ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в опытовых бассейнах для создания звукопоглощающих и звукоизолирующих элементов.

Из технической и патентной литературы известны такие средства поглощения и изоляции звуковой энергии, как гидроакустические покрытия, например, по патенту США №4164727 от 14.08.1979 г. Недостатком этого устройства является недостаточная эффективность на низких частотах.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому эффекту (прототипом) является устройство для изоляции и поглощения звуковой энергии, называемое резонатором Гельмгольца (М.А.Исакович. Общая акустика. Издательство "Наука", М., 1973 г., стр.370). Оно состоит из инерционного элемента в виде столба жидкости в отрезке трубы и упругого элемента в виде расширения трубы, заполненного жидкостью. Рассматриваемая колебательная система обеспечивает эффективное поглощение и рассеивание звука вблизи своей резонансной частоты. Однако необходимость обеспечения работы системы на низких частотах требует неоправданного увеличения размеров конструкции.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение эффективной работы гидроакустического резонатора по изоляции и поглощению на низких частотах при приемлемых габаритных размерах устройства, в том числе и при статических нагрузках.

Это достигается тем, что гидроакустический резонатор представляет собой совокупность упомянутого инерционного элемента и связанного с ним упругого элемента, который выполнен из высокоэластичного материала, включающего герметичные воздушные полости, и размещен внутри упомянутого отрезка трубы.

При этом упругий элемент гидроакустического резонатора может состоять из двух дисков из высокоэластичного материала с воздушными полостями, между плоскостями которых заключен герметично скрепленный с ними диск из жесткого материала, имеющий диаметр, равный внутреннему диаметру отрезка трубы, и закрепленный к внутренней поверхности отрезка трубы по ее периметру, причем отрезок трубы выполнен прямым.

Кроме того, свободная поверхность по меньшей мере одного из дисков упругого элемента из высокоэластичного материала может быть армирована пластиной из жесткого материала.

При этом упругий элемент может быть установлен по длине трубы со смещением относительно середины отрезка трубы.

Выполнение упругого элемента из высокоэластичного материала с воздушными полостями позволяет обеспечить его акустическую сжимаемость на несколько порядков больше по сравнению с сжимаемостью водной среды в расширение трубы резонатора-прототипа. Поскольку резонансная частота уменьшается с ростом сжимаемости (М.А Исакович. Общая акустика. М., Издательство "Наука", 1973 г., стр.371), то эффективная работа гидроакустического резонатора обеспечивается на низких частотах при приемлемых размерах конструкции. При этом упругий элемент необходимо расположить внутри отрезка трубы, так как в противном случае теряется акустическая связь между ним и инерционным элементом (столбом жидкости).

Выполнение упругого элемента из двух дисков позволяет реализовать высокую податливость упругого элемента при минимальных размерах.

Армирование свободной поверхности по меньшей мере одного из дисков упругого элемента из высокоэластичного материала позволяет избежать схлопывания воздушных полостей при больших статических нагрузках, что обеспечивает работоспособность устройства в этих условиях.

Смещение упругого элемента относительно середины отрезка трубы дает возможность расширить частотную полосу эффективности.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано схематическое изображение предлагаемого гидроакустического резонатора, на фиг.2 - частотная зависимость эффективности (дБ) предлагаемого гидроакустического резонатора со смещенным упругим элементом относительно середины отрезка трубы, а на фиг.3 - экспериментально полученная частотная зависимость эффективности (дБ) гидроакустического резонатора.

Предлагаемый гидроакустический резонатор (фиг.1) представляет собой совокупность инерционного элемента в виде заключенного в отрезок трубы 1 наружным диаметром D, внутренним диаметром D₀ и длиной L столба жидкости 2 и связанного с ним упругого элемента 3 длиной L₀, выполненного из высокоэластичного материала, содержащего воздушные полости 4. Он может состоять из двух дисков 5 из высокоэластичного материала, между плоскостями которых закреплен герметично скрепленный с ними диск 6 из жесткого материала. Свободная поверхность по меньшей мере одного из дисков 5 из высокоэластичного материала упругого элемента 3 может быть армирована пластиной 7. Диск 6 может крепиться к внутренней поверхности отрезка трубы 1, например, при помощи болта 8. Расстояния от края отрезка трубы 1 до упругого элемента 3 могут быть неодинаковые и составляют L₁ и L₂ соответственно.

Устройство работает следующим образом, обеспечивая необходимый уровень поглощения и рассеивания звуковой энергии на низких частотах. В условиях падения звуковой волны, например, на левую секцию гидроакустического резонатора (см. фиг.1) акустическая картина определяется соотношением потенциальной и кинетической энергии колебательной системы. Максимальная эффективность резонатора достигается на его резонансной частоте ω_р.

Кинетическая энергия гидроакустического резонатора пропорциональна величине Н (Ляпунов В.Т., Лавендел Э.Э., Шляпочников С.А. "Резиновые виброизоляторы". Справочник: - Л.: Судостроение, 1988 г., стр.67):

где ρ - плотность жидкости; r и z - цилиндрические координаты, естественным образом связанные с отрезком трубы; w - продольное перемещение жидкости в трубе; D₀ и L₁ - размеры элементов гидроакустического резонатора.

Потенциальная энергия приближенно выражается следующим соотношением:

где G - комплексный модуль сдвига высокоэластичного материала; D₀, L₀, L₁ - размеры элементов гидроакустического резонатора.

Собственная частота колебаний резонатора ω_р определяется по формуле:

(см. также М.А.Исакович. Общая акустика. М., Издательство "Наука", 1973 г, стр.371).

Аналогично определяется резонансная частота для резонатора прототипа при условии, что в формуле (2) вместо модуля сдвига высокоэластичного материала G выступает модуль всестороннего сжатия жидкости К. Из технической литературы (Ляпунов В.Т., Лавендел Э.Э., Шляпочников С.А. "Резиновые виброизоляторы". Справочник: - Л.: Судостроение, 1988 г., стр.67) известно, что отношение K/G=500...5000, что согласно формуле (3) соответствует снижению резонансной частоты ω_р для гидроакустического резонатора по сравнению с прототипом, по крайне мере, в десятки раз при сохранении габаритов гидроакустического резонатора.

Наличие жесткого диска, имеющего диаметр, равный внутреннему диаметру отрезка трубы, исключает прохождение звуковой энергии через весь гидроакустический резонатор, в противном случае это снижало бы его эффективность, а герметичное скрепление по меньшей мере с одним из дисков из высокоэластичного материала позволяет обеспечить герметизацию воздушных полостей, граничащих с жестким диском.

Наличие армирующих пластин позволяет избежать схлопывания воздушных полостей при статических нагрузках.

Смещение упругого элемента относительно центра отрезка трубы позволяет расширить диапазон эффективности гидроакустического резонатора по частоте (фиг. 2, кривая А) за счет разнесения максимумов по эффективности.

Были проведены экспериментальные исследования возможности реализации основных параметров устройства при следующих исходных величинах: внешний диаметр гидроакустического резонатора D=74 мм, внутренний диаметр гидроакустического резонатора D₀=68 мм, длина гидроакустического резонатора L=150 мм, толщина упругого элемента L₀=40 мм.

Полученная зависимость распределения эффективности звукоизоляции в зависимости от безразмерной частоты (фиг.3, кривая Б) показывает, что эффективность достигает величины до 12 дБ на безразмерной частоте 0,8.

Таким образом, реализация основных параметров предлагаемого устройства практически возможна.