CC BY-NC
9
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1-395-149-154 УДК 534.121.1+62-752
В.Ю. Кирпичников, А.П. Кощеев, А.А. Петров, В.В. Савенко
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
О НИЗКОЧАСТОТНОМ ВИБРОДЕМПФИРОВАНИИ ПЛАСТИНЫ С БОЛЬШИМИ ПОТЕРЯМИ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ
Объект и цель научной работы. Целью настоящей работы является экспериментальная проверка возможности дополнительного эффективного низкочастотного вибродемпфирования пластин конструкций, имеющих большие начальные потери колебательной энергии.
Материалы и методы. В качестве средств вибродемпфирования использованы резонирующие полосовые вибропоглотители, частотно настроенные на частоту повышенной вибрации пластины.
Основные результаты. Экспериментально показана возможность дополнительного эффективного вибродемпфирования пластины с большими начальными потерями энергии на низших резонансных частотах ее изгиб-ных колебаний.
Заключение. Показано, что предлагаемые вибропоглотители имеют высокую эффективность и отличаются от применяемых средств вибродемпфирования меньшими массой и толщиной.
Ключевые слова: вибродемпфирование пластин, вибропоглотители, акустические характеристики. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1-395-149-154 UDC 534.121.1+62-752
V. Kirpichnikov, A. Koscheev, A. Petrov, V. Savenko
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
LOW-FREQUENCY VIBRATION DAMPING OF A PLATE WITH HIGH VIBRATION LOSSES
Object and purpose of research. This work was an experimental check of the possibility to improve the efficiency of low-frequency vibration damping for structural plates with high initial losses of vibration energy.
Materials and methods. Vibration dampers used in this study were resonant anti-vibration straps partially tuned to the frequency of intense plate vibrations.
Main results. This work demonstrated the possibility of additional efficient vibration damping of a plate with high initial losses of energy at the lower frequencies of its bending resonances.
Conclusion. It is shown that vibration dampers suggested by the authors are highly efficient, as well as feature lighter
weight and lower thickness than conventional vibration dampers.
Keywords: vibration damping of plates, vibration dampers, acoustic performance.
The authors declare no conflicts of interest.
Для цитирования: Кирпичников В.Ю., Кощеев А.П., Петров А.А., Савенко В.В. О низкочастотном вибродемпфировании пластины с большими потерями колебательной энергии. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; 1(395): 149-154.
For citations: Kirpichnikov V., Koscheev A., Petrov A., Savenko V. Low-frequency vibration damping of a plate with high vibration losses. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; 1(395): 149-154 (in Russian).
Введение
Introduction
Одним из основных направлений улучшения акустических характеристик транспортных средств и оборудования является уменьшение уровней вибрации их корпусных конструкций. Особенно актуальным это направление оказывается при повышенных уровнях вибрации и шумоизлучения конструкций в низкочастотном диапазоне и присутствии в спектре шума четко выраженных тональных составляющих. В этих случаях возникают, как правило, наибольшие трудности с уменьшением уровней шума путем улучшения вибрационных характеристик источников, возбуждающих конструкции, и повышением эффективности средств их виброизоляции.
Для решения задачи уменьшения уровней низкочастотного шумоизлучения конструкций на них устанавливают различного рода средства вибропоглощения. Наиболее широкое применение получили наносимые на конструкции армированные вибропоглощающие покрытия (АВП), состоящие из диссипативного слоя вязкоупругого материала и армирующего слоя, которым является, как правило, металлическая пластина.
Применяемые АВП с диссипативным слоем, изготавливаемым обычно из резиновых или пластифицированных материалов, работоспособны в широкой полосе частот, однако их эффективность на низких частотах оказывается малой даже при большой относительной массе, достигающей 40-50 % от массы демпфируемой конструкции [1]. При этом толщина АВП составляет не менее двух толщин пластин обшивки конструкции.
Существенно меньшую массу и толщину при лучшей эффективности на низких частотах имеют АВП с диссипативным слоем в виде полимерной пленки на основе поливинилацетата - «рекордсмена» по вибропоглощению среди существующих материалов [2-5].
При установке подобных покрытий с толщиной в два и более раз меньшей толщины пластины конструкции достигаются достаточно большие на низких частотах потери колебательной энергии с коэффициентом потерь п ок. ~0,1. Однако дальнейшее увеличение толщины как диссипативного, так и армирующего слоев к заметному повышению значений п не приводит [2-4].
Вместе с тем при возбуждении таких конструкций, вызывающем появление в спектрах их вибрации, а следовательно, и шумоизлучения широкопо-
лосных резонансных максимумов, часто возникает необходимость более значительного уменьшения их уровней. Соответствующая задача может быть решена только путем дальнейшего повышения потерь колебательной энергии в конструкциях до значений п, существенно больших, чем при нанесении на них высокоэффективных АВП.
Целью настоящей работы являлась экспериментальная проверка возможности дополнительного эффективного низкочастотного вибродемпфирования пластин конструкций, имеющих большие начальные потери колебательной энергии, с помощью предложенных резонирующих полосовых вибропоглотителей (РПВ). Высокая эффективность РПВ, устанавливаемых на необлицованные армированным покрытием металлические конструкции, была ранее подтверждена экспериментальными исследованиями, результаты которых приведены в работах [4, 6-8].
Экспериментальная установка
Test rig
Исследования низкочастотного вибродемпфирования конструкции с большими потерями колебательной энергии выполнялись с использованием прямоугольной стальной пластины - типичного участка обшивки инженерной конструкции, расположенного между соседними подкреплениями. Именно эти участки, обладающие лучшей вибровозбудимостью, создают на их низших резонансных частотах наибольшие уровни шумоизлучения конструкции. Размеры испытанной пластины в плане составляли 0,522*0,371 м, а ее толщина равнялась 1,5 10-3 м. Кромки пластины закреплялись на раме из профилированных уголков (рис. 1). Одна из поверхностей пластины сначала облицовывалась армированным вибропоглощающим покрытием, обеспечивающим начальные большие потери, а затем, дополнительно к АВП, со стороны той же поверхности на нее последовательно устанавливались один, два и три резонирующих полосовых вибропоглотителя. АВП состояло из полимерной пленки типа ВПС-2,5 на основе поливинилацетата толщиной 5 • 10-4 м, имеющего такую же толщину стального листа.
Предложенные резонансные вибропоглотители представляли собой облицованную с одной стороны армированным вибропоглощающим покрытием стальную полосу толщиной 0,56 10-3 м. Длина полосы выбиралась исходя из «настройки» собственной частоты на необходимую. Диссипативным сло-
ем являлась та же полимерная пленка ранее указанной толщины, а армирующим - стальная полоса толщиной 0,1810-3 м. Каждый РПВ устанавливался на пластину с зазором относительно ее облицованной поверхности. Крепление геометрического центра (ГЦ) РПВ к пластине выполнялось с помощью винта и гаек.
Результаты испытаний
Test results
На начальном этапе работы определялись вибрационные характеристики корпусной пластины до и после ее облицовки армированным вибропогло-щающим покрытием. Осуществлялось ее возбуждение ударом с помощью малогабаритного вибромолотка, имеющего датчик силы. Измерялась входная вибровозбудимость пластины, под которой подразумевается уровень виброускорения А в точке действия силы F, выраженного в дБ относительно порогового значения 10-6 м/с2 и соответствующего силе F = 1 Н.
На рис. 2 изображены спектры входной вибровозбудимости в ГЦ пластины при отсутствии (кривая 1) и наличии (кривая 2) покрытия АВП. Низшая резонансная частота изгибных колебаний пластины без АВП составила ~73 Гц. Нанесение покрытия привело к уменьшению указанной частоты до ~71 Гц, на которую «настраивалась» низшая резонансная частота изгибных колебаний дополнительного резонансного полосового вибропоглотителя.
Величины коэффициента потерь п колебательной энергии в пластине определялись по формуле hfqn Ifqn, где Afq„ - ширина резонансного максимума в спектре вибровозбудимости на уровне -3 дБ от его наибольшего значения на частоте fqn (q и n -числа полуволн изгибных колебаний в направлениях длины и ширины пластины). Значения п на низ-
Рис. 1. Фото рамы и облицованной покрытием пластины с тремя резонирующими полосовыми вибропоглотителями
Fig. 1. Photo of the frame and coated plate with three resonant anti-vibration straps
шей резонансной частоте f11 при отсутствии и наличии АВП оказались равными 3-10-3 и 0,124 соответственно. Средние значения n на других резонансных частотах диапазона измерений 0-400 Гц в обоих случаях оказались меньше, чем на частоте f11 примерно в 1,4 раза. Облицовка пластины покрытием АВП привела к уменьшению уровней резонансных максимумов в спектре входной вибровозбудимости в среднем на 32 дБ. Уровень низшего резонансного максимума уменьшился на 37 дБ. Примерно такая же эффективность покрытия была зарегистрирована на частоте f11 при измерении уровней звукового давления на расстоянии 0,5 м
AIF, дБ
Рис. 2. Спектры входной вибровозбудимости пластины при отсутствии (кривая 1) и наличии (кривая 2) армированного вибропоглощающего покрытия
Fig. 2. Spectra of input vibration susceptibility of the plate without (curve 1) and with (curve 2) reinforced anti-vibration coating
Частота, Гц
AIF, дБ 145
Рис. 3. Спектры входной вибровозбудимости облицованной армированным вибропоглощающим покрытием пластины при отсутствии (кривая 1) и наличии одного (кривая 2), двух (кривая 3) и трех (кривая 4) резонирующих полосовых вибропоглотителей
Fig. 3. Input vibration susceptibility spectra of the plate with reinforced anti-vibration coating, without (curve 1) and with one (curve 2), two (curve 3) and three (curve 4) resonant anti-vibration straps
105 Частота, Гц
от пластины (микрофон находился на нормали к ее поверхности, проведенной из ГЦ).
Несмотря на столь высокую эффективность АВП, уровни низшего и более высоких резонансных максимумов в спектрах как входной вибровозбудимости облицованной покрытием пластины, так и ее шумоизлучения были существенно выше, чем на антирезонансных частотах.
Для уменьшения этих уровней в зоне ГЦ пластины последовательно устанавливались один, два и три РПВ предложенной конструкции с низшей резонансной частотой, равной низшей резонансной частоте 71 Гц изгибных колебаний облицованной пластины. Размеры РПВ были одинаковыми и составляли в плане 0,16*0,057 м. Они были выбраны такими с целью обеспечить значение низшей резонансной частоты РПВ, несколько превышающее резонансную частоту /и пластины. Точная частотная настройка каждого РПВ на частоту /и осуществлялась с использованием двух грузов цилиндрической формы массой 0,048 кг, устанавливаемых у коротких кромок вибропоглотителей симметрично относительно их длинных кромок. Общая масса трех РПВ с грузами, винтами и гайка-
ми составляла ~14 % массы облицованной пластины и была меньше в ~1,52 раза массы АВП, равной примерно 27 % массы пластины без покрытия.
Одиночный РПВ крепился к пластине непосредственно в ее ГЦ, а два других - на расстоянии ~0,06 м от ГЦ на срединной линии пластины, параллельной ее короткой кромке.
На рис. 3 приведены спектры входной вибровозбудимости в области низшей резонансной частоты ~71 Гц облицованной АВП пластины при отсутствии (кривая 1) и наличии на ней одного (кривая 2), двух (кривая 3) и трех (кривая 4) РПВ. Обращаясь к рисунку, видим, что установка РПВ привела к расщеплению исходного резонансного максимума на два максимума со значительно меньшими уровнями. Уровни наибольшего из них оказались меньше уровня гасимого одним, двумя и тремя РПВ резонансного максимума на 8,5, 10,5 и 13 дБ соответственно. При установке трех вибропоглотителей значения коэффициента потерь п низшего (~48 Гц) и более высокого по частоте (~90 Гц) расщепленных резонансных максимумов составили примерно 0,45 и 0,28 соответственно. Отметим, что установка РПВ к увеличению уров-
A/F, дБ 145
Частота, Гц
Рис. 4. Спектры входной вибровозбудимости облицованной армированным вибропоглощающим покрытием пластины при отсутствии (кривая 1) и наличии одного (кривая 2), двух (кривая 3) и трех (кривая 4) резонирующих полосовых вибропоглотителей
Fig. 4. Input vibration susceptibility spectra of the plate with reinforced anti-vibration coating, without (curve 1) and with one (curve 2), two (curve 3) and three (curve 4) resonant anti-vibration straps
ней других резонансных максимумов в спектрах вибрации облицованной АВП пластины не приводила. Установка трех РПВ уменьшила уровни ее входной вибровозбудимости на более высоких резонансных частотах ~175, ~290 и ~400 Гц на 5, 8 и 4 дБ соответственно (рис. 4).
Заключение
Conclusion
Выполнены экспериментальные исследования эффективности предложенных РПВ, низшая резонансная частота изгибных колебаний которых совпадает с низшей резонансной частотой f11 изгибных колебаний пластины конструкции, облицованной армированным вибропоглощающим покрытием и имеющей большие (п = ~0,1) потери колебательной энергии. Показано, что установка одного, двух и трех РПВ в зоне ГЦ пластины - пучности резонансной формы ее изгибных колебаний на указанной частоте дополнительно уменьшает уровень низшего резонансного максимума в спектре входной вибровозбудимости пластины на 8,5, 10,5 и 13 дБ соответственно. При установке трех РПВ потери колебательной энергии в облицованной пластине увеличились до значений п = 0,28-0,45.
Экспериментально показано, что частотно настроенные компактные РПВ имеют повышенную эффективность даже при массе, существенно меньшей в сравнении с массой пластины демпфируемой конструкции и массой применяемых в настоящее время армированных вибропоглоща-ющих покрытий, в т.ч. с диссипативным слоем на основе полимерной пленки из поливинилацетата.
Полученные результаты могут быть использованы при выполнении работ по дополнительному уменьшению уровней низкочастотной вибрации и шумоизлучения конструкций с большими потерями колебательной энергии.
Авторы благодарят М.В. Игушкину и Е.В. Яковлеву за помощь при оформлении статьи.
Список использованной литературы
1. НикифоровА.С. Акустическое проектирование судовых конструкций. Ленинград: Судостроение, 1990. 198, [1] с.
2. Кирпичников В.Ю., Сятковский А.И. Уменьшение вибрации конструкций тонкими армированными покрытиями на основе полимерной ВПС пленки // Защита от повышенного шума и вибрации: сборник докладов VI Всерос. научно-практ. конференции. Санкт-Петербург, 2017. С. 382-388.
3. Экспериментальные исследования эффективности тонкого армированного вибропоглощающего покрытия на основе полимерной пленки ВПС / Кирпичников В.Ю., Кощеев А.П., Смольников В.Ю., Сятковский А.И. // Труды Крыловского государственного научного центра. 2018. Вып. 2(384). С. 99-104.
4. Кирпичников В.Ю. Вред и польза резонансных явлений в элементах судовых конструкций. Санкт-Петербург: Крыловский государственный научный центр, 2019. 174, [1] с.
5. Алексеев С.А., Сятковский А.И. Вибродемпфирую-щие свойства полимерных пленок // Судостроение. 2015. № 6. С. 45-46.
6. КирпичниковВ.Ю., СмольниковВ.Ю., ШлемовЮ.Ф. Уменьшение уровней низкочастотной вибрации конструкций с помощью резонирующих пластинчатых вибропоглотителей // Труды Крыловского государственного научного центра. 2016. Вып. 92(376). С. 273-284.
7. Экспериментальные исследования эффективности резонирующих полосовых вибропоглотителей при установке на трубчатую конструкцию / Кирпичников В.Ю., Петров А.А., Смольников В.Ю. [и др.] // Труды Крыловского государственного научного центра. 2018. Вып. 1(383). С. 107-112.
8. Разработка новых высокоэффективных средств вибродемпфирования судовых конструкций / Кирпичников В.Ю., Савенко В.В., Смольников В.Ю., Шлемов Ю.Ф. // Труды Крыловского государственного научного центра. 2019. Вып. 1(387). С. 167-174.
References
1. A. Nikiforov. Acoustic design of ship structures. Leningrad: Sudostroyeniye, 1990. 198 p. (in Russian).
2. V. Kirpichnikov, A. Syatkovsky. Structural vibration damping by means of reinforced coatings based on polymeric VPS films // Compendium of papers, The VI Russian scientific-practical conference with international participation Noise and Vibration Protection. St. Petersburg, 2017. P. 382-388 (in Russian).
3. V. Kirpichnikov, A. Koscheev, V. Smolnikov, A. Syat-kovsky. Experimental studies on efficiency of thin reinforced anti-vibration coating based on VPS polymeric tape // Transactions of the Krylov State Research Centre.
2018. Vol. 2(384). P. 99-104 (in Russian).
4. V. Kirpichnikov. Structural resonances aboard ship: pros and cons. St. Petersburg: Krylov State Research Centre,
2019. 174 p. (in Russian).
5. S. Alexeev, A. Syatkovsky. Damping parameters of polymeric films // Sudostroenie (Shipbuilding). 2015. No. 6. P. 45-46 (in Russian).
6. V. Kirpichnikov, V. Smolnikov, Yu. Shlemov. Mitigation of low-frequency structural vibration by means of vibration dampers (resonating plates) // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2016. Vol. 92(376). P. 273-284 (in Russian).
7. V. Kirpichnikov, A. Petrov, V. Smolnikov, Yu. Shlemov, Ye. Yakovleva. Efficiency of resonating anti-vibration straps application on tubular structures: experimental studies // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2018. Vol. 1(383). P. 107-112 (in Russian).
8. V. Kirpichnikov, V. Savenko, V. Smolnikov, Yu. Shlemov. Development of new high-end vibration dampers for ship structures // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019. Vol. 1(387). P. 167-174 (in Russian).
Сведения об авторах
Кирпичников Валерий Юлианович, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-48-01. E-mail: [email protected]. Кощеев Алексей Петрович, начальник стенда ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-48-01. E-mail: [email protected]. Петров Александр Александрович, к.ф.-м.н., ведущий инженер ФГУП «Крыловский государственный науч-
ный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-48-01. E-mail: [email protected].
Савенко Валентин Викторович, к.т.н., старший научный сотрудник, заместитель начальника лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-49-85. E-mail: [email protected].
About the authors
Valery Yu. Kirpichnikov, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Chief Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44, Mos-kovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-48-01. E-mail: [email protected]. Alexey P. Kosheev, Test Rig Manager, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-48-01. E-mail: [email protected].
Alexandr A. Petrov, Cand. Sci. (Phys. & Math.), Lead Engineer, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-48-01. E-mail: [email protected]. Valentin V. Savenko, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Deputy Head of Laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-49-85. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 22.10.20 Принята в печать / Accepted: 04.03.21 © Коллектив авторов, 2021
