Колебательная система Советский патент 1992 года по МПК H04R17/10 

Изобретение относится к области низкочастотной акустики, в частности к устройствам по генерированию акустических сигналов, может быть использовано в акустических системах по исследованию океанов, в технологических процессах различного на1 значения.

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 механический 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 опреVI

СО

VI VI

ел

VI

деляет ресурс колебательной системы. Это сечение у вершины угла 50°, так как площадь металла кольцевого сечения в этом месте наименьшая.

Малый ресурс преобразователя бли- жайшего 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 изги- ба, 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 Нт определена выражением

а Нк

Нт -

Гк +

О +К)а Нк

О)

Для уменьшения радиальных (паразитных) колебаний колебательную систему снабдим ободом и закрепим его к мембране и к присоединительному фланцу, причем обод впрессуем в присоединительный фланец и создадим предварительно напряженную конструкцию, чем и снизим радиальные (паразитные) колебания.

Для исключения концентрации напряжений в упругой части полотна мембраны на каком-либо определенном радиусе должно обеспечиваться равенство площадей кольцевых сечений. ... л л Г2П2...2 я rKhK,

т.е. S(r) const причем So Si,

где So - площадь кольцевого сечения ступицы;

S(r) площади боковых поверхностей кольцевых сечений упругого полотна мембраны на расстоянии г от оси колебания 0-0;

h - текущая толщина упругого полотна мембраны по радиусу.

В прямоугольном сечении площадь S при увеличении г возрастает линейно, следовательно, для того чтобы S на рабочем участке упругого полотна мембраны была постоянной, необходимо чтобы высота (толщина) h менялась по гиперболическому закону

22

1 а2 Ь2

0)

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

Изобретение относится к области технической гидроакустики, в частности к созда- нию 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

где а - наибольший радиус упругого полот- на мембраны;

гк - текущий радиус;

h0 - наибольшая толщина упругого полотна мембраны у жесткой ступицы;

Нк - текущая толщина мембраны по ра- диусу гк;

к - безразмерный конструктивный коэффициент, равный 0-1.

Поясним пути достижения поставлен- ной цели.

Для уменьшения изгибных напряжений или полной их ликвидации упругое полотно мембраны выполним так, чтобы его

-

нейтральная линия не находилась в пло скости колебаний и составляла с ней угол Q. Чем больше угол 9, тем меньше напряжения от изгиба и больше на растяжение- сжатие.

-

-

аНк

Гк +

(1 +К)аНк ho

(2)

Рассмотрим граничные условия выражения (2)

При

Нт-ho

HK/h0

HKh0 Нк +h0

55

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 упpyroro полотна и равномерность напряжений по всему полотну мембраны.

Рассмотрим физическое значение безразмерного конструктивного коэффициента К.

Обозначим граничные условия, что что соответствует максимальной толщине упругого полотна мембраны у ступицы, и определим вариации Нт/о в интервале от -Ј до h и введем коэффициент

, тогда при , подставляя в выражение (1), получим

Нт/о -

аНк

Гк +

аН ho

Выражение (3) показывает, что толщина упругого полотна мембраны будет максимальная, а колебательная система при этом будет иметь наивысшую собственную частоту. При , выражение (1) примет вид

а Н

к

+

2аНк

ho 2

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 присоединительным фланцем,

создание равнопрочной предварительно напряженной конструкции, закрепление колебательной системы к корпусу излучателя неразъемным соединением.

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 6, 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

механическую добротность колебательной 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.

Упругое полотно 3 колебательной системы (фиг. 1 и 3) спрофилировано так, что все

площади кольцевых сечений Si, 82SK на

текущих радиусах п, пг« равны между

собой, а средняя нейтральная линия о-в радиального сечения придает конусность мембране и образует угол с плоскостью

о-с, перпендикулярной оси колебательной системы 0-0.

В большинстве практических случаев этот угол конусности упругого полотна мембраны лежит в пределах от2° до 15°, потому что при угле меньше 2° начнут преобладать

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

Для увеличения активной составляющей колебательная система снабжена поршнем-излучателем, выполненным, например, из легких композитных материалов с прочной армировкой, причем центр порш- ня-излучателя прикреплен к центру жесткой ступицы 1. Внешний диаметр поршня-излучателя имеет бурт, который образует с буртом присоединительного фланца 6 зазор 0,2-0,3 мм.

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

Упругое полотно мембраны 3 может быть выполнено выпуклой стороной в сторо- ну привода 10 (фиг. 16).

Колебательная система работает следующим образом.

При воздействии привода силой F на жесткую ступицу она вынуждена откло- няться 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 7Р и на изгиб Стиз и в зависимости от угла О конусности полотна мембраны 3 (фиг. 1 и 2

а, б, с, д) их соотношение будет различно.

а. Оиз-макс б. Оиз ор с. аиз-мин ор -мин(7р -макс

По прекращении действия силы F под воздействием внутренних напряжений в уп- ругом 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 оъ и на изгиб (/из, 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 1010 циклов, при 7Р 0,.

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.

Применение предлагаемой колебательной 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, от л ича ющаясятем.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 Нт определена выражением

Нт -

аН,

Гк +

(1 +К)аНк

где а - наибольший радиус упругого полотна мембраны;

г - текущий радиус;

h0 - наибольшая толщина упругою полотна мембраны у жесткой ступицы;

Нк - текущая толщина упругого полотна мембраны по радиусу гк;

К - безразмерный конструктивный коэффициент, изменяющийся от 0 до 1.

ХРШ Ј

У

01

г мф

ли/

У

У

у

е

7Щ7

9

77Г/

1 р/7&

В

8