ПОДВОДНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ЭКРАН Российский патент 2005 года по МПК G10K11/00 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно, к подводным акустическим экранам, испытывающим действие гидростатического давления. Оно может быть использовано в акустических измерительных бассейнах, а также для снижения уровней помех в обтекателях гидроакустических станций рыболовецких судов и снижения уровня звукового поля, создаваемого находящимися в воде различными инженерными конструкциями.

Известны гидроакустические отражатели и поглотители, а также гидроакустические экраны, состоящие из слоев резиноподобного материала (РПМ) с воздушными полостями. Наличие последних позволяет преобразовать объемные деформации РПМ, вызванные звуковым давлением, в сдвиговые, что “обеспечивает” большее поглощение падающего на экран звука, поскольку РПМ обладают существенно большими механическими потерями при сдвиговых деформациях. Указанные конструкции описаны, например, в книгах: 1. "Некоторые вопросы прикладной акустики". Сб. статей под ред. Дж.Ричардсона. "Воен. издат. МО СССР", М., 1962. 2. В.Е.Глазанов "Экранирование гидроакустических антенн" Л. "Судостроение". 1986; 3. А.В.Ионов "Средства снижения вибрации и шума на судах". С Петербург, Изд. ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, 2000 г.; а также в ряде статей, например, Вовк А.Е., Пастернак Р.Н., Тютекин В.В., "Экспериментальные исследования волновых свойств среды с цилиндрическими каналами" Акуст. ж., 1958, т.4, вып.1, с.24-32, а также и патентах: "Устройство для формирования бетонных планок с акустическими свойствами", патент США 3217375; "Гидроакустический поглотитель и отражатель", патент США 4164727; "Акустический экран для работ под давлением" патент США 4399526; "Звукопоглощающий материал", патент Японии 53-3242; "Сверхлегкие строительные элементы для прочных легких конструкций, в частности для космических аппаратов", патент ФРГ 2108278; "Покрытия, армирующие вибрацию и шум вибрирующих конструкций", патент Франции № 2186617; "Устройство термокомпенсации резонаторов", а.с. 356724 и др.

Почти все указанные выше аналоги обладают существенным недостатком - малой пьезостабильностью акустического эффекта, что связано с уменьшением воздухосодержания в слое РПМ вследствие деформирования воздушных полостей при действии гидростатического давления. Некоторые из приведенных аналогов, например, "Гидроакустический поглотитель и отражатель" (пат. США 4164727) по своей конструкции должен быть более пьезостабильным, но он обладает высокой изгибной жесткостью из-за наличия в его составе жестких металлических армирующих слоев. Последнее затрудняет его нанесение на криволинейные защищаемые конструкции, а также резку его при нанесении на поверхности сложной конфигурации.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) предлагаемого подводного акустического экрана является "Подводный акустический экран" по пат. РФ 2138858 С1. Он выполнен в виде пластины, состоящей из нижнего и верхнего слоя. Нижний слой выполнен из мягкого РПМ в виде системы пазов и выступов. Верхний слой экрана на внутренней стороне имеет выступы, поперечное сечение которых соответствует сечениям пазов нижнего слоя таким образом, что при соединении указанных верхнего и нижнего слоев выступы верхнего слоя проникают в пазы нижнего слоя, образуя при этом герметичные воздушные полости. Кроме того, экран-прототип имеет дополнительные воздушные полости в выступах нижнего слоя. Кроме того, соотношение упругих модулей материалов верхнего и нижнего слоев экрана-прототипа составляет 6-100.

Недостатком прототипа является его невысокая акустическая эффективность при повышенных гидростатических нагрузках, а также высокая трудоемкость при сборке этих слоев экрана в готовое изделие в первую очередь из-за необходимости шерохования склеиваемых поверхностей сложного профиля и промазки клеем элементов экрана перед их горячей совулканизацией. Кроме того, сложная конфигурация элементов экрана требует разработки и изготовления сложных пресс-форм.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение акустической эффективности, сохранение эффекта при эксплуатации экрана в условиях повышенного гидростатического давления, а также упрощение технологии изготовления экрана.

Это достигается тем, что в предлагаемом техническом решении выступы верхнего слоя размещены внутри массива нижнего слоя, например путем вулканизации, и составляют с ним единый массив, при этом верхний слой снабжен дополнительными выступами, расположенными в части воздушных полостей нижнего слоя, и указанные выступы размещены с просветом между стенками упомянутых воздушных полостей, а выступы верхнего слоя имеют переменное по высоте сечение. Кроме того, верхний слой со стороны выступов имеет воздушные полости, общая площадь указанных полостей составляет 10-12% площади экрана.

Размещение выступов верхнего слоя экрана внутри выступов нижнего слоя, составляющих с нижним слоем неразрывный единый массив, обеспечивает повышение акустической эффективности экрана за счет высвобождения свободной боковой поверхности воздушной полости и повышение пьезостабильности эффекта за счет жестких выступов верхнего слоя.

Снабжение верхнего слоя экрана дополнительными выступами, расположенными в части воздушных полостей нижнего слоя так, что они размещены с просветом между стенками упомянутых воздушных полостей, дает дополнительную пьезостабильность экрану.

Благодаря переменному по высоте сечению выступов верхнего слоя в заявляемом экране происходит изменение волнового сопротивления наружной поверхности верхнего слоя от величины, согласованной с волновым сопротивлением воды, к нижней монтажной поверхности нижнего слоя, рассогласованной с ним, что позволяет более интенсивно поглощать и изолировать звуковую энергию.

Для более полного согласования с сопротивлением воды верхний слой со стороны выступов имеет дополнительные воздушные полости, а общая площадь указанных полостей составляет 10-12% площади экрана. Существенным является то, что предложенная конструкция экрана уменьшает трудоемкость и значительно повышает надежность сохранения эффекта при эксплуатации экрана в условиях повышенного гидростатического давления.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема заявляемого подводного акустического экрана; на фиг.2 - схема заявляемого экрана с выступами верхнего слоя, размещенными в воздушных полостях; на фиг.3 - схема заявляемого экрана с переменными по высоте выступами верхнего слоя; на фиг.4 - схема заявляемого экрана с дополнительными воздушными полостями в верхнем слое; а на фиг.5 показана частотная зависимость превышения акустического эффекта заявляемого экрана над экраном-прототипом.

Предлагаемый подводный акустический экран (см. фиг.1) состоит из верхнего слоя 1 с выступами 2, которые расположены в массе резиноподобного материала нижнего слоя 3, имеющего в своем массиве воздушные полости 4. Для увеличения пьезостабильности эффекта экрана верхний слой имеет дополнительные выступы 5, которые размещены внутри части воздушных полостей 4 нижнего слоя 3, причем указанные выступы не касаются боковых поверхностей воздушных полостей нижнего слоя 3.

Для большего поглощения звуковой энергии выступы 6 верхнего слоя 1 (см. фиг.3) могут иметь переменное по высоте сечение, например в виде усеченного конуса, что приводит к увеличению акустического эффекта.

К дополнительному повышению акустического эффекта приводит то, что верхний слой 1 со стороны выступов 2 имеет воздушные полости 7, а общая площадь указанных полостей составляет 10-12% площади экрана (фиг.4).

Эффективность работы предлагаемого экрана по сравнению с прототипом объясняется тем, что размещение армирующих выступов верхнего слоя внутри РПМ нижнего слоя 1, определяющего величину акустической эффективности экрана, позволяет увеличить его воздухонаполненность и площадь свободно-деформируемых стенок воздушных полостей - границы “резина-воздух”.

Устройство работает следующим образом. При падении на экран звуковой волны в резиноподобном материале возникают продольные колебания. Волна распространяется по направлению к нижнему слою 3 экрана с воздушными полостями 4. В резиноподобном материале нижнего слоя происходит трансформация продольных колебаний в сдвиговые и поглощение звуковой энергии экраном.

Особенности работы предлагаемого экрана заключаются в том, что элементы армирования - выступы верхнего слоя размещены как в толще материала нижнего слоя, так и в части воздушных полостей, но не ужесточает боковые поверхности полостей. Учитывая, что наибольшей радиальной деформацией, а значит, и наибольшим звукопоглощением обладают участки РПМ указанных стенок воздушных полостей, размещение выступов верхнего слоя вне указанных стенок без их касания обеспечивает наибольший акустический эффект.

Такое техническое решение позволяет получить большую, чем у прототипа статическую жесткость экрана при сохранении сравнительно малой его динамической жесткости. При действии на экран гидростатического давления происходит обжатие экрана и, соответственно, уменьшение объема воздушных полостей, что приводит к увеличению динамической жесткости экрана и к соответствующему уменьшению его акустической эффективности. Указанное уменьшение объема происходит как из-за обжатия податливого нижнего слоя, так и из-за деформации участков верхнего слоя, играющих роль крышек воздушных полостей нижнего слоя. При наличии в воздушных полостях дополнительных выступов верхнего слоя, которые не касаются боковых поверхностей воздушных полостей, уменьшаются деформации крышек полостей и, соответственно, уменьшение объема полостей становится меньше, чем при отсутствии дополнительных выступов. В то же время динамическая жесткость экрана при наличии свободной боковой поверхности воздушной полости практически не меняется. Это позволяет реализовать более высокий акустический эффект экрана при большем, чем у экрана-прототипа диапазоне гидростатических давлений.

В качестве конкретного примера выполнения были изготовлены образцы заявляемого экрана и экрана-прототипа диаметром ~150 мм. Испытания проводились в гидроакустическом волноводе. На фиг.5 приведена частотная зависимость величины превышения акустического эффекта - звукоизоляции заявляемого подводного акустического экрана над прототипом.

Приведенные результаты показали, что заявляемый акустический экран во всем измеренном диапазоне частот превышает акустическую эффективность прототипа.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к подводным акустическим экранам, испытывающим действие гидростатического давления. Оно может быть использовано в акустических измерительных бассейнах, а также для снижения уровней помех в обтекателях гидроакустических станций рыболовецких судов и снижения уровня звукового поля, создаваемого находящимися в воде различными инженерными конструкциями. Технический результат: повышение акустической эффективности и сохранение указанного эффекта при повышенных гидростатических давлениях без увеличения его массогабаритных характеристик. Указанный результат достигается тем, что выступы верхнего слоя экрана размещены внутри массива нижнего слоя, например путем вулканизации, и составляют с ним единый неразъемный массив, а также тем, что верхний слой снабжен дополнительными выступами, расположенными в части воздушных полостей нижнего слоя. При этом дополнительные выступы размещены с просветом между стенками упомянутых воздушных полостей, а выступы верхнего слоя имеют переменное по высоте сечение, верхний слой со стороны, обратной выступам, имеет воздушные полости, а общая площадь указанных полостей составляет 10-12% площади экрана. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Подводный акустический экран, выполненный в виде пластин резиноподобного материала, состоящих из нижнего и верхнего слоев с системой выступов на его внутренней поверхности с соотношением модулей упругости материалов верхнего и нижнего слоев, составляющим 6-100, отличающийся тем, что верхний слой снабжен дополнительными выступами и имеет со стороны выступов воздушные полости, общая площадь которых составляет 10-12% площади экрана, причем основные выступы верхнего слоя размещены внутри массива нижнего слоя, составляя с ним неразъемный единый массив, а его дополнительные выступы расположены в части воздушных полостей нижнего слоя и размещены с просветом между стенками упомянутых воздушных полостей.2. Подводный акустический экран по п.1, отличающийся тем, что выступы верхнего слоя имеют переменное по высоте сечение.