RU2321785C1

RU2321785C1 - Hydroacoustic resonator

Info

Publication number: RU2321785C1
Application number: RU2006121074/11A
Authority: RU
Inventors: Алексей Владимирович Ионов (RU); Алексей Владимирович Ионов; Виталий Юрьевич Чижов (RU); Виталий Юрьевич Чижов; почников Сергей Александрович Шл (RU); Сергей Александрович Шляпочников; нтинас Константин Иванович Вал (RU); Константин Иванович Валянтинас
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2008-04-10
Also published as: RU2006121074A

Abstract

FIELD: hydroacoustics.

SUBSTANCE: hydroacoustic resonator comprises inertial member made of a pipe made of a rigid material and filled with a fluid and flexible member connected with the inertial member. The flexible member is made of a high-elastic material, provided with pressure-tight air spaces, and mounted inside the pipe section.

EFFECT: enhanced efficiency and reduced sizes.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в опытовых бассейнах для создания звукопоглощающих и звукоизолирующих элементов.The invention relates to the field of hydroacoustics and can be used in experimental pools to create sound-absorbing and sound-insulating elements.

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.Such technical means of absorption and isolation of sound energy as hydroacoustic coatings are known from the technical and patent literature, for example, according to US Pat. No. 4,164,727 of 08/14/1979. The disadvantage of this device is the lack of efficiency at low frequencies.

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.Closest to the proposed technical solution for the technical essence and the achieved effect (prototype) is a device for isolating and absorbing sound energy, called the Helmholtz resonator (M.A. Isakovich. General Acoustics. Publishing House "Science", M., 1973, pp. .370). It consists of an inertial element in the form of a liquid column in a pipe segment and an elastic element in the form of an expansion of a pipe filled with liquid. The considered oscillatory system provides effective absorption and scattering of sound near its resonant frequency. However, the need to ensure the operation of the system at low frequencies requires an unjustified increase in the size of the structure.

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.The objective of the present invention is to ensure the effective operation of the hydroacoustic resonator for isolation and absorption at low frequencies with acceptable overall dimensions of the device, including at static loads.

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.This is achieved by the fact that the hydroacoustic resonator is a combination of the aforementioned inertial element and the associated elastic element, which is made of a highly elastic material, including sealed air cavities, and is placed inside the said pipe segment.

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.In this case, the elastic element of the hydroacoustic resonator can consist of two disks of highly elastic material with air cavities, between the planes of which a disk of rigid material is enclosed tightly with them, having a diameter equal to the inner diameter of the pipe segment, and fixed to the inner surface of the pipe segment along its perimeter moreover, the pipe segment is made straight.

Кроме того, свободная поверхность по меньшей мере одного из дисков упругого элемента из высокоэластичного материала может быть армирована пластиной из жесткого материала.In addition, the free surface of at least one of the disks of the elastic element of highly elastic material can be reinforced with a plate of rigid material.

При этом упругий элемент может быть установлен по длине трубы со смещением относительно середины отрезка трубы.In this case, the elastic element can be installed along the length of the pipe with an offset relative to the middle of the pipe segment.

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).The execution of the elastic element of a highly elastic material with air cavities allows for its acoustic compressibility several orders of magnitude greater than the compressibility of the aqueous medium in the expansion of the pipe of the prototype resonator. Since the resonant frequency decreases with increasing compressibility (M.A. Isakovich. General Acoustics. M., Publishing House "Nauka", 1973, p. 371), the effective operation of the hydroacoustic resonator is ensured at low frequencies with acceptable design dimensions. In this case, the elastic element must be located inside the pipe segment, since otherwise the acoustic connection between it and the inertial element (liquid column) is lost.

Выполнение упругого элемента из двух дисков позволяет реализовать высокую податливость упругого элемента при минимальных размерах.The implementation of the elastic element of two disks allows for high flexibility of the elastic element with a minimum size.

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.The reinforcement of the free surface of at least one of the disks of the elastic element of highly elastic material avoids the collapse of air cavities at high static loads, which ensures the operability of the device under these conditions.

Смещение упругого элемента относительно середины отрезка трубы дает возможность расширить частотную полосу эффективности.The displacement of the elastic element relative to the middle of the pipe segment makes it possible to expand the frequency band of efficiency.

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.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a schematic representation of the proposed sonar resonator, figure 2 - frequency dependence of the efficiency (dB) of the proposed sonar resonator with a biased elastic element relative to the middle of the pipe segment, and figure 3 - experimentally obtained frequency dependence efficiency (dB) of the sonar resonator.

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.The proposed hydroacoustic resonator (figure 1) is a combination of an inertial element in the form of an outer diameter D enclosed in a pipe segment 1, an inner diameter D ₀ and a length L of a liquid column 2 and an associated elastic element 3 of a length L ₀ made of highly elastic material, containing air cavities 4. It can consist of two disks 5 of highly elastic material, between the planes of which a disk 6 of rigid material is sealed to them. The free surface of at least one of the disks 5 of highly elastic material of the elastic element 3 can be reinforced with a plate 7. The disk 6 can be attached to the inner surface of the pipe 1, for example, using a bolt 8. The distances from the edge of the pipe 1 to the elastic 3 can be different and make up L ₁ and L ₂ respectively.

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.The device operates as follows, providing the necessary level of absorption and dispersion of sound energy at low frequencies. Under conditions of a sound wave incidence, for example, on the left section of a hydroacoustic resonator (see Fig. 1), the acoustic picture is determined by the ratio of the potential and kinetic energy of the oscillatory system. The maximum resonator efficiency is achieved at its resonant frequency ω _p .

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):The kinetic energy of the hydroacoustic resonator is proportional to the value of H (Lyapunov V.T., Lavendel E.E., Shlyapochnikov S.A. "Rubber vibration isolators". Reference: - L .: Shipbuilding, 1988, p. 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.where ρ is the density of the liquid; r and z are the cylindrical coordinates naturally associated with the pipe segment; w is the longitudinal movement of fluid in the pipe; D ₀ and L ₁ - the dimensions of the elements of the hydroacoustic resonator.

Потенциальная энергия приближенно выражается следующим соотношением:Potential energy is approximately expressed by the following relation:

где G - комплексный модуль сдвига высокоэластичного материала; D₀, L₀, L₁ - размеры элементов гидроакустического резонатора.where G is the complex shear modulus of highly elastic material; D ₀ , L ₀ , L ₁ - the dimensions of the elements of the hydroacoustic resonator.

Собственная частота колебаний резонатора ω_р определяется по формуле:The natural frequency ω _r of the resonator is given by:

(см. также М.А.Исакович. Общая акустика. М., Издательство "Наука", 1973 г, стр.371).(see also M.A. Isakovich. General Acoustics. M., Publishing House "Science", 1973, p. 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.The resonance frequency for the prototype resonator is determined similarly, provided that in the formula (2) instead of the shear modulus of the highly elastic material G is the modulus of comprehensive compression of the fluid K. From the technical literature (Lyapunov V.T., Lavendel E.E., Shlyapochnikov S.A. “Rubber vibration isolators.” Reference: - L .: Shipbuilding, 1988, p. 67) it is known that the ratio K / G = 500 ... 5000, which according to formula (3) corresponds to a decrease in the resonance frequency ω _r for a hydroacoustic resonator in comparison with the prototype, at least ten times when saved nenii sonar resonator dimensions.

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.The presence of a hard disk having a diameter equal to the inner diameter of the pipe segment excludes the passage of sound energy through the entire hydroacoustic resonator, otherwise it would reduce its effectiveness, and tightly bonding with at least one of the disks made of highly elastic material allows for the sealing of air cavities, bordering a hard drive.

Наличие армирующих пластин позволяет избежать схлопывания воздушных полостей при статических нагрузках.The presence of reinforcing plates avoids the collapse of air cavities under static loads.

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.The offset of the elastic element relative to the center of the pipe segment allows you to expand the frequency range of the hydroacoustic resonator in frequency (Fig. 2, curve A) due to the spacing of the maxima in efficiency.

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.Experimental studies were carried out on the feasibility of implementing the main parameters of the device at the following initial values: the outer diameter of the hydroacoustic resonator D = 74 mm, the inner diameter of the hydroacoustic resonator D ₀ = 68 mm, the length of the hydroacoustic resonator L = 150 mm, the thickness of the elastic element L ₀ = 40 mm.

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.The obtained dependence of the distribution of the effectiveness of sound insulation depending on the dimensionless frequency (Fig. 3, curve B) shows that the efficiency reaches a value of up to 12 dB at a dimensionless frequency of 0.8.

Таким образом, реализация основных параметров предлагаемого устройства практически возможна.Thus, the implementation of the main parameters of the proposed device is practically possible.

Claims

1. A hydroacoustic resonator comprising an inertial element in the form of a column of rigid material enclosed in a liquid column and connected with an elastic element, characterized in that the elastic element is made of highly elastic material including airtight cavities and is placed inside the said section of coarse material.

2. The hydroacoustic resonator according to claim 1, characterized in that its elastic element consists of two disks, between the planes of which is enclosed a hermetically sealed disk of hard material having a diameter equal to the inner diameter of the pipe segment and fixed to the inner surface of the pipe segment along its perimeter, while the pipe segment is made straight.

3. The hydroacoustic resonator according to claim 2, characterized in that the free surface of at least one of the disks of the elastic element is reinforced with a plate of rigid material.

4. The hydroacoustic resonator according to claim 1, characterized in that the elastic element can be installed along the length of the pipe with an offset relative to the middle of the pipe segment.