RU2245583C1

RU2245583C1 - Underwater acoustic screen

Info

Publication number: RU2245583C1
Application number: RU2003113097/28A
Authority: RU
Inventors: Л.П. Барабанова (RU); Л.П. Барабанова; А.В. Ионов (RU); А.В. Ионов; Л.Н. Малюкова (RU); Л.Н. Малюкова; А.Д. Пугачев (RU); А.Д. Пугачев; В.Ю. Чижов (RU); В.Ю. Чижов
Original assignee: Федеральное Государственное унитарное предприятие "ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова"
Priority date: 2003-05-05
Filing date: 2003-05-05
Publication date: 2005-01-27

Abstract

FIELD: hydro-acoustics.

SUBSTANCE: shelves of upper layer of screen are placed inside massive of lower layer, for example, by vulcanization, and form a single solid massive with it. Upper layer is provided with additional shelves, placed in portions of air hollows of lower layer. Additional shelves are placed with space between walls of said air hollows, and shelves of upper layer have cross-section variable in height. Upper layer, on the side opposite to shelves has air hollows, and total area of said hollows forms 10-12% of screen area.

EFFECT: higher efficiency.

2 cl, 5 dwg

Description

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.The invention relates to the field of hydroacoustics, and in particular, to underwater acoustic screens experiencing hydrostatic pressure. It can be used in acoustic measuring pools, as well as to reduce interference levels in the fairings of hydroacoustic stations of fishing vessels and to reduce the sound field level created by various engineering structures in the water.

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.Known sonar reflectors and absorbers, as well as sonar screens, consisting of layers of rubber-like material (RPM) with air cavities. The presence of the latter makes it possible to convert the volumetric deformations of RPM caused by sound pressure into shear, which “provides” greater absorption of the sound incident on the screen, since RPM have significantly greater mechanical losses during shear deformations. These constructions are described, for example, in books: 1. "Some issues of applied acoustics." Sat articles edited by J. Richardson. "Military. Publishing House. Ministry of Defense of the USSR", M., 1962. 2. V.E. Glazanov "Shielding of hydroacoustic antennas" L. "Shipbuilding". 1986; 3. A.V. Ionov "Means of reducing vibration and noise on ships." S Petersburg, Publ. Central Research Institute Acad. A.N. Krylova, 2000; as well as in a number of articles, for example, Vovk AE, Pasternak RN, Tyutekin VV, "Experimental studies of the wave properties of a medium with cylindrical channels" Acoust. Well, 1958, v.4, issue 1, pp.24-32, as well as patents: "Device for the formation of concrete strips with acoustic properties", US patent 3217375; "Hydroacoustic Absorber and Reflector", US patent 4164727; "Acoustic screen for work under pressure" US patent 4399526; "Sound Absorbing Material", Japanese Patent 53-3242; "Ultralight building elements for strong lightweight structures, in particular for spacecraft", FRG patent 2108278; "Coatings reinforcing vibration and noise of vibrating structures", French patent No. 2186617; "The device of thermal compensation of the resonators", and.with. 356724 and others

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.Almost all of the above analogues have a significant drawback - low piezostability of the acoustic effect, which is associated with a decrease in air content in the RPM layer due to deformation of air cavities under the action of hydrostatic pressure. Some of the above analogues, for example, “Hydroacoustic Absorber and Reflector” (US Pat. US 4,164,727), should be more piezostable in design, but it has high bending stiffness due to the presence of hard metal reinforcing layers. The latter makes it difficult to apply it to curved protected structures, as well as cutting it when applied to a complex surface.

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.The closest technical solution (prototype) of the proposed underwater acoustic screen is "Underwater acoustic screen" according to US Pat. RF 2138858 C1. It is made in the form of a plate consisting of a lower and upper layer. The bottom layer is made of soft RPM in the form of a system of grooves and protrusions. The upper layer of the screen on the inner side has protrusions, the cross-section of which corresponds to the cross sections of the grooves of the lower layer so that when connecting these upper and lower layers, the protrusions of the upper layer penetrate into the grooves of the lower layer, thereby forming airtight cavities. In addition, the prototype screen has additional air cavities in the protrusions of the lower layer. In addition, the ratio of the elastic modules of the materials of the upper and lower layers of the prototype screen is 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.The disadvantage of the prototype is its low acoustic efficiency with increased hydrostatic loads, as well as the high complexity when assembling these layers of the screen into a finished product, primarily because of the need to grind the glued surfaces of a complex profile and glue the elements of the screen with glue before hot vulcanization. In addition, the complex configuration of the screen elements requires the development and manufacture of complex molds.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение акустической эффективности, сохранение эффекта при эксплуатации экрана в условиях повышенного гидростатического давления, а также упрощение технологии изготовления экрана.The objective of the invention is to increase acoustic efficiency, preserve the effect during operation of the screen in conditions of high hydrostatic pressure, as well as simplifying the manufacturing technology of the screen.

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.This is achieved by the fact that in the proposed technical solution, the protrusions of the upper layer are placed inside the array of the lower layer, for example by vulcanization, and make up a single array with it, while the upper layer is equipped with additional protrusions located in part of the air cavities of the lower layer, and these protrusions are placed with the gap between the walls of the aforementioned air cavities, and the protrusions of the upper layer have a section of variable height. In addition, the upper layer on the side of the protrusions has air cavities, the total area of these cavities is 10-12% of the screen area.

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.Placing the protrusions of the upper layer of the screen inside the protrusions of the lower layer, which constitute an inextricable single array with the lower layer, provides an increase in the acoustic efficiency of the screen by releasing the free lateral surface of the air cavity and increasing the piezostability of the effect due to the rigid protrusions of the upper layer.

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.The supply of the upper layer of the screen with additional protrusions located in part of the air cavities of the lower layer so that they are placed with a gap between the walls of these air cavities, gives additional piezostability to the screen.

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.Due to the cross-sectional height of the protrusions of the upper layer in the claimed screen, the wave resistance of the outer surface of the upper layer changes from a value consistent with the wave resistance of the water to the lower mounting surface of the lower layer mismatched with it, which allows more intensive absorption and isolation of sound energy.

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.For better coordination with water resistance, the upper layer on the side of the protrusions has additional air cavities, and the total area of these cavities is 10-12% of the screen area. It is essential that the proposed design of the screen reduces the complexity and significantly increases the reliability of the preservation of the effect during operation of the screen in conditions of high hydrostatic pressure.

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.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a schematic diagram of the inventive underwater acoustic screen; figure 2 is a diagram of the inventive screen with protrusions of the upper layer placed in air cavities; figure 3 is a diagram of the inventive screen with height-adjustable protrusions of the upper layer; figure 4 - diagram of the inventive screen with additional air cavities in the upper layer; and figure 5 shows the frequency dependence of the excess of the acoustic effect of the claimed screen over the prototype screen.

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.The proposed underwater acoustic screen (see Fig. 1) consists of an upper layer 1 with protrusions 2, which are located in the mass of rubber-like material of the lower layer 3, which has air cavities 4 in its array. To increase the piezostability of the screen effect, the upper layer has additional protrusions 5, which are placed inside part of the air cavities 4 of the lower layer 3, and these protrusions do not touch the side surfaces of the air cavities of the lower layer 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.For greater absorption of sound energy, the protrusions 6 of the upper layer 1 (see FIG. 3) can have a section that is variable in height, for example in the form of a truncated cone, which leads to an increase in the acoustic effect.

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).An additional increase in the acoustic effect is caused by the fact that the upper layer 1 from the side of the protrusions 2 has air cavities 7, and the total area of these cavities is 10-12% of the screen area (Fig. 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”.The efficiency of the proposed screen in comparison with the prototype is explained by the fact that the placement of the reinforcing protrusions of the upper layer inside the RPM of the lower layer 1, which determines the acoustic efficiency of the screen, allows to increase its air filling and the area of freely deformable walls of air cavities - rubber-air boundaries.

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.The device operates as follows. When a sound wave falls on the screen, longitudinal vibrations occur in the rubber-like material. The wave propagates towards the lower layer 3 of the screen with air cavities 4. In the rubber-like material of the lower layer, the longitudinal vibrations are transformed into shear vibrations and the sound energy is absorbed by the screen.

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.The features of the proposed screen are that the reinforcing elements - the protrusions of the upper layer are located both in the thickness of the material of the lower layer and in part of the air cavities, but do not tighten the side surfaces of the cavities. Considering that the RPM sections of the indicated walls of the air cavities have the greatest radial deformation and, therefore, the greatest sound absorption, the placement of the protrusions of the upper layer outside these walls without touching them provides the greatest acoustic effect.

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.This technical solution allows you to get more than the prototype static rigidity of the screen while maintaining a relatively small dynamic stiffness. When hydrostatic pressure is applied to the screen, the screen is compressed and, accordingly, the volume of air cavities decreases, which leads to an increase in the dynamic stiffness of the screen and to a corresponding decrease in its acoustic efficiency. The indicated decrease in volume occurs both due to the compression of the pliable lower layer and due to the deformation of the sections of the upper layer, which play the role of caps of the air cavities of the lower layer. If there are additional protrusions of the upper layer in the air cavities that do not touch the side surfaces of the air cavities, the deformations of the caps of the cavities decrease and, accordingly, the decrease in the volume of the cavities becomes smaller than in the absence of additional protrusions. At the same time, the dynamic stiffness of the screen in the presence of a free lateral surface of the air cavity practically does not change. This allows you to realize a higher acoustic effect of the screen with a larger range of hydrostatic pressures than the prototype screen.

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.As a specific implementation example, samples of the inventive screen and a prototype screen with a diameter of ~ 150 mm were made. The tests were carried out in a sonar waveguide. Figure 5 shows the frequency dependence of the excess of the acoustic effect - sound insulation of the claimed underwater acoustic screen over the prototype.

Приведенные результаты показали, что заявляемый акустический экран во всем измеренном диапазоне частот превышает акустическую эффективность прототипа.The above results showed that the claimed acoustic screen in the entire measured frequency range exceeds the acoustic efficiency of the prototype.

Claims

1. Underwater acoustic screen made in the form of plates of rubber-like material, consisting of lower and upper layers with a system of protrusions on its inner surface with a ratio of elastic moduli of materials of the upper and lower layers, comprising 6-100, characterized in that the upper layer is provided with additional protrusions and has air cavities on the side of the protrusions, the total area of which is 10-12% of the screen area, and the main protrusions of the upper layer are located inside the array of the lower layer, forming an integral unit with it the first array and its projections are arranged in the additional portion of air voids and the lower layer are arranged with clearance between the walls of said air cavities.

2. Underwater acoustic screen according to claim 1, characterized in that the protrusions of the upper layer have a section that is variable in height.