обсуждалась во введении. Она иллюстрирует техническую задачу, решение которой предлагается настоящим изобретением, а именно, высокая звукопроницаемость (f) двойной стенки на низких частотах (примерно 100-150 Гц), называемых частотой дыхания, соответствующей противофазному резонансу двух плит двойной стены.
Предлагаемый настоящим изобретением нелинейный динамический гаситель колебаний 9, показанный на Фиг.2, содержит средство фиксации 4 в форме сплюснутой буквы Y. Это средство фиксации состоит из основания 7, от которого симметрично отходят два плеча 6. На конце каждого плеча 6 находится средство зажима 5, затягивание которого можно регулировать винтом. Эти два средства зажима 5 удерживают два концевых участка (не видны) металлической пластины 1. Промежуточный участок 2b пластины может свободно колебаться при его активации вибрацией основного резонатора (не показан), на котором нелинейный динамический гаситель колебаний 9 будет закреплен. В центре пластины 1 закреплен малый груз 3.
Фиг.3 показывает этот же нелинейный динамический гаситель колебаний, у которого пластина 1 подвергнута напряжению сжатия, действующему по продольной оси симметрии пластины. Это напряжение сжатия возникло благодаря тому, что промежуточный участок 2b пластины, находящийся между двумя концевыми участками 2a, зажатыми средствами зажима 5, длиннее, чем расстояние, разделяющее два средства зажима. Это напряжение сжатия вызывает продольный изгиб пластины 1. Каждая из двух иллюстраций показывает положение устойчивого равновесия изогнутой пластины 1. В действии, то есть когда нелинейный динамический гаситель колебаний согласно изобретению жестко закреплен на плите, подвергаемой достаточной вибрации, пластина может переходить из одного положения устойчивого равновесия в другое.
Наконец, Фиг.4 очень схематически показывает нелинейный динамический гаситель колебаний 9 согласно изобретению, закрепленный в углублении плиты 11, являющейся частью элемента конструкции по изобретению. В данном случае элемент конструкции представляет собой перегородку с двойными стенками, образованными из двух плит 11, между которыми заключено промежуточное пространство 8, заполненное изоляционным материалом 10. Нелинейный динамический гаситель колебаний закреплен на плите таким образом, чтобы плоскость пластины (не видна) была по существу параллельна общей плоскости плиты 11.