Колебательная система

 

Изобретение относится к области технической гидроакустики, в частности к созданию устройств для генерирования низкочастотных гидроакустических сигналов , и может быть использовано в устройствах по исследованию океана и в технологических устройствах. Целью изобретения является повышение эффективности излучения за счет уменьшения изгибных напряжений и увеличения напряжений сжатия-растяжения . С этой целью система снабжена жестким ободом, который прикреплен к мембране и к соединительному фланцу, мембрана выполнена по форме гиперболоида вращения, выпуклого относительно плоскости крепления мембраны в сторону, противоположную расположению привода, а толщина мембраны Нт определена вырааНк жением Нт где nc+ECl+lQaHKl/ho1 а - наибольший радиус упругого полотна мембраны; гк - текущий радиус, h0 - наибольшая толщина упругого полотна мембраны у жесткой ступицы, Нк - текущая толщина упругого полотна мембраны по радиусу гк, к - безразмерный конструктивный коэффициент. 4 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 04 R 17/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ, где 4

6д 4

Ql 4 (21) 4748840/10 (22) 16.10.89 (46) 30,05.92. Бюл. М 20 (71) Научно-исследовательский институт

"Атолл" (72) А. Г. Полевик и И. А. Полевик (53) 534.232(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N.1451875, .кл, .Н 04 R 17/10, 1984. (54) КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА (57) Изобретение относится к области технической гидроакустики, в частности к созданию устройств для генерирования низкочастотных гидроакустических сигна-. лов, и может быть использовано в устройствах по исследованию океана и в технологических устройствах. Целью изобретения является повышение эффективности излучения за счет уменьшения изгибных

Изобретение относится к области низкочастотной акустики, в частности к устройствам по гене рированию акустических сигналов, может быть использовано в акустических системах по исследованию океанов, в технологических процессах различного назначения.

Известен акустический источник, у которого колебательные системы состоят из жесткой центральной части, на которую воздействует привод, упругой (изгибной) части, обеспечивающей амплитудное перемещение жесткой средней части, и присоединительный фланец, обеспечивающий болтовое крепление колебательной системы к корпусу.

Недостатком подобных колебательных систем является малый ресурс и низкий ме„„. Ы„„1737757 А1 напряжений и увеличения напряжений сжатия-растяжения. С этой целью система снабжена жестким ободом, который прикреплен к мембране и к соединительному фланцу, мембрана выполнена по форме гиперболоида вращения, выпуклого относительно плоскости крепления мембраны в.сторону, противоположную расположению привода, а толщина мембраны Hm определена вырааН» жением Нп1— а — наибольший радиус упругого полотна мембраны; 㻠— текущий радиус, hp — наибольшая толщина упругого полотна мембраны у жесткой ступицы, Н» — текущая толщина упругого полотна мембраны по радиусу r », к — безразмерный конструктивный коэффициент, 4 ил. ханический коэффициент полезного действия.

Ближайшим к изобретению является колебательная система преобразователя, содержащая корпус, привод, излучающую накладку, жесткую ступицу, мембрану и соединительный фланец. Недостатком подобной колебательной системы в данном преобразователе является малый ресурс и низкий механический коэффициент. полезного действия.

Малый ресурс колебательной системы преобразователя объясняется тем, что упругая часть — воротник выполнен одной толщины по радиусу, а это означает, что имеется одно наименьшее кольцевое сечение, в котором возникают и концентрируются наибольшие напряжения от изгиба воротника.

И это наименьшее кольцевое сечение опре1737757 деляет ресурс колебательной системы. Это сечение у вершины угла 50, так как площадь металла кольцевого сечения s этом месте наименьшая, Малый ресурс преобразователя ближайшего аналога заключается еще и в том, что при таком конструктивном исполнении, когда нейтральная линия упругого воротника лежит в плоскости изгиба, то при работе в воротнике возникают напряжения от изгиба, а общеизвестно, что напряжения от изгиба разрушают материал быстрее, чем напряжения от сжатия или растяжения образца.

КПД объясняется тем, что в подобных конструкциях, кроме полезных поперечных колебаний, возникают и радиальные паразитные колебания, а значит и расход энергии привода на полезные и паразитные колебания.

Целью изобретения является повышение эффективности излучения за счет уменьшения изгибных напряжений и увеличения напряжений растяжения-сжатия.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе колебательная система, содержащая корпус, привод, излучающую накладку, жесткую ступицу, мембрану и соединительный фланец, снабжена жестким ободом, который прикреплен к мембране и к соединительному фланцу, мембрана выполнена по форме гиперболоида вращения, а толщина мембраны Hm определена выражением аН»

ho где а — наибольший радиус упругого полотна мембраны;

r» — текущий радиус;

ho — наибольшая толщина упругого полотна мембраны у жесткой ступицы;

Н» — текущая толщина мембраны по радиусу г», к — безразмерный конструктивный коэффициент, равный Π— 1.

Поясним пути достижения поставленной цели.

Для уменьшения изгибных напряжений или полной их ликвидации упругое полотно мембраны выполним так, чтобы его нейтральная линия не находилась в плоскости колебаний и составляла с ней угол

О. Чем больше угол 0, тем меньше напряжения от изгиба и больше на растяжениесжатие.

Для уменьшения радиальных (паразитных) колебаний колебательную систему снабдим ободом и закрепим его к мембране и к присоединительному фланцу, причем

5 обод впрессуем в присоединительный фланец и создадим предварительно напряженную конструкцию, чем и снизим радиал ьные (паразитные) колебания.

Для исключения концентрации напря10 жений в упругой части полотна мембраны на каком-либо определенном радиусе должно обеспечиваться равенство площадей кольцевых сечений, &=52=...=5»=2 л г1 Ь1=2 л rahu=... 2 л r»h,, 15 т.е. S(r) = const причем So» S, где So — площадь кольцевого сечения ступицы;

S(r) площади боковых поверхностей

20 кольцевых сечений упругого полотна мембраны на расстоянии r от оси колебания Π— 0;

h — текущая толщина упругого полотна мембраны по радиусу, В прямоугольном сечении площадь S

25 при увеличении r возрастает линейно, следовательно, для того чтобы S на рабочем участке упругого полотна мембраны была постоянной, необходимо чтобы высота (толщина) h менялась по гиперболическому за30 кону х у — 1 а2 b2

Сделав преобразования и используя инварианты, получим уравнение ординат(толщины) асимптоты гиперболы в следующем виде

40 аН, Hm— (2) 45 Рассмотрим граничные условия выражения (2) При г»=0

Hm=ho

50 при г»=а а Н»

H» ho

H»+ho

Имеем две крайние ординаты асимптоты гиперболы, определяющие наибольшую и наименьшую толщину упругого полотна мембраны.

Профилирование упругого полотна мембраны по выражению (2) обеспечивает равенство площадей кольцевых сечений уп1737757 ругого полотна и равномерность напряжений по всему полотну мембраны.

Рассмотрим физическое значение безразмерного конструктивного коэффициента

К.

Обозначим граничные условия, что

h<=ho=Hmlo что соответствует максимальной толщине упругого полотна мембраны у ступицы, и определим вариации Hmlo в инho тервале от — до h и введем коэффициент

К=Π— 1, тогда при К=О, подставляя в выражение (1), получим аН, Hm/о Н "о ° аНк

rK+ h о (3) Выражение (3) показывает, что толщина упругого полотна мембраны будет максимальная, а колебательная система при этом будет иметь наивысшую собственную частоту. При К=1, выражение (1) примет вид а Нк ho

На/о г. + о

Выражение (4) показывает, что толщина упругого полотна мембраны будет минимальной, а колебательная система при этом будет иметь самую низкую собственную частоту.

Варьируя коэффициентом К, мы можем получить заданную собственную частоту колебательной системы, не меняя ее массу.

А выполнение присоединительного фланца сплошной конструкции без отверстий под болты и закрепление его к корпусу излучателя неразъемным соединением, например клеевыми композициями или сварным швом, обеспечивает колебательной системе постоянную жесткость и стабильность резонансной частоты в процессе работы.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом являются снабжение колебательной системы жестким ободом, профилирование упругого полотна мембраны в радиальном сечении по закону гиперболы, выполнение упругого полотна мембраны с конусностью ее нейтральной линии под углом к плоскости колебания, снабжение неразъемным соединением упругого полотна мембраны с жесткой ступицей и жестким ободом, неразъемное соединение жесткой ступицы упругого полотна мембраны и жесткого обода с присоединител ьн ым фланцем, Упругое полотно 3 колебательной системы (фиг. 1 и 3) спрофилировано так, что все

50 площади кольцевых сечений S1, Sz, ..., SK на

ТЕКУЩИХ РаДИУСаХ Г1, Г2, ..., Гк РаВНЫ МЕЖДУ собой, а средняя нейтральная линия о — в радиального сечения придает конусность мембране и образует угол 0=7 с плоскостью

55 о — с, перпендикулярной оси колебательной системы Π— О.

В большинстве практических случаев этот угол конусности упругого полотна мембраны лежит в пределах от 2 до 15о, потому что при угле меньше 2 начнут преобладать

45 создание равнопрочной предварительно напряженной конструкции, закрепление колебательной системы к корпусу излучателя неразьемным соединениемм.

На фиг. 1 изображен профиль упругого полотна мембраны; на фиг. 2 — варианты конусности полотна мембраны; на фиг. 3 — узел закрепления жесткого обода в присоединительный фланец и крепление фланца к корпусу излучателя; на фиг. 4 — схема распределения сил упругости после запрессовки обода по линии а-б;

Колебательная система состоит из жесткой ступицы 1, соединенной, например, при помощи сварного шва 2 с деформируемым упругим полотном мембраны 3, которое, в свою очередь, например, также при помощи сварного шва 4 соединено с жестким ободом 5, Эта конструкция может быть выточена из целой заготовки, но тогда большой процент уходит в стружку.

Жесткий обод 5 соединен (например, впрессован) с присоединительным фланцем б, в результате чего создалась предварительно напряженная конструкция со встречными напряжениями по линии а-б (фиг, 3 и 4); такая предварительно напряженная конструкция исключает болтовое соединение, создает равнопрочный фланец, исключает радиальные паразитные колебания, создает постоянную высокую меха н ичес кую добротность кол ебател ьной системе.

Присоединительный фланец 6 имеет юбку 7 с утоньшением и неразъемным соединением, например сварным швом 8 крепится к корпусу излучателя 9. Создается герметичная конструкция излучателя. Корпус излучателя и крепление колебательной системы к корпусу излучателя может быть выполнено при помощи клеевых композиций. На жесткую ступицу 1 воздействует сила F привода.

1737757 а. Оиз — МаКС

op — мин

aH»

И в

4о

55 напряжения от изгиба с 3, что снижает ресурс колебательной системы, а при углах более 15 увеличивается жесткость полотна мембраны и снижается амплитуда колебания поршня-излучателя. 5

Для увеличения активной составляющей колебательная система снабжена поршнем-излучателем, выполненным, например, из легких композитных материалов с прочной армировкой, причем центр порш- 10 ня-излучателя прикреплен к центру жесткой ступицы 1, Внешний диаметр поршня-излучателя имеет бурт, который образует с буртом присоединительного фланца б зазор

0,2 — 0,3 мм. 15

Между поршнем-излучателем и полотном мембраны 3 размещена эластичная оболочка, заполненная сжатым газом.

Упругое полотно мембраны 3 может быть выполнено выпуклой стороной в сторо- 20 ну привода 10 (фиг. 1б).

Колебательная система работает следующим образом.

При воздействии привода силой F на жесткую ступицу она вынуждена отклоняться по оси о — о на амплитуду со знаком плюс.

Поскольку колебательная система присоединительным фланцем 6 закреплена к корпусу 9, то в упругом полотне мембраны

3 возникают напряжения на растяжении ор и на изгиб ои3 и в зависимости от угла О конусности полотна мембраны 3 (фиг. 1 и 2 а, б, с, д) их соотношение б дет азлично, у р

35 б Оиз = Ор С, Пиз — мин

0 ð — макс

По прекращении действия силы F под воздействием внутренних напряжений в упругом полотне мембраны 3 ступица 1 вернется в исходное положение, При обратном действии силы F в упругом полотне мембраны 3 снова возникают напряжения, но уже на сжатие ос и на изгиб ои, и ступица 1 переместится по направлению о-о на амплитуду, но уже со знаком минус.

На углах конусности упругого полотна мембраны в 7 обеспечиваются наибольшие амплитуды для получения низких частот и ресурса до 10 циклов, при o —— 0,8(Б).

Воздействием на жесткую ступицу 1 силой F приводим ее в колебание, а вместе с ней и поршень-излучатель, который генерирует в окружающую среду импульсы сжатия и растяжения.

Запрессовка жесткой ступицы 1 упругого полотна мембраны 3 с жестким ободом 5 в присоединительный фланец 6 позволяет создать равнопрочную, предварительно напряженную конструкцию колебательной системы, обеспечивающую повышение ресурса, стабильность резонансной частоты и повышенный механический КПД колебательной системы.

П риме н ение и редлага ем ой кол ебател ьной системы позволяет создать резонансные излучатели с электромагнитными, гидравлическими, магнитострикционными и другими приводами с высоким ресурсом и повышенным электроакустическим КПД.

Формула изобретения

Колебательная система, содержащая корпус, привод, излучающую накладку, жесткую ступицу, мембрану и соединительный фланец, о тл и ч а ю ща я с я тем, что, с целью повышения эффективности излучения за счет уменьшения изгибных напряжений и увеличения напряжений растяжения-сжатия, она снабжена жестким ободом, который прикреплен к мембране и соединительному фланцу, мембрана выполнена в форме гиперболоида вращения, выпуклого относительно плоскости крепления мембраны в сторону, противоположную расположению привода, а толщина мембраны Hm определена выражением где а - наибольший радиус упругого полотна мембраны;

r» — текущий радиус; по — наибольшая толщина упругого полотна мембраны у жесткой ступицы;

Н» — текущая толщина упругого полотна мембраны по радиусу r», К. — безразмерный конструктивный коэффициент, изменяющийся от 0 до 1.

1737757

1737757

14

Составитель А.Полевик

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор О.Ципле

Редактор Н.Коляда

Заказ 1908 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, )К-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101