СПОСОБ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ИЗЛУЧЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЛЕГКИМ КОРПУСОМ ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ИЗЛУЧЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЛЕГКИМ КОРПУСОМ ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2024 года по МПК B63B1/00 B63B1/32 B63B1/36 F15D1/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к кораблестроению, а именно, к средствам снижения уровня излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта.

Уровень техники

Известен способ снижения пульсаций поля скоростей в турбулентном пограничном поле, состоящий в том, что на корпус подводного объекта наносят многослойное покрытие [1]. Основными недостатками данного способа являются малая долговечность покрытия, а также то, что с увеличением размеров объекта эффективность покрытия уменьшается. Кроме того, данный способ не позволяет активно воздействовать на процессы, происходящие в потоке жидкости.

Известен способ покрытия корпусов движущихся подводных объектов многокамерными резиновыми оболочками [2], где в камеры оболочек попеременно нагнетают и откачивают воздух с таким расчетом, чтобы создать «бегущую волну». Основным недостатком данного способа является то, что на его осуществление требуются значительные энергетические затраты.

Известен способ снижения уровня колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект, и устройство для его осуществления [3]. Основным недостатком данного способа и устройства является их неспособность функционировать в условиях морской среды на различных глубинах погружения подводного объекта.

Известны предварительные результаты испытаний систем активного гашения низкочастотных сигналов в водной и воздушной среде [4]. Основным недостатком предварительных результатов является отсутствие испытаний легкого корпуса подводного объекта, как объекта управления в области низких и в широком диапазоне частот.

Известны способы снижения передачи вибрации от энергетических установок активными методами [5]. Основным недостатком представленных способов является их неспособность снижать уровень излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта.

Раскрытие сущности изобретения

Целью изобретения является повышение эффективности снижения уровня излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта.

Указанная цель достигается посредством устройства для снижения уровня излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта, вызванного набегающим потоком, содержащего датчики ускорения и относительного перемещения для определения собственных колебаний легкого корпуса подводного объекта, параллельно соединенные с входами управляющего устройства, а также приводы колебаний, равномерно рассредоточенные по всей площади легкого корпуса в межкорпусном пространстве и соединенные с выходами управляющего устройства, причем указанные приводы колебаний выполнены с возможностью возбуждения вынужденных колебаний легкого корпуса по сигналу с управляющего устройства в ответ на определенные датчиками собственные колебания для их компенсации.

Кроме того, указанная цель достигается посредством способа снижения уровня излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта, вызванного набегающим потоком, с помощью вышеуказанного устройства, включающего в себя этапы, на которых:

посредством датчиков ускорения и относительного перемещения определяют собственные колебания легкого корпуса подводного объекта;

посредством приводов колебаний, равномерно рассредоточенных по всей площади легкого корпуса в межкорпусном пространстве, возбуждают вынужденные колебания легкого корпуса, компенсирующие собственные колебания легкого корпуса в низкочастотном и среднечастотном диапазонах, и интенсивностью, ограниченной пределом прочности материала легкого корпуса и глубиной погружения подводного объекта, снижая таким образом уровень излучения акустической энергии.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - схематическое изображение в разрезе подводного объекта, разбитого на участки вдоль продольной оси для моделирования в виде комбинации стержней с распределенными параметрами.

Осуществление изобретения

Задача для достижения цели снижения уровня излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта формулируется как задача нахождения отклика легкого корпуса подводного объекта (в виде функций распределения в пространстве и времени перемещений, скоростей и ускорений отдельных точек, сечений легкого корпуса) на действие вибрационных и ударных нагрузок, а также регулирования амплитуды этого отклика в требуемых пределах на интервалах действия этих нагрузок и последействия, когда в легком корпусе развиваются затухающие колебательные процессы, порожденные приложенными нагрузками.

Известно, что основными звукоизлучателями, формирующими первичное гидроакустическое поле подводного объекта, являются его легкий и прочный корпусы, граничащие с водной средой и трансформирующие попадающую в них колебательную энергию от работающих технических средств, от валопроводов, от гребных винтов (ГВ), от набегающего водного потока и других источников колебательной энергии и ударов в акустическую энергию.

Требуется оценить распределение нагрузок по легкому корпусу подводного объекта, движущегося на постоянной глубине, если внешняя сила предполагается известной.

В соответствии со схемой, представленной на фиг.1, подводный объект моделируется в виде комбинации стержней с распределенными параметрами (участки [0,x₁], [l₁,х₂], [l₂,х₃], [l₃,x₄]), имитирующих отсеки с плотным заполнением; тонкостенных изотропных оболочек, в которых находятся абсолютно твердые j тела, связанные через i упругие и демпфирующие элементы с_р, h_p со стержнями или оболочками. Эти участки модели ([x₁,l₁], [х₂,l₂]) имитируют «разреженные» отсеки подводного объекта, твердые i тела - внутренние блоки, а элементы с_р и h_p демпфирующую и жесткостную характеристики узлов крепления. Для составления уравнений, описывающих движение предлагаемой модели, выберем систему неподвижных координат XYZ и систему подвижных координат оси которых параллельны осям неподвижной системы в начальный момент времени, а начало помещено в центры тяжести j твердых тел (на фиг.1 j=1, 2, 3, 4) с координатами x_cj, y_cj, z_cj в системе XYZ. Будем предполагать, что движение стержневых участков модели происходит только в плоскости X0Y, а оболочечные участки и твердые тела совершают пространственные перемещения и деформацию. Запишем уравнение движения (малых нестационарных колебаний) для каждого из элементов модели от действия поперечной вибрационной (ударной) нагрузки F₂(x,t), а затем «состыкуем» их исходя из условий неразрывности деформаций и равенства силовых параметров на границах участков (т.е. при координатах х=0, x₁, x₁+l₁ и т.д., а также в точках Ni, где i - номер узла крепления j-го блока). Имеем:

а) для участков упругих стержней [6]:

где:

- k=1, 2, 3, 4 номер участка стержня;

- E_k,G_k,J_k,A_k,Y_k - модули упругости 1 и 2 родов, моменты инерции относительно оси 0Z, площадь сечения и удельный вес материала k-го участка;

- - вибрационная (ударная) нагрузка. Будем предполагать, что действует только на стержневые участки.

Уравнение (1) описывает движение (деформации) упругих стержней от совместного воздействия сил вращения и бокового сдвига, образующихся в результате воздействия приложенной силы на стержневые элементы модели.

б) для внутренних j тел [6]:

Остальные четыре уравнения системы (2) - 6, в, д, е - получаются путем круговой перестановки букв х, у, z.

В системе уравнений (2):

m_j - масса j-го тела;

моменты инерции твердых тел относительно подвижных осей координат

- линейные внешние перемещения точки узла крепления j-го тела;

- внешние угловые перемещения j-го тела;

- координаты i-го узла крепления j-го тела в системе координат c_j

В системе уравнений (2) представлено описание двух видов движения внутренних тел:

- поступательное (уравнения (а)-(в));

- вращательное (уравнения (г)-(е)).

В случае поступательного движения тела, суммарное его перемещение складывается из продольных перемещений самого тела вдоль каждой из осей и перемещений узлов крепления твердого тела.

В приведенных уравнениях (2) описаны перемещения при нежестком креплении тела.

При вращательном движении, перемещения тела определяются его угловым перемещением.

Коэффициенты жесткости i-го узла крепления j-го блока вычисляются следующим способом. Пусть оси р, g, r, характеризующие расположение упругих связей i-го узла крепления, взаимно перпендикулярны в пространстве и образуют некоторые углы с осями системы координат косинусы которых обозначим соответственно через где индекс последовательно, а индекс l=р, g, r также последовательно. Тогда:

Отметим, что в системе (2) ради экономии записи не указаны «демпфирующие» слагаемые уравнений движения, которые имеют такой же вид, как и «упругие» слагаемые, если в них заменить соответственно с на h и линейные и угловые перемещения х, у, z, α, β, γ на соответствующие скорости Точно так же остаются справедливыми и соотношения (3) для коэффициентов h:

в) оболочечные участки [7]:

Здесь:

u, ν, w - перемещения произвольной точки оболочки в осевом, тангенциальном и нормальном направлениях;

h - толщина оболочки;

ν - коэффициент Пуассона;

R - радиус срединной поверхности;

ρ - плотность материала;

Уравнение (4) движения оболочечных участков показывает движение круговой цилиндрической оболочки вдоль каждого направления:

- осевого (а);

- тангенциального (б);

- нормального (в)

Вводя обозначения и обозначая собственные формы колебаний стержня, оболочки через η, U, V, W соответственно, имеем следующие геометрические и силовые граничные условия для состыковки систем уравнений (1), (2), (4) [8]:

Здесь:

S₁, N₁, М₁ - усилия и моменты, действующие в оболочке;

Q^k, M^k - изгибающие моменты и перерезывающие силы, действующие в стержне;

- проекции и моменты реакций связей внутренних абсолютно твердых тел.

Таким образом, системы уравнений (1) - (4) с граничными условиями (5) и нулевыми начальными условиями позволяют решить задачу о нахождении отклика легкого корпуса подводного объекта на действие приложенных к нему нагрузок.

Энергия движения подводного объекта и, следовательно, воздействующий на него набегающий поток значительно трансформируются в акустическую энергию процессами обтекания корпуса. Сам слабо излучающий турбулентный поток «закачивает» энергию колебаний в обшивку легкого корпуса подводного объекта и ею через легкий корпус переизлучается в окружающую среду. Наличие наружного акустического покрытия ослабляет процесс переизлучения всей оболочкой корпуса, но наличие вырезов (шпигатов, кингстонов), выступающих частей (кнехтов, якорных устройств и пр.), а также шероховатости поверхности и резкие переходы в обводах корпуса приводит к формированию в пограничном слое подводного объекта крупных вихревых систем, которые и в местах своего зарождения, и по пути распространения вдоль подводного объекта вызывают удары и вибрации, способствующие повышению уровня излучения легким корпусом подводного объекта. Все это требует разработки способа и устройства для снижения уровня излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта.

Указанная цель достигается тем, что при реализации способа компенсации отклика легкого корпуса подводного объекта на действие вибрационной и ударной нагрузок, найденных из систем уравнений (1) - (4) с граничными условиями (5) и нулевыми начальными условиями, вынужденные колебания создаются равномерно рассредоточенными по всей площади легкого корпуса в межкорпусном пространстве n - приводами колебаний, работающими в широком диапазоне частот, и с интенсивностью, ограниченной пределом прочности материала легкого корпуса и глубиной погружения подводного объекта.

Указанная цель достигается также тем, что устройство для снижения уровня излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта, содержащее n - приводов колебаний, равномерно рассредоточенных по всей площади легкого корпуса в межкорпусном пространстве, работающих в широком диапазоне частот, имеющих интенсивность, ограниченную пределом прочности материала легкого корпуса и глубиной погружения подводного объекта. Усилие, передаваемое штоками приводов колебаний, определяется давлением жидкости на выходе регулятора, управление которым осуществляется по сигналу датчика ускорения и датчика относительного перемещения легкого корпуса управляющим устройством. Жидкость под давлением поступает от гидроаккумулятора, включаемого перед началом воздействия по сигналу датчика гидроаккумулятора насосной установки.

На фиг.1 изображена схема одного из n - элементов общего расположения устройства, реализующего способ снижения уровня излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта.

На фиг.1 изображен прочный корпус 11 подводного объекта, на котором закреплен привод 5 колебаний легкого корпуса 10 подводного объекта. Датчик 6 ускорения расположен на легком корпусе 10 подводного объекта. Датчик 7 относительного перемещения для определения координаты положения легкого корпуса расположен между легким корпусом 10 и приводом 5 колебаний.

Управляющее устройство 8, расположенное внутри прочного корпуса подводного объекта, формирует усилие, передаваемое штоком привода 5 колебаний, которое определяется давлением жидкости на выходе регулятора 9, управление которым осуществляется по сигналу датчика 6 ускорения и датчика 7 относительного перемещения легкого корпуса 10. Жидкость под давлением поступает от гидроаккумулятора 12, включаемого перед началом воздействия по сигналу датчика 13.

Способ осуществляется при работе устройства следующим образом.

Как известно, основными звукоизлучателями, формирующими первичное гидроакустическое поле подводного объекта, являются его легкий 10 и прочный 11 корпусы, граничащие с водной средой и трансформирующие попадающую в них колебательную энергию от работающих технических средств (1, 2, 3, 4), от валопроводов, от гребных винтов (ГВ) 14, от набегающего водного потока F₁(0,t) и других источников колебательной энергии и ударов F₂(0,t) в акустическую энергию.

При движении подводного объекта в подводном положении набегающий поток в целом имеет ламинарный пограничный слой в носовой части подводного объекта. Затем этот поток в какой - то точке легкого корпуса разделяется на два потока и начиная с этой точки возникает пограничный слой, увеличивающийся по толщине и переходящий из ламинарного в турбулентный поток, что вызывает увеличение уровня излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта. Датчики 6 абсолютного ускорения и датчики 7 относительного перемещения легкого корпуса вырабатывают электрические сигналы, которые передаются на управляющее устройство 8, где с помощью обратной связи вырабатываются такие управляющие сигналы на приводы 5 колебаний легкого корпуса, чтобы уровень излучения акустической энергии легким корпусом был минимальным.

Список использованной литературы

1. С.И. Логачев. Транспортные суда будущего. Л.: Судостроение, 1976, с. 109;

2. И.Б. Литенецкий. Бионика. Пособие для учителей. М.: Просвещение, 1976, с. 189;

3. Патент на изобретение RU 2196699 С1;

4. Кузнецов, Г.Н. Проблемы и предварительные результаты испытания систем активного гашения низкочастотных сигналов в водной и воздушной средах [Текст] / Г.Н. Кузнецов, А.В. Кирюхин, В.А. Федоров, Е.С. Белогубцев, С.Г. Михайлов, А.А. Пудовкин, Д.А. Смагин // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2011. Т. 4. №3. С. 93-107.

5. А.В. Кирюхин. Снижение передачи вибрации от энергетических установок активными методами [Текст] / А.В. Кирюхин, О.О. Мильман, А.В. Птахин // Теплоэнергетика. - 2017. - №12. -- С. 58-66.

6. Shock and vibration handbook/ Ed. by CM. Harris, CE. Grede. New-York: McGraw-Hill, 1961, v. 1-3;

7. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник: в 3-х т./ Под ред. И.А. Биргера, Я.Г. Пановко, М.: Машиностроение, 1968, т.3, с. 567;

8. Ю.Ю. Швейко, А.Д. Брусиловский, Л.М. Мельникова Поперечные колебания балок, соединенных оболочкой. - Прикладная механика, т.4, №18, 1968, с. 33-40.

Изобретение относится к кораблестроению, а именно к средствам снижения уровня излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта. Предлагаются устройство и способ снижения уровня излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта, вызванного источниками колебательной энергии и ударов в виде работающих технических средств, валопроводов, гребных винтов и набегающего водного потока, содержащие датчики ускорения и относительного перемещения для определения собственных колебаний легкого корпуса подводного объекта, параллельно соединенные с входами управляющего устройства, а также приводы колебаний, равномерно рассредоточенные по всей площади легкого корпуса в межкорпусном пространстве и соединенные с выходами управляющего устройства. Приводы колебаний выполнены с возможностью возбуждения вынужденных колебаний легкого корпуса по сигналу с управляющего устройства в ответ на определенные датчиками собственные колебания для их компенсации. Достигается повышение эффективности снижения уровня излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для снижения уровня излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта, вызванного источниками колебательной энергии и ударов в виде работающих технических средств, валопроводов, гребных винтов и набегающего водного потока, содержащее датчики ускорения и относительного перемещения для определения собственных колебаний легкого корпуса подводного объекта, параллельно соединенные с входами управляющего устройства, а также приводы колебаний, равномерно рассредоточенные по всей площади легкого корпуса в межкорпусном пространстве и соединенные с выходами управляющего устройства, причем указанные приводы колебаний выполнены с возможностью возбуждения вынужденных колебаний легкого корпуса по сигналу с управляющего устройства в ответ на определенные датчиками собственные колебания для их компенсации.

2. Способ снижения уровня излучения акустической энергии легким корпусом подводного объекта, вызванного источниками колебательной энергии и ударов в виде работающих технических средств, валопроводов, гребных винтов и набегающего водного потока, с помощью устройства по п. 1, включающий в себя этапы, на которых:

посредством датчиков ускорения и относительного перемещения определяют собственные колебания легкого корпуса подводного объекта;

посредством приводов колебаний, равномерно рассредоточенных по всей площади легкого корпуса в межкорпусном пространстве, возбуждают вынужденные колебания легкого корпуса для компенсации собственных колебаний легкого корпуса, с интенсивностью, ограниченной пределом прочности материала легкого корпуса и глубиной погружения подводного объекта, снижая таким образом уровень излучения акустической энергии.