Колебательная система

)5 Н 04 В 17/10 1"9 М 4 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АВТОРСКОМ ИДЕТЕЛ ЬСТ а - наибольшии ради мембраны; гк - текущ большая толщина уп браны у жесткой сту толщина упругого пол диусу гк, к - безразме коэффициент, 4 ил. ус упру ий ради ругого п пицы, Н тна мем ный кон ого полотна с, Ь 0 - наилотна мем - текущая раны по ра- труктивный кустический ист ельные системь альной части, привод, упругои ивающей ампли ой средней част фланец, обесп ление колебател очник, у ко состоят из на которую(изгибной удное пере и, и присое ечивающий ьной систеом подобных я малый ресу ебательных низкий меГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относится к области технической гидроакустики, в частности к созданию устройств для генерированиянизкочастотных гидроакустических сигна-.лов, и может быть использовано в устройствах по исследованию океана и втехнологических устройствах. Целью изобретения является повышение эффективноизлучения за счет уменьшения изгибны 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 на- значения. Известен аторого колебатжесткой центрвоздействуетчасти, обеспечмещение жесткдинительныйболтовое крепмы к корпусу.Недостатксистем являетс 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 Нп 1 определена вырааНк жением Нп , где ханический 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 опре1737757 х у- 1 а 2 б 2 аНк Н -пругого полотаН ина упругого поступицы;мембраны по раструктивныи коН =Ь При гк= при гк= НкйН деляет ресурс колебательной системы. Это сечение у вершины угла 50, так как площадь металла кольцевого сечения в этом месте наименьшая,Малый ресурс преобоазователя ближайшего 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 изгиба, 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 Н определена выра- жением где а - наибольший радиуна мембраны;гк - текущий радиус;Ь - наибольшая толщлотна мембраны у жесткоН - текущая толщинадиусу г:к - безразмерный коэффициент, равный 0 - 1. Поясним пути достижения поставленной цели.Для уменьшения изгибных напряжений или полной их ликвидации упругое полотно мембраны выполним так, чтобы его нейтральная линия не находилась в плоскости колебаний и составляла с ней угол О. Чем больше угол О, тем меньше напряжения от изгиба и больше на растяжение- сжатие. Для уменьшения радиальных (паразитных) колебаний колебательную системуснабдим ободом и закрепим его к мембранеи к присоединительному фланцу, причем5 обод впрессуем в присоединительный фланец и создадим предварительно напряженную конструкцию, чем и снизим радиальные(паразитные) колебания,Для исключения концентрации напря 10 жений в упругой части полотна мембраны накаком-либо определенном радиусе должнообеспечиваться равенство площадей кольцевых сечений,31=52= .=Як=2 Л г 1 Ь 1=2 Л г 262==2 л гкЬ,15 т.е. Б(г) = сопяпричем Я,Я,где Яо - площадь кольцевого сечения ступицы;Я(г) площади боковых поверхностей20 кольцевых сечений упругого полотна мембраны на расстоянии г от оси колебания 0 - 0;и - текущая толщина упругого полотнамембраны по радиусу,В прямоугольном сечении площадь Я25 при увеличении г возрастает линейно, следовательно, для того чтобы Я на рабочемучастке упругого полотна мембраны былапостоянной, необходимо чтобы высота (толщина) й менялась по гиперболическому за 30 кону 35Сделав преобразования и используя инварианты, получим уравнение ординат(толщины) асимптоты гиперболы в следующем виде оРассмотрим граничные условия выражени(2) Имеем две краиние ординаты асимптоты гиперболы, определяющие наибольшую и наименьшую толщину упругого полотна мембраны.Профилирование упругого полотна мембраны по выражению (2) обеспечивает равенство площадей кольцевых сечений упругого полотна и равномерность напряжений по всему полотну мембраны.Рассмотрим физическое значение безразмерного конструктивного коэффициента К,Обозначим граничные условия, что М=1 о=Нво что соответствует максимальной толщине упругого полотна мембраны у ступицы, и определим вариации Нв/о в инотервале от - до й и введем коэффициент2К=О - 1, тогда при К=О, подставляя в выражение (1), получим аН,Н а/о "Н "оаНк гк+ Ь о(3) Выражение (3) показывает, что толщина упругого полотна мембраны будет максимальная, а колебательная система при этом будет иметь наивысшую собственную частоту, При К=1, выражение(1) примет вид аНк ЬоНа/огк +о 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 не- разъемным соединением упругого полотна мембраны с жесткой ступицей и жестким ободом, неразъемное соединение жесткой ступицы упругого полотна мембраны и жесткого обода с присоединител ьн ым фланцем, Упругое полотно 3 колебательной системы (фиг. 1 и 3) спрофилировано так, что все 50 площади кольцевых сечений 31, 32, ., Як наТЕКУЩИХ РаДИУСаХ Г 1, Г 2, Гк РаВНЫ МЕЖДУ собой, а средняя нейтральная линия о - в радиального сечения придает конусность мембране и образует угол 0=7 с плоскостью55 о - с, перпендикулярной оси колебательнойсистемы 0 - О.В большинстве практических случаевэтот угол конусности упругого полотна мембраны лежит в пределах от 2 до 15, потому что при угле меньше 2 начнут преобладать 5 10 15 20 25 30 35 40 45 создание равнопрочной предварительно напряженной конструкции, закрепление колебательной системы к корпусу излучателя неразьемным 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 б, 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 меха н ичес кую добротность кол ебател ьной системе,Присоединительный фланец б 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 Е привода.аН Нв -55 напряжения от изгиба сиз, что снижает ресурс колебательной системы, а при углах более 15 увеличивается жесткость полотна мембраны и снижается амплитуда колебания поршня-излучателя. 5Для 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 б зазор 0,2 - 0,3 мм. 15Между 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. 1 б).Колебательная система работает следующим образом.При воздействии привода силой Е 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 30 3 возникают напряжения на растяжении ори на изгиб оиз и в зависимости от угла О конусности полотна мембраны 3 (фиг. 1 и 2 а, б, с, д) их соотношение б дет азлично,у р35б Оиз = Стр С, СЪз минОр - Мд КС По прекращении действия силы Р под воздействием внутренних напряжений в упругом полотне мембраны 3 ступица 1 вернется в исходное положение,При обратном действии силы Г в упругом полотне мембраны 3 снова возникают напряжения, но уже на сжатие ос и на изгиб Оиз, 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 10 циклов, при Ор =0,8 Б. Воздействием на жесткую ступицу 1 силой Г 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, о тл и ч а ю ща я с я тем, 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 Н определена выражением где а - наибольший радиус упругого полотна мембраны;г - текущий радиус;Ьо - наибольшая толщина упругого полотна мембраны у жесткой ступицы;Н - текущая толщина упругого полотна мембраны по радиусу г;К. - безразмерный конструктивный коэффициент, изменяющийся от 0 до 1.. Ре е изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 каз 1908 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5