Экран для звука в потоке жидкости

 

Изобретение относится к гидроакустике. Предложен экран для звука в потоке жидкости, представляющий собой кольцевую оболочку, состоящую из наружной и внутренней обечаек из жесткого материала, содержащую внутри высокоэластичный материал с герметичными воздушными полостями. Оболочка имеет обтекаемый крыловидный профиль, подкреплена внутренним демпфированным набором, расположенным между обечайками. Высокоэластичный материал скреплен с внутренней обечайкой и заполняет оболочку частично, причем воздухосодержание его воздушных полостей принято изменяющимся в радиальном направлении таким образом, что в крайних слоях оно составляет по 1-5%, а в слое средней части - 20-50%, а между высокоэластичным материалом и наружной обечайкой имеется жидкостный зазор. В результате увеличивается экранирующий эффект, в том числе на низких частотах, а также повышается прочность конструкции экрана. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предложение относится к средствам гидроакустики и может быть использовано в судостроении, например, для формирования характеристик направленности, повышения помехозащищенности приемников и увеличения эффективности излучателей звука.

Из литературы известны плоские экраны для звука в жидкости (В.Е.Глазанов. "Экранирование гидроакустических антенн". Судостроение, Л., 1986, стр. 112,113). Недостатком этих устройств является сложность создания конструкций, охватывающих экранируемый объект.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому эффекту (прототипом) является внешний цилиндрический экран в виде кольцеобразной замкнутой оболочки, состоящей из наружной и внутренней обечаек, выполненных из жесткого материала, содержащей высокоэластичный материал с герметичными воздушными полостями (см. там же).

Однако известное устройство неэффективно работает в потоке, так как из-за своих плохих гидродинамических качеств создает шумовое поле как за счет турбулентности потока, так и силового воздействия на элементы конструкции, вызывающее как возможное разрушение конструкции, так и переизлучение звука.

Задачей настоящего изобретения является увеличение экранирующего эффекта, в том числе и на низких звуковых частотах, а также прочности конструкции экрана.

Это достигается тем, что оболочка имеет обтекаемый крыловидный профиль, подкреплена внутренним демпфированным набором, расположенным между обечайками, а высокоэластичный материал скреплен с внутренней обечайкой и заполняет конструкцию частично, причем воздухосодержание его воздушных полостей принято изменяющимся в радиальном направлении таким образом, что в крайних слоях оно составляет по 1-5%, а в слое средней части - 20-50%. Между высокоэластичным материалом и наружной обечайкой имеется жидкостный зазор.

Кроме того, наружная поверхность внешней обечайки облицована высокоэластичным материалом с воздушными полостями.

Выполнение оболочки экрана с обтекаемым крыловидным профилем позволяет снизить турбулентный шум при обтекании экрана жидкостью.

Подкрепление оболочки внутренним демпфированным набором, расположенным между обечайками, обеспечивает улучшение упругих и диссипативных качеств конструкции.

Изменение суммарного воздухосодержания воздушных полостей высокоэластичного материала в радиальном направлении от 1-5% в крайних слоях и до 20-50% в слое средней части дает возможность обеспечить звукоизоляцию и звукопоглощение оболочки в широком диапазоне частот.

Наличие жидкостного зазора между высокоэластичным материалом экрана и наружной обечайкой допускает образование больших деформаций конструкции экрана без разрушения и обеспечивает акустический контакт сред.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано схематическое изображение устройства экрана для звука в потоке, продольный разрез; на фиг. 2 - теоретические оценки эффективности одного из вариантов предложения.

Предлагаемый экран для звука в потоке жидкости в направлении потока 1 (фиг. 1) представляет собой кольцеобразную оболочку 2 с обтекаемым крыловидным профилем, имеющую наружную 3 и внутреннюю 4 обечайки из жесткого материала, подкрепленные внутренним демпфированным набором, расположенным между обечайками, один из элементов которого показан линией 5. Между внешней обечайкой 3 и высокоэластичным материалом имеется жидкость в зазоре 6. Экран закреплен на несущих конструкциях с помощью жестких элементов 7. Объем оболочки 2 частично на толщину H заполнен высокоэластичным материалом 8, 9 с воздушными полостями 10. Воздухосодержание крайних слоев высокоэластичного материала, обращенных к внутренней 4 и наружной 3 обечайкам, составляет 1-5%, а в слое средней части 20-50%, причем крайний слой 9, обращенный к внутренней обечайке 4, жестко соединен с поверхностью обечайки 4, а между другой обечайкой 3 и высокоэластичным материалом 9 имеется зазор h.

Наружная обечайка 3 с внешней стороны может быть облицована высокоэластичным материалом 11 с воздушными полостями 12.

Устройство работает следующим образом. Под действием гидродинамических сил, значительно ослабленных обтекаемым крыловидным профилем экрана, тем не менее возникающих в потоке, образуются струи жидкости, как непосредственно излучающие звуковую энергию в экранируемую область пространства, так и вызывающие колебания преобразователя или другого экранируемого прибора. Борьба с этими явлениями обеспечивается введением в экран 2 демпфированного внутреннего набора, снижающего вибрации, например, в виде шпангоутов, расположенных между обечайками и облицованных акустическим материалом. Шумозаглушающие свойства экрана реализуются поглощающим звуковую энергию объемом высокоэластичного материала. Для реализации последней задачи лучше всего подходит высокоэластичный материал 8, 9 с полостями (например, резина или термоэластопласт), обладающий высоким коэффициентом внутренних потерь акустической энергии. Воздухосодержание слоев определяется следующим образом. Уменьшение воздухосодержания крайних слоев против названного (1-5%) ведет к недопустимому снижению величин деформаций сдвига в высокоэластичном материале и, следовательно, снижению поглощения энергии. Увеличение воздухосодержания приводит к снижению звукопоглощения из-за рассогласования импедансов слоев и воды.

Для увеличения эффективности предлагаемой конструкции в среднюю часть массива высокоэластичного материала вводится звукоизолирующий слой 8, препятствующий проникновению звука сквозь экран. Выбор воздухосодержания этого слоя (20-50%) определяется следующим. Уменьшение воздухосодержания против названного приводит к недопустимому снижению шумозаглушения. Увеличение воздухосодержания относительно приведенного делает конструкцию статически неустойчивой.

Прослойка жидкости 6 между наружной обечайкой и массивом высокоэластичного материала обеспечивает акустический контакт этих сред без механического соприкосновения, могущего привести к повреждению конструкции в условиях деформации высокоэластичного материала под действием переменного давления.

Для реализации вибродемпфирующих свойств конструкции массив высокоэластичного материала 9 жестко связан с внутренней обечайкой 4, которая подвержена гидродинамическим воздействиям в наибольшей степени. Минимальная передача энергии от обечайки 4 к обечайке 3 обеспечивается демпфированием набора 5, например набора шпангоутов, расположенных между обечайками, путем сообщения ему механических потерь, например, облицовкой акустическим покрытием.

Наружная обечайка 3 с внешней стороны может быть облицована высокоэластичным материалом 11 с воздушными полостями 12 для создания условий для проникновения звуковой энергии в тело экрана (согласование сопротивлений) и в дальнейшем к ее поглощению в массиве высокоэластичного материала 9.

В целом, звукоизолирующий слой 8 служит в основном для увеличения помехозащищенности в направлении, перпендикулярном оси экрана 1, а звукопоглощающие слои 9 вызывают некоторый эффект экранирования в осевом направлении 1. Изменением параметров акустического насыщения экрана и его толщины возможно достичь максимального эффекта на заданной частоте.

Была проведена теоретическая проработка предлагаемой конструкции с толщиной массива из акустической резины H = 1 м, крайние слои резины имели толщину 0,2 м и 0,05 м. В расчетах использовалась плоская модель массива из высокоэластичного материала, позволяющая получить оценку эффективности акустических мероприятий в широком диапазоне частот. Как показал расчет (фиг. 2), звукоизоляция 13 экрана на низких частотах порядка 100 Гц составляет величину 7 дБ и с возрастанием частоты быстро увеличивается. Поглощающая способность конструкции 14 возрастает с 50% до 98% (на частоте 1 кГц). Приведенные расчеты позволяют заключить, что эффективность экрана в направлении, перпендикулярном оси потока, оценивается величиной порядка 10 дБ и более при наличии некоторого эффекта также в осевом направлении.

Формула изобретения

1. Экран для звука в потоке жидкости, представляющий собой кольцевую оболочку, состоящую из наружной и внутренней обечаек из жесткого материала, содержащую внутри высокоэластичный материал с герметичными воздушными полостями, отличающийся тем, что оболочка имеет обтекаемый крыловидный профиль, подкреплена внутренним демпфированным набором, расположенным между обечайками, а высокоэластичный материал скреплен с внутренней обечайкой и заполняет оболочку частично, причем воздухосодержание его воздушных полостей принято изменяющимся в радиальном направлении таким образом, что в крайних слоях оно составляет по 1-5%, а в слое средней части - 20-50%, а между высокоэластичным материалом и наружной обечайкой имеется жидкостный зазор.

2. Экран для звука в потоке жидкости по п.1, отличающийся тем, что его наружная обечайка с внешней стороны облицована высокоэластичным материалом с воздушными полостями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2