И Клюкин - Удивительный мир звука
виброизоляции, развитая С. П. Тимошенко, Д. Ден-Гартогом и другими, показывает, что виброизолирующий эффект системы проявляется лишь начиная с частоты, примерно в полтора раза превышающей резонансную.
Масса, пружина, виброизоляция... Какая же это акустика, возможно, усомнится иной читатель; это просто теория колебаний, часть теоретической механики? Прежде всего, не будем создавать какой-то искусственный водораздел между механикой и акустикой. Ньютон гордился, что он перевел акустику из области музыки, где она давно преуспевала, в лоно механики. Колебательные явления в твердых телах отличаются от колебаний в газах и жидкостях лишь многообразием типов упругих волн, не более. И в английском, и в немецком языке для колебаний в твердых телах существует термин, который можно перевести как "структурный, телесный звук" и который прямо указывает, что динамика и акустика твердых тел различаются, по существу, лишь названиями. И недаром дальнейший
прогресс в области изоляции
При жестком основании (фундаменте) отдельно взятые масса и упругость передают основанию всю колебательную силу вне зависимости от ее частоты.
Установка массы на упругий элемент позволяет существенно ослабить передачу колебательной силы фундаменту (кроме узкой области резонанса на низких частотах, где колебания могут усилиться).
колебаний в твердых телах осуществили акустики, в первую очередь советские, немецкие и американские.
Виброизолированной системе -- например, установленному на упругие опоры-амортизаторы виброактивному механизму -- свойственно шесть частот свободных колебаний, сообразно числу степеней свободы. При совпадении их с частотами возмущающих сил или моментов возможны интенсивные резонансные колебания. В нашей стране в области расчета резонансных частот и амплитуд колебаний самых различных систем виброизолирующей амортизации механизмов (колебаний, которые в различных степенях свободы еще и связаны друг с другом) много сделали Н. Г. Беляковский, О. К. Найденко, В. И. Попков.
Шесть резонансных частот... Частокол их может занимать на частотной шкале опасный промежуток в несколько десятков герц. Исследуя возможность предельного сужения этого промежутка, автор пришел к выводу, что при наклонах амортизаторов под некоторыми углами можно не только ликвидировать связь колебаний в различных степенях свободы (это было уже ранее показано авиастроителями), но, что самое главное, свести резонансные частоты в весьма узкий диапазон и значительно уменьшить тем самым опасность как колебаний механизма, так и усиленной вибропередачи фундаменту. Одновременно уменьшаются отклонения механизмов на упругих опорах при наклоне фундамента, что особенно ценно для судовой амортизации. Когда статья на эту тему была принесена в редакцию журнала "Судостроение", академик Ю. А. Шиманский, бывший тогда редактором журнала, спросил:
-- А чем, кроме формул, вы можете это доказать?
Пришлось делать модель механизма на наклонных амортизаторах. Академик довольно долго дергал за тросики, привязанные в различных частях "механизма", и, убедившись в правильности утверждений, подписал статью в печать. Наклонная амортизация стала применяться на судах.
Конечно, разработка методов расчета колебаний амортизированных механизмов на низких частотах-- это лишь один, в общем, достаточно узкий аспект проблемы виброизоляции. Магистральное направление-- изучение вибропередачи на средних и высоких звуковых частотах, где процесс принимает волновой характер. Были исследованы особенности прохождения колебаний через сложные структуры, содержащие до семи и более элементов (механизм, несколько каскадов виброизоляторов, промежуточные рамы и блоки, фундамент, конструкция за ним). Удалось показать, что на некоторых частотах, при наличии интерференционных явлений в механизме или его частях, вибрация фундамента от действия силы, приложенной на границе упругой прокладки и механизма, может быть меньше, чем от силы, действующей в удаленной от прокладки верхней части механизма (хотя, на первый взгляд, можно ожидать обратного). Впервые было установлено, что ослабление вибрации на фундаменте механизма после установки его на виброизоляторы (а это ослабление служит и мерой снижения шума в соседнем помещении), как правило, меньше, чем передаточная функция (перепад) колебательных уровней на амортизаторах, наиболее просто измеряемых на готовой установке амортизации.
В. И. Попков впервые рассчитал и измерил в широком диапазоне звуковых частот колебательную энергию, передаваемую через виброизолирующие крепления.
Выдающийся немецкий акустик Л. Кремер, о котором мы уже говорили, показал разницу в виброизоляции упругими прокладками продольных и изгибных волн. В США интересные работы по виброизоляции были выполнены Кридом, Сноудоном и другими.
Автор перечитал написанное, и ему вдруг подумалось: а не покажутся ли некоторым читателям, особенно молодым, слишком уж "будничными" вопросы вибрации? Ведь нет здесь лучей лазеров, прожигающих на расстоянии стальные листы, миллионноградусных плазменных шнуров, бьющихся в чудовищных магнитных полях. Читатель должен поверить, однако, что радость от обнаружения нового явления или закономерности, игра ума при этом одинаковы, независимо от того, участвуют ли здесь тысячи киловатт мощности, миллионы эрстед, атмосфер или только колебательные движения с амплитудами в доли микрона, сопровождается ли это явление броскими внешними аксессуарами или нет.
Вернемся, однако, к предмету нашего повествования. При создании массовых амортизаторов для машин встал вопрос о виброизолирующем материале. Еще в 40-е годы в разных странах в качестве амортизационных материалов рекомендовались пробка, фетр и резина. Исследование их на специально созданных установках склонило чашу весов в пользу последней.
Тут следует учесть одно интересное свойство резины. Дело в том, что она практически... несжимаема, во всяком случае значительно менее сжимаема, чем сталь. Что это -- мистификация или, быть может, невежественная оговорка? Ни то, ни другое. Часто отождествляют два понятия: модуль сжатия и сжимаемость. Модуль сжатия (модуль Юнга) у резиновых стержней, действительно, на несколько порядков меньше, чем у стали. А вот сжимаемость, характеризующаяся уменьшением объема при сжатии, у резины (разумеется, мы говорим о сплошной резине, без внутренних пор) ничтожна, то есть ее деформация происходит не за счет изменения объема, а лишь за счет изменения формы. Боковые поверхности резинового виброизолирующего элемента при колебаниях, как говорят, "выпучиваются". Если же эти поверхности закрыты металлической арматурой, возможность боковых смещений исключается, и жесткость прокладки увеличивается в десять и более раз (см. график на с. 239 книги И. И. Клюкина "Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах". Изд. 1-е. Л., Судпромгиз, 1961). Резина буквально превращается в дерево, виброизоляция ее падает.
Это обстоятельство, а также необходимость обеспечить надежное крепление механизмов в любом положении, под произвольным углом к горизонту были учтены при разработке резинометаллических амортизаторов для судов. Амортизаторы сварные -- так в резинотехническом производстве именуют изделия, в которых резиновый массив присоединен к металлической крепежной арматуре в процессе вулканизации, происходящей при достаточно высокой температуре.
Осваивал производство амортизаторов ленинградский завод "Красный треугольник". Вспоминается момент, когда после долгих исканий "производство пошло"; из пресс-форм одно за другим начали появляться аккуратные гладкие и прочные изделия с заданными акустическими характеристиками. Было это ровно тридцать лет назад. С тех пор освоены многие значительно более сложные типы амортизаторов -- пружинно-резиновые, пневматические и другие. Многие конструкции не выдержали "испытания практикой", но первые образцы амортизаторов и сейчас являются одним из самых ходовых изделий этого вида. Их выпущено уже более миллиона, они используются не только на судах, но и на других видах транспорта, в промышленности, жилищном строительстве. Группа амортизаторов различных размеров, поставленных рядом, напоминает семейство слоников, которые когда-то можно было видеть на мещанских комодах. Самые маленькие амортизаторы служат для защиты легких хрупких приборов от сотрясений, самые большие -- для звукоизоляции довольно тяжелых виброактивных механизмов.
Уместно вспомнить теперь о явлениях отражения колебаний на границах сред или конструкций. Главное условие для такого отражения -- скачок механического или акустического сопротивления, независимо от того, в какую сторону -- уменьшения или увеличения. Виброизолирующие прокладки и амортизаторы являют собой пример отражающей конструкции, действующей вследствие резкого уменьшения сопротивления в месте перехода от металлического вибропровода к резине или иному весьма податливому материалу. Можно применить и другое виброзадерживающее средство, использующее эффект отражения колебаний из-за местного увеличения сопротивления. Это -локальные массы, те же массы, с которых мы начали рассказ о борьбе с вибрацией и ударами.
