ЗВУКО-ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ
SOUND VIBRATION INSULATING ELEMENT FOR COATINGS

Изобретение относится к средствам гидроакустики и может быть использовано в области машиностроения и судостроения для повышения пьезостабильности и звуко- вибропоглощающей эффективности средств акустической защиты в диапазоне статических и динамических нагрузок. В частности изобретение может быть использовано в качестве гидроакустического покрытия и низкочастотного глушителя-рассеивателя подводного звука.
Известны устройства гидроакустической защиты, изготавливаемые из резиноподобных материалов (РПМ), внутри которых размещены воздушные полости разной формы и размеров. Применение в указанных устройствах РПМ объясняется, прежде всего, близостью значений удельных акустических сопротивлений резиноподобных материалов и воды, их высокими коэффициентами механических потерь, эксплуатационными и технологическими характеристиками.
Аналогом по назначению и применению является «Гидроакустическое покрытие» (патент №2411706 РФ 2010 г.), представляющее собой герметичную пластину из резиноподобного материала, содержащей нижний слой цилиндрических полостей, армированных полимерными катушками, а слой верхних воздушных полостей в виде конусов без армировки.
Недостатком конструкции данного устройства является ограничение эффективности в низкочастотном диапазоне. Поглощение колебательной энергии в данном устройстве осуществляется за счет релаксационных процессов в РПМ, возникающих при сдвиговых деформациях за счет воздушных полостей в конструкции. Расширение частотного диапазона в низкочастотную область напрямую связано с увеличением массогабаритных характеристик устройства и размеров воздушных полостей, что накладывает значительные ограничения на его применение.
В некоторых устройствах гидроакустической защиты используются воздушные полости в РПМ больших размеров. Для поддержания пьезостабильности (устойчивости) таких устройств гидроакустической защиты и обеспечение акустической эффективности устройства в диапазоне частот известны решения в виде специальной подкрепляющей арматуры из ребер в виде распорных элементов, размещаемых внутри эластичной (резиновой) оболочки.
Наиболее близким по технической сущности аналогом предполагаемого изобретения - его прототипом является «Виброизолирующее устройство» (а.с. №815348, 1978 г. СССР). Расширение рабочего диапазона частот в известном техническом решении достигается выбором переменного шага между армирующими элементами подкрепляющей арматуры, что можно рассматривать как систему связанных колебательных контуров (резонансные частоты линейно связаны с массогабаритными параметрами резонансного устройства).
Недостатком существующего технического решения является достижение акустической эффективности (эффекта по виброизоляции и вибропоглощению) только в частотном диапазоне вблизи резонанса устройства, что означает необходимость увеличения массогабаритных характеристик данного устройства для смещения его акустической эффективности в низкочастотную область. Поглощение колебательной энергии происходит только за счет релаксационных потерь при сдвиговых деформациях в РПМ. Физико-механические характеристики РПМ непостоянны в частотном диапазоне (изменение модуля сдвига и коэффициента механических потерь изменяются в несколько раз в рабочем диапазоне частот). Кроме этого в диапазоне статических и динамических нагрузок РПМ с полостью подвержен значительным деформациям, что отрицательно сказывается на характеристиках резонансного поглощающего устройства (нарушается согласованность акустических сопротивлений окружающей среды (воды) и устройства - снижается звуко-вибропоглощающая эффективность устройства).
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является расширение диапазона рабочих гидростатических нагрузок и расширение диапазона частот, в которых обеспечивается звукопоглощающая эффективность устройств гидроакустической защиты, без увеличения их массогабаритных характеристик.
Задача решается за счет того, что звуко-виброизолирующий элемент для покрытий, состоящий из упругого элемента с полостью, в которой установлена катушка с армирующими элементами, имеет следующие отличия: катушка состоит из набора армирующих элементов двух конструкций, соединенных между собой эластомерной уплотнительной шайбой, каждый набор содержит не менее двух армирующих элементов, разделенных между собой зазором, заполненным тонким слоем вязкой жидкости, толщина зазора одной конструкции 0,3÷0,6 миллиметра, толщина зазора другой конструкции 0,2÷0,4 миллиметра, каждый зазор герметизирован эластомерной уплотнительной шайбой, конструкция одного вида армирующего элемента в два раза больше по высоте и два раза меньше по внутреннему диаметру конструкции второго вида армирующего элемента.
А также, эластомерная уплотнительная шайба выполнена с прижимным пазом по периметру.
Сущность изобретения поясняется чертежом. На фиг. 1 изображен звуко-виброизолирующий элемент для покрытий, размещаемый на корпусной конструкции механическим или клеевым способом, состоящий из упругого элемента (РПМ) 1 с полостью 2. В полость установлена катушка, состоящая из армирующих элементов 3 и 4 (двух разных конструкций). Конструкция армирующего элемента 4 в два раза больше по высоте и два раза меньше по внутреннему диаметру конструкции армирующего элемента 3. Для обеспечения герметичности воздушной полости 2 упругий элемент 1 закрыт герметизирующей пластиной 5.
На фиг. 2. изображен набор из армирующих элементов 3, 4 разных конструкций. Армирующие элементы соединяются между собой эластомерными уплотнительными шайбами 6, 7 с прижимным пазом (на фиг. не показан) по периметру с учетом типа конструкции, обеспечивающими требуемую толщину зазора между ними. Зазор заполняется вязкой жидкостью 8, обеспечивающей дополнительный механизм диссипации колебательной энергии за счет вязких потерь в тонком граничном акустическом слое. Толщина зазора между армирующими элементами 3 составляет 0,2÷0,4 миллиметра, толщина зазора между армирующими элементами 4 составляет 0,3÷0,6 миллиметра, каждый зазор герметизирован эластомерной уплотнительной шайбой с прижимным пазом по периметру.
На фиг. 2 разрез А-А показан вид сверху набора из армирующих элементов (3) где:
1
R - внутренний радиус армирующего элемента;
вн
R - наружный радиус армирующего элемента;
0
R - наружный радиус конструкции с эластомерной уплотнительной шайбой;
сл
R - внутренний радиус конструкции с эластомерной уплотнительной шайбой.
Отдельные конструктивные элементы звуко-виброизолирующего элемента для покрытий могут быть выполнены следующим образом: упругий элемент 1 в виде полого цилиндра может быть изготовлен из резины методом прессования РПМ, либо методом заливки в форме из полиуретана. Армирующие элементы 3, 4 изготавливаются из металлического сплава, исключающего деформации контактных поверхностей при воздействии гидростатического давления. Эластомерные уплотнительные шайбы с прижимным пазом по периметру 6, 7 изготавливаются методом заливки из полиуретана. Вязкая жидкость 8 (трансформаторное масло) заливается в зазор методом шприцевания через технологический канал (на фиг. не показан), который после этого также герметизируется. Собранные армирующие элементы помещаются в упругий элемент 1. Для обеспечения герметичности на окончательном этапе сборки элемент 1 закрывается герметизирующей пластиной 5, также изготовленной из РПМ, методом склейки или вулканизации.
Скругление вершин армирующих элементов способствует повышению долговечности и уменьшению концентраций напряжения в РПМ. В колебательном процессе в узком зазоре возникает вынужденный поток с высокотрансформированной скоростью вязкой жидкости (трансформация скорости возникает в процессе колебаний за счет изменения толщины зазора - коэффициент механических потерь для такого рода систем пропорционален квадрату колебательной скорости вязкой жидкости в узком зазоре.). При этом в граничном акустическом слое создается механизм диссипации акустической энергии (характерная толщина граничного акустического слоя в частотном диапазоне устройств гидроакустической защиты на границе раздела сред составляет 0,1-0,5 мм). Данный механизм поглощения колебательной энергии основан на эффектах термовязкостной акустики.
Предлагаемое техническое решение можно рассматривать как создание дополнительного колебательного контура с шириной поглощения до 2-4 октав. Резонансные характеристики дополнительного колебательного контура могут быть смещены в низкочастотную область, где прототип не имеет достаточную акустическую эффективность. Смещение резонансных характеристик в низкочастотную область достигается выбором площади контактной поверхности, толщиной зазора, а также характеристиками вязкой жидкости и формой упругого элемента.
R
1
2
3
P
На фиг. 3 изображен звуко-виброизолирующий элемент для покрытий в виде колебательного контура, где Zcs - податливость воздушной полости, Zm - инерционность вязкой жидкости, Zc - податливость жидкости в зазоре, Z - частотно-зависимые потери вязкой жидкости в зазоре, Z - импеданс внешней среды на воздушную полость, Z - импеданс внешней среды на зазор с вязкой жидкостью, Z - импеданс нагрузки (корпусная конструкция), F - внешняя сила, действующая на армирующие пластины, Fs внешняя сила, действующая на полость. Принцип работы дополнительного контура поглощения энергии описан в работе K.-P. Siebrasse Untersuchungen an Wassorschall Resonanz abserbern mit Reibungeverlusten in Flussigkeitsschichten. Acoustica, Nov. 1970, vol. 23, No.5, pp. 251-260.
Таким образом, за счет конструкционной формы звуко-виброизолирующего элемента и введения дополнительного механизма диссипации колебательной энергии достигается расширение диапазона рабочих гидростатических нагрузок и расширение диапазона частот, в которых обеспечивается звукопоглощающая эффективность устройств гидроакустической защиты, что выгодно отличает его от прототипа.