ЛОКАЛЬНЫЙ ВИБРОПОГЛОТИТЕЛЬ
LOCAL VIBRATION ABSORBER

Изобретение относится к области борьбы с вибрацией от воздействия на конструкции воздушного шума или динамических усилий, возникающих при работе шумящего и (или) виброактивного оборудования, используемого на транспортных средствах различного функционального назначения (суда, самолеты, автомобили и т.д.).
Известно большое количество средств уменьшения вибрации, наиболее распространенными из которых являются вибропоглощающие покрытия и локальные вибропоглотители. Подробное описание принципа действия и конструкции указанных средств приведено, см. например, А.С. Никифоров. Вибропоглощение на судах. Гл. 3 Вибропоглощающие покрытия для судовых конструкций, стр. 53-78 и Гл. 5 Прочие средства вибропоглощения. § 17 Локальные вибропоглотители, стр. 87-95. Издательство "Судостроение", Ленинград, 1979 г.
Одним из наиболее распространенных типов вобропоглощающих покрытий является армированное вибропоглощающее покрытие (А.С. Никифоров. Акустическое проектирование судовых конструкций. §6.3 Средства вибропоглощения, стр. 158-161. Издательство "Судостроение", Ленинград, 1990 г.), представляющее собой диссипативный слой резиноподобного материала на который наносится армирующий слой из металла. Одним из недостатков армированного вибропоглощающего покрытия является большая масса, обусловленная как большими размерами покрытия в плане, так и его большой толщиной. Действительно, для повышения эффективности армированное вибропоглощающее покрытие наносят на всю или большую часть поверхности демпфируемой конструкции, а толщина покрытия превышает толщину демпфируемой конструкции в два и более раз.
Для минимизации массы и площади размещения вибропоглощающих устройств вместо армированных вибропоглощающих покрытий используют локальные вибропоглотители, представляющие собой груз (металлическую массу) и резиновый слой между грузом и демпфируемой конструкцией (см. там же) - прототип.
Недостатком прототипа-устройства является отсутствие эффективности снижения уровней вибрации устройством на низких резонансных частотах демпфируемой конструкции при малой массе груза.
Задачей предполагаемого изобретения является существенное повышение эффективности снижения уровней вибрации устройством на низких резонансных частотах демпфируемой конструкции при одновременном уменьшении его массы.
Указанная задача решается благодаря тому, что в локальном вибропоглотителе, включающем скрепленные между собой металлическую массу и резиновый слой между металлической массой и интенсивно колеблющейся на частоте ƒ демпфируемой конструкцией, по изобретению металлическая масса выполнена в виде металлической пластины, имеющей толщину h, составляющую от 0,2 до 0,5 толщины демпфируемой конструкции, длину , определяемую величиной от половины до одной длины изгибной волны в металлической пластине на частоте ƒ, а одна из поверхностей металлической пластины облицована армированным вибропоглощающим покрытием, состоящим из слоя полимерной пленки из поливинилацетата толщиной от 0,2 мм до 1,5 мм и металлического армирующего слоя толщиной от 0,2 до 0,5 толщины h металлической пластины. При этом металлическая пластина соединена с демпфируемой конструкцией через установленное в геометрическом центре или в углах упомянутой пластины механическое крепление или постоянный магнит, которые отстоят от точки с наибольшим уровнем вибрации на расстоянии, не превышающем 0,1 длины изгибной волны в демпфируемой конструкции на частоте ƒ.
Выполнение металлической массы в виде металлической пластины, имеющей толщину h, составляющую от 0,2 до 0,5 толщины демпфируемой конструкции, длину  определяемую величиной от половины до одной длины изгибной волны в металлической пластине на частоте ƒ, а одна из поверхностей металлической пластины облицована армированным вибропоглощающим покрытием, состоящим из слоя полимерной пленки из поливинилацетата толщиной от 0,2 мм до 1,5 мм и металлического армирующего слоя толщиной от 0,2 до 0,5 толщины h металлической пластины, обеспечивает повышение эффективности локального вибропоглотителя за счет настройки низшей собственной частоты изгибных колебаний металлической пластины на частоту ƒ повышенной вибрации демпфируемой конструкции при одновременном уменьшении массы устройства в сравнении с прототипом. При этом из-за возникновения изгибных колебаний металлической пластины на частотах более высоких, чем ее низшая собственная частота, расширяется частотный диапазон, в котором проявляется эффективность локального вибропоглотителя.
Облицовка одной из поверхностей металлической пластины армированным покрытием, состоящим из слоя полимерной пленки из поливинилацетата толщиной от 0,2 мм до 1,5 мм и металлического армирующего слоя толщиной от 0,2 до 0,5 толщины h металлической пластины, способствует повышению эффективности локального вибропоглотителя за счет интенсивного поглощения колебательной энергии в полимерной пленке при резонансных колебаниях металлической пластины на частоте ƒ, возникающих при передаче повышенной вибрации демпфируемой конструкции на металлическую пластину через механическое крепление или постоянный магнит.
Размещение механического крепления или постоянного магнита в геометрическом центре или в углах металлической пластины от точки с наибольшим уровнем вибрации на расстоянии, не превышающем 0,1 длины изгибной волны в демпфируемой конструкции на частоте ƒ, повышает эффективность локального вибропоглотителя за счет увеличения потерь колебательной энергии в полимерной пленке армированного покрытия при интенсивной вибрации демпфируемой конструкции на частоте ƒ.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 представлен предлагаемый локальный вибропоглотитель на демпфируемой конструкции, имеющий механическое крепление в геометрическом центре металлической пластины, и на фиг. 2 - поперечное сечение по А-А локального вибропоглотителя на фиг. 1, установленного на демпфируемой конструкции. На фиг. 3 представлен предлагаемый локальный вибропоглотитель на демпфируемой конструкции, имеющий механическое крепление в углах металлической пластины, и на фиг. 4 - поперечное сечение по А-А локального вибропоглотителя на фиг. 3, установленного на демпфируемой конструкции.
Локальный вибропоглотитель содержит металлическую пластину 1, имеющую толщину h, составляющую от 0,2 до 0,5 толщины демпфируемой конструкции 2, длину , определяемую величиной от половины до одной длины изгибной волны в металлической пластине на частоте ƒ, а одна из поверхностей металлической пластины облицована армированным вибропоглощающим покрытием, состоящим из слоя 3 полимерной пленки из поливинилацетата толщиной от 0,2 мм до 1,5 мм и металлического армирующего слоя 4 толщиной от 0,2 до 0,5 толщины h металлической пластины. Металлическая пластина 1 соединена с демпфируемой конструкцией 2, имеющей повышенные уровни вибрации на частоте ƒ с помощью механического крепления 5, расположенного в геометрическом центре или углах упомянутой пластины, что показано на фиг. 1, 2, 3, 4, соответственно. Механическим креплением 5 может быть постоянный магнит. В качестве полимерной пленки из поливинилацетата в армированном вибропоглощающем покрытии использована полимерная пленка из поливинилацетата типа ВПС (ТУ 4515-001-00203521-93) - "рекордсмена" по вибропоглощающей эффективности среди используемых материалов. Данная полимерная пленка обладает самоклеющейся способностью и обеспечивает надежное крепление металлического армированного слоя, имеющего малую массу, на резонирующей металлической пластине, за счет чего улучшается технологичность локального вибропоглотителя - предполагаемого изобретения - по сравнению с прототипом.
Механические крепления геометрического центра или углов металлической пластины расположены отстоящими от точки с повышенным уровнем вибрации на расстоянии, не превышающем 0,1 длины изгибной волны в демпфируемой конструкции на частоте ƒ.
Предлагаемый локальный вибропоглотитель работает следующим образом.
Демпфируемой конструкцией может являться корпусная или внутрикорпусная конструкция транспортного средства, возбуждаемая воздушным шумом или динамическими усилиями со стороны работающего шумящего и (или) виброактивного механизма. Ею может быть, например, ограждающая конструкция помещения, в котором находится механизм, повышенные вибрации которой являются причиной превышающих нормы уровней вибрации и шума в соседних и более удаленных помещениях транспортного средства. Демпфируемой конструкцией могут являться также днищевая конструкция кормовой оконечности судна, возбуждаемая пульсационными давлениями со стороны гребного винта, или корпус виброактивного механизма, возбуждаемого соударениями движущихся элементов, являющиеся причиной возникновения повышенных вибрации и (или) шума транспортного средства.
Вибрационная энергия, введенная источником в демпфируемую конструкцию, распространяется на металлическую пластину через механическое крепление или постоянный магнит. При толщине h металлической пластины, составляющей от 0,2 до 0,5 толщины демпфируемой конструкции, длине  определяемой величиной от половины до одной длины изгибной волны в металлической пластине на частоте ƒ в ней на частоте ƒ возникают интенсивные колебания, которые воздействуют на полимерную пленку армированного вибропоглощающего покрытия. Колебательный процесс в полимерной пленке сопровождается потерями вибрационной энергии из-за ее преобразования в тепло, а его интенсификация при резонансных колебаниях металлической пластины приводит к увеличению вибропоглощения, что повышает эффективность локального вибропоглотителя. Потери колебательной энергии в полимерной пленке возрастают и на резонансных частотах колебаний демпфируемой конструкции, превышающих частоту ƒ и совпадающих с более высокими, чем низшая, собственными частотами изгибных колебаний металлической пластины. Это способствует расширению частотного диапазона эффективности локального вибропоглотителя.
При толщине h металлической пластины меньшей, чем 0,2 часть толщины демпфируемой конструкции, уменьшается эффективность локального вибропоглотителя из-за его малой массы по отношению к массе демпфируемой конструкции. Увеличение толщины h металлической пластины больше 0,5 толщины демпфируемой конструкции приводит к росту длины и массы локального вибропоглотителя.
При длине металлической пластины  со значениями, меньшими чем половина длины и большими, чем одна длина изгибной волны в металлической пластине на частоте ƒ, ухудшается настройка низшей собственной частоты ее изгибных колебаний на частоту ƒ повышенной вибрации демпфируемой конструкции, что приводит к уменьшению эффективности локального вибропоглотителя.
При толщине полимерной пленки из поливинилацетата от 0,2 мм до 1,5 мм в ней создаются условия для наилучшего поглощения колебательной энергии за счет касательных напряжений, возникающих в пленке при воздействии на нее металлической пластины и армирующего металлического слоя. При толщине пленки менее 0,2 мм уменьшается толщина ее слоя, в котором происходит преобразование колебательной энергии в тепло касательными напряжениями и уменьшается эффективность локального вибропоглотителя. При толщине пленки более 1,5 мм ухудшается возбуждение металлической пластиной армирующего металлического слоя и уменьшается эффективность локального вибропоглотителя.
Выполнение условия, что механическое крепление или постоянный магнит в геометрическом центре или в углах металлической пластины отстоит от точки с наибольшим уровнем вибрации на расстоянии, не превышающем 0,1 длины изгибной волны в демпфируемой конструкции на частоте ƒ, способствует наилучшему возбуждению металлической пластины и полимерной пленки и приводит к увеличению вибропоглощения в локальном вибропоглотителе, т.е. к росту его эффективности. При больших отстояниях механического крепления или постоянного магнита от точки с наибольшим уровнем вибрации демпфируемой конструкции уменьшаются уровни колебаний металлической пластины на частоте ƒ, что приводит к снижению эффективности локального вибропоглотителя.
-3
-3
-3
-3
изг
Измерения эффективности заявляемого изобретения проводились при установке локального вибропоглотителя на демпфируемую конструкцию из стали с размерами в плане 0,522×0,371 м и толщиной 1,5⋅10 м. Вторая низшая резонансная частота изгибных колебаний конструкции, на которой регистрировались повышенные уровни ее вибрации, составляла 129 Гц. Локальный вибропоглотитель с такой же низшей собственной частотой изгибных колебаний имел толщину 0,6-10 м и длину =0,15 м, равную примерно 0,72 длины изгибной волны в металлической пластине из стали на частоте 129 Гц и определяемую по формуле , где λ - длина изгибной волны на частоте ƒ в металлической пластине толщиной h. Ширина металлической пластины составляла 0,06 м. Толщина металлического армирующего слоя из стали составляла 0,12⋅10 м, а толщина диссипативного слоя из полимерной пленки на основе поливинилацетата типа ВПС - 0,5⋅10 м. Масса локального вибропоглотителя составляла 2,2% от массы демпфируемой конструкции. Максимальный уровень вибрации демпфируемой конструкции на частоте 129 Гц был зарегистрирован в пучностях второй формы ее изгибных колебаний. Механическое крепление геометрического центра локального вибропоглотителя совмещалось с одной из указанных пучностей колебаний демпфируемой конструкции. При установке локального вибропоглотителя было достигнуто уменьшение уровня вибрации демпфируемой конструкции на частоте ƒ=129 Гц на величину 37 дБ (~71 раз). Достигнуть такой же эффект на этой частоте при использовании прототипа с массой в 10 раз большей, чем у предлагаемого локального вибропоглотителя, оказалось невозможным. Эффективность прототипа с такой же массой как у испытанного локального вибропоглотителя отсутствовала.
Локальный вибропоглотитель уменьшил на 17-29 дБ (~8-30 раз) уровни вибрации демпфируемой конструкции также на ее более высоких резонансных частотах (174 Гц, 201 Гц, 285 Гц и т.д.), где эффект от установки прототипа отсутствовал.
Такие же результаты были получены при нахождении механического крепления предлагаемого локального вибропоглотителя в углах металлической пластины. Замена механического крепления постоянным магнитом принципиального влияния на эффективность предлагаемого локального вибропоглотителя не оказала.
Предлагаемый локальный вибропоглотитель имеет высокую эффективность снижения уровней вибрации устройством на низких резонансных частотах демпфируемой конструкции с существенным расширением частотного диапазона высокой эффективности и с одновременным уменьшением массы при лучшей технологичности, что выгодно отличает его от прототипа.