Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Методы активной компенсации звуковых полей, излучаемых упругими поверхностями

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Методы активной компенсации звуковых полей, излучаемых упругими поверхностями"

- Л П1И1

•иГЛ

На правах рукописи

ВЯЛЫШЕВ Александр Иванович

МЕТОДЫ АКТИВНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ЗВУКОВЫХ ПОЛЕЙ, ИЗЛУЧАЕМЫХ УПРУГИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ

03.00.16 - экология

01.04.04 - техника физического эксперимента, фишка приборов, автоматизация физических исследований

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Международном фонде безопасного развития цивилизации им. акад. В.А. Легасова и в Государственном научном центре «Акустический институт им. акад. H.H. Андреева».

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН

Доктор физико-математических наук, профессор Доктор физико-математических наук, профессор

B.И. Пустовойт

C.А. Рыбак В Н. Лысцов

Ведущая организация:

Центральный научно-исследовательский институт им. академика А Н. Крылова

Защита срсрится АС-Я^0***^— 1997 года

в "7Я часов на заседании диссертационного совета Д 170.01.01 при Агентстве биоинформатики и экологии человека Международной неправительственной организации «Форум ученых и специалистов» по адресу: 117977, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агентства по адресу: 117977, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4.

Автореферат разослан_1997 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 170.01.01 S^l/sb/*^^

кандидат физико-математических науку^ Э. М. Шекшеев

I. ОСНОВНЫЕ ИДЕИ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

В диссертации представлены результаты исследований одной из проблем обеспечения экологической безопасности человека - ослабление наиболее распространенных неблагоприятных факторов: шума и вибрации. В сфере их влияния находятся миллионы людей, работающих в различных отраслях промышленности, подвергающиеся воздействию шума в транспорте, на улице, в жилищах и других условиях. Наблюдается тенденция увеличения уровнен шума и вибрации, роста удельного веса прерывистых и импульсных колебаний, расширения спектра виброакустических колебаний в сторону ультра- и инфразвуковых диапазонов, что обусловлено возрастанием мощностей машин и механизмов, интенсификацией технологических процессов, снижением материалоемкости шделий и оборудования Одновременно увеличивается численность групп лиц, подверженных воздействию мало интенсивных виброакустических колебаний на фоне высокой психоэмоциональной напряженности трудовых процессов. Длительное воздействие шума и вибрации на организм человека приводит к развитию переутомления, снижению внимания, уменьшая тем самым безопасность производственной деятельности человека.

Исследования показали, что интенсивный шум при ежедневном систематическом воздействии вызывает потерю слуха, прогрессирующую с увеличением времени воздействия. Это приводит к снижению восприятия окружающих человека шумов, в том числе и речи; люди становятся ограниченно контактными, что иногда приводит к нарушениям психики. Вместе с тем, шум через проводящие пути органа слуха изменяет нормальные процессы нервной деятельности в различных отделах головного мозга, вследствие чего наблюдаются нарушения в вегетативных реакциях организма - в частности изменения в сердечно-сосудистой системе, обменных процессах, отмечено снижение андрогенной функции. Особенно сильно сказывается влияние шума и вибраций при совокупности негативных экологических факторов, таких как загрязнение воздуха, действие токсичных веществ, при наличии различных заболеваний.

Длительное воздействие вибраций приводит к возникновению вибрационной болезни, суставных заболеваний, способствует развитию болезней позвоночника и других нарушений.

Низкочастотный звук и вибрация вызывают изменения во внутренних органах: почках, печени, сердечной мышце. Отмечена роль низкочастотного шума как фактора риска в формировании предпатологиче-ских состояний.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что интенсивный шум и вибрация - это социальная проблема, требующая комплексного решения в вопросах снижения уровней воздействующих на человека шума и вибрации.

Одним из перспективных направлений для защиты человека от воздействия шума и вибраций в низкочастотной области являются методы активного гашения виброакустических полей, в частности, методы компенсации, суть которых состоит в создании допрлнительного звукового или вибрационного поля, которое, складываясь с исходным полем, уменьшает его.

В настоящее время развиваются два физических подхода к компенсации полей, излученных колеблющимися телами: метод, предложенный Г Д. Малюжинцем и независимо от него М. Жесселем, состоящий в окружении излучающего тела акустически прозрачной поверхностью Гюйгенса с распределенными источниками звука и метод, предложенный Ь.Д.Тартаковским и развиваемый автором, состоящий в подключении к колеблющейся поверхности дополнительных источников в виде нормальных сил. Пели в первом случае энергия, уходящая от тела, поглощается компенсирующими источниками на поверхности Гюйгенса, то во втором случае изначально излучается меньшая энергия.

В диссертации рассматривается метод компенсации излучения колеблющихся упругих поверхностей типа пластин и оболочек путем приложения к ним сосредоточенных нормальных сил. Естественно, наилучшим является условие совмещения контура приложения компенсирующих сил с контуром возбуждающих сил, что является подобием активной виброизоляции и позволяет получить высокую степень гашения ноля. Однако, в большинстве случаев совместить источники не удается либо возбуждающие источники имеют большие импедансы. При разнесении возбуждающих и компенсирующих источников важную роль начинают играть условия излучения конкретной пластины или оболочки, степень их нагруженности средой и другие факторы. Сложность проблемы компенсации излучения упругих поверхностей состоит еще и в том, что на докритических частотах уменьшение звукового поля, излученного поверхностью, не совпадает с уменьшением ее вибрационного поля. Поэтому, для оптимального построения системы компенсации для таких структур представляет интерес рассмотрение физических закономерностей компенсации излучения колеблющихся поверхностей. При этом основной задачей становится оценка максимально возможного эффекта компенсации для конкретной упругой структуры и заданного расположения сил, а также определение необходимых для этого оптимальных амплитуд и фаз компенсирующих источников. В диссертации также рас-

смотрены методы построения систем компенсации, включающие выбор оптимальных координат компенсирующих источников, выбор критериев компенсации. Предложен способ контроля эффективности компенсации звукового поля, излученного упругой координатной поверхностью, по измерениям ее нормальной скорости Рассмотрена устойчивость системы компенсации с обратной связью Подробно исследованы вопросы преобразования энергии при компенсации виброакустических полей для систем различного типа.

В введении (первой главе) обоснована актуальность темы диссертации, дан обзор методов решения задач компенсации излучения звука и вибраций, сформулирована цель работы, кратко изложено содержание диссертации и ее структура.

Во второй главе получены аналитические решения задач компенсации излучения ограниченных и бесконечных пластин, нагруженных разными средами, с нсоднородностями, возбуждаемых произвольными источниками. Задачи решаются путем определения зависимости полной звуковой мощности, излученной пластинами, от параметров компенсирующих сил.

В разделе 2.1 рассматривается компенсация излучения однородной прямоугольной пластины в бесконечном жестком экране. Пластина возбуждается гармонической точечной силой, компенсирующая сила также

к

точечная. Решение ищется в виде интегрального преобразования Фурье для двухмерных колебаний. В зависимости от взаимного расположения сил на пластине могут быть скомпенсированы отдельные области резо-нансов пластины. В качестве примера рассмотрены синфазные и противофазные основная и компенсирующая силы.

В общем случае число возбуждающих пластину комплексных сил и число компенсирующих сил - произвольно. При компенсации вибрационного поля пластины в качестве критерия выбрано отношение среднего квадрата колебательной скорости поверхности пластины до компенсации Е0 к его величине после компенсации Е^:

Д\У = Е0/Е, (1)

Для получения оценки предельной величины компенсации для совокупности сил используется матричная форма записи, в которой Е имеет вид :

Е = ( Р'^'Ж Р", ОР") (2)

т,«

где Р и Р - векторы, соответствующие действительным и мнимым частям сил, О - матрица взаимодействия между силами по отношению к кинетической энергии колебаний пластины.

Минимизируя функционал Е попеременным р' и р", можно определить оптимальные значения компенсирующих сил, соответствующих стационарным точкам функционала Е. Анализ решений для одной

возбуждающей силы показывает, что оптимальные компенсирующие силы имеют чисто действительные значения, т.е. либо сиифазны, либо противофазны с возбуждающей силой. При этом амплитуды компенсирующих сил таковы, что взаимодействуя с возбуждающей силой, сами компенсирующие силы не дают вклада в Е .

Для сопоставления компенсации вибрационного и звукового полей исследуемой пластины мощность излучаемого пластиной звука удобно записать в терминах импедансов излучения и взаимодействия форм колебаний пластины.

№ = сопб! х Яе XIII V V 7,,

тп * ру <»» ру

где , - постоянные возбуждения форм соответствующих но-

меров, ZmvJí - импеданс взаимодействия между формами колебаний.

В частном случае слабого взаимодействия между формами колебаний пластины, нагруженной акустической средой, выражения для мощности звука имеют вид, аналогичный (2), но С представляет теперь матрицу взаимодействия между приложенными к пластине силами по отношению к мощности излучаемого звука. Если влияние среды на колебания упругой структуры пренебрежимо мало или импедансы межмодо-вого взаимодействия малы по сравнению с импедансами излучения мод, выражения для расчета оптимальных значений компенсирующих сил и предельной величины компенсации вибрационных и звуковых полей при

заданных координатах компенсирующих источников имеют один и тот же вид. Это позволяет контролировать уменьшение звукового поля по полученной величине компенсации вибрационного поля.

Увеличение числа компенсирующих сил приводит к расширению частотного диапазона и увеличению эффекта компенсации, поскольку увеличивается число форм, компенсируемых в соответствии с весовыми коэффициентами возбуждаемых собственных форм.

В разделе 2.3 рассматривается другой предельный случай плоской структуры - бесконечная пластина, которая моделирует реальную конечную структуру в случае существенных потерь, либо в материале пластины, либо вследствие оттока энергии через ее края.

Для однородной бесконечной пластины, возбуждаемой точечной силой, решения для мощности звука удобно искать в виде преобразования Ханкеля. С учетом реакции среды, выражение для излучаемой мощности на низких частотах имеет вид:

V/ = со^ х [ 1 - бш 1^1./ кс1.], (3)

где 1. - расстояние между силами, кс - волновое число среды. Характерно, что в выражении (3) отсутствует волновое число изгибных колебаний пластины. Это связано с тем, что на низких частотах однородные изгибные волны в пластине'не излучают звук вследствие акустического короткого замыкания и основной вклад в звуковое поле даюг

неоднородные волны изгиба в точках приложения сил. Создаваемую компенсацию можно трактовать как результат акустического взаимодействия через среду точечных источников, эквивалентных приложенным к бесконечной пластине основной и компенсирующей силам. Поскольку уменьшение излучаемой звуковой мощности не зависит от волнового числа изгибных колебаний пластины, оно не зависит и от изменения входных импедансов в точках приложения сил Р0 и Р„ . Так как, уменьшение мощности звука, излучаемого пластиной, в волновой зоне определяется акустическим взаимодействием волн, уносящих энергию о пластины, в приведенном расчете не учитываются неоднородные звуковые волны, которые на низких частотах дают существенный вклад в ближнее поле пластины.

Пространственный спектр волновых чисел в пластине, возникающий вследствие нарушения однородности в точке приложения компенсирующей силы не зависит от первичного поля, создаваемого возбуждающей силой и, следовательно, изменение излучаемой звуковой мощности на низких частотах не зависит от свойств пластины.

При слабой нагруженное™ пластины средой имеет место взаимодействие эквивалентных источников монопольного типа, для случая тяжелой среды решение переходит во взаимодействие источников с дн-

польной характеристикой направленности. Аналогичная ситуация наблюдается в случае возбуждения пластины линейными силами.

Для узкополосного белого шума результат может быть получен усреднением мощности по всем значениям волновых чисел среды, входящих в полосу частот.

Далее в разделе рассмотрены неоднородные бесконечные пластины, неоднородности которых представлены ребрами жесткости на пластине, либо учетом конечных импедансов у возбуждающих и компенсирующих источников. Наличие неоднородностей приводит к появлению дополнительных эквивалентных источников звукового поля и необходимости расчета их взаимодействия. Для общего случая возбуждения пластины источниками произвольной конфигурации получены достаточно простые выражения для расчета величины компенсации и рассчитан ряд примеров.

Рассмотрено применение системы компенсации для уменьшения излучения звука трехслойной конструкцией, когда возбуждающая и компенсирующая силы приложены к разным плоскостям, разделяющим различные среды. При этом рассматривается угловая зависимость эффекта компенсации, которую можно рассматривать как величину характеризующую уменьшение коэффициента прохождения звукам через одну из пластин во внешнюю среду или активную звукоизоляцию. Эта задача

более подробно рассмотрена для ограниченной пластины в абсолютно жестком экране, на которую падает плоская полна, (раздел 2 4). Показано, что прилагая к пластине точечную силу, можно уменьшить звуковое давление в заданном направлении, либо получить максимальное ослабление мощности звука, прошедшего через пластину. Рассмотрена задача для диффузного поля. Приведены численные примеры, показывающие, что активная звукоизоляция позволяет существенно увеличить общую звукоизоляцию пластины, что особенно важно в области низких частот, когда величина пассивной звукоизоляции мала. В области более высоких частот активная звукоизоляция позволяет уменьшить прохождение звука, связанное с пространственно-частотным резонансом. Заметим, что полученное дополнительное уменьшение коэффициента прохождения звука через пластину можно также трактовать как увеличение импеданса пластины.

Обобща" результаты, в разделе 2.5 рассмотрена свя!ь

звукового и вибрационного полей при компенсации излучения пластины на докритических частотах. При этом удобно и физически наглядно рассматривать спектральные пространственные представления излучаемой звуковой мощности и распределений колебательной скорое! и поверхности пластины. Можно сделать вывод, что мощность звукового поля, излучаемого пластиной при компенсации, зависит от уменьшения средне-

го квадрата колебательной скорости пластины лишь в случае резонансных колебаний пластины с малыми потерями. В остальных случаях задача компенсации сводится к восстановлению на поверхности пластины синусоидального неизлучающего распределения колебательной скорости, нарушенного вследствие приложенных возбуждающих сил и наличия других неоднородностей. Какова бы ни была первоначальная пространственная структура распределения колебательной скорости поверхности пластины, приведение ее к упорядоченному синусоидальному виду всегда уменьшает нескомпенсированную объемную скорость и, следовательно, излучаемую звуковую мощность. Это особенно важно при возбуждении пластины источниками с заданной скоростью, когда невозможно уменьшить амплитуду колебаний в точке возбуждения. Приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающих восстановление регулярного слабоизлучающего распределения вибраций при компенсации звукового поля пластины.

Третья глава посвящена получению аналитических решений задачи компенсации для цилиндрических оболочек. Для цилиндрических поверхностей задача компенсации усложняется наличием трех составляющих смещения поверхности оболочки, связанных друг с другом. Исследуется компенсация звукового поля, тонкой однородной конечной оболочки в абсолютно жестком экране при различных условиях возбужде-

ния исходного и компенсирующего вибрационных полей. Мощность излучаемого звука, так же как и для пластин может быть выражена через импедансы излучения и акустического взаимодействия форм колебаний оболочки. Выражение для мощности излучения оболочки в матричной форме имеет такой же вид, как и для пластины. Различие определяется элементами матрицы взаимодействия сил и связано с различием спектров собственных частот, собственных форм колебаний и сопротивлений излучения.

В разделе 3.1 приводятся численные расчеты компенсации звукового поля оболочки, исходное поле которой возбуждается распределенными силами, а компенсирующее - системой к сосредоточенных сил; все силы имеют только нормальную к поверхности оболочки составляющую В расчете собственных частот свободно опертой оболочки учитывалась поправка Кениарда для низших форм колебаний, а также использовались асимптот ические формулы сопротивления излучения для низких час го 1 и длинных оболочек. При компенсации нулевой формы колебаний заметная величина компенсации наблюдается при числе компенсирующих сил более трех, при к 5,6 достигается почти полная компенсация звукового поля. Для первой формы колебаний величина компенсации значительно больше в том случае, если число компенсирующих сил четное (к = 2,4).

Компенсация более высоких форм колебаний оказывается наилучшей, если число компенсирующих сил совпадает с числом волн укладывающихся по периметру оболочки в окружном направлении. Зависимость компенсации от координат приложения сил показывает, что предельная величина компенсации принимает максимальное значение при совмещении сечений приложения сил.

Также рассмотрен случай, когда сила, возбуждающая исходное поле, имеет аксиальную составляющую, а компенсирующая сила - только нормальную составляющую (раздел 3.2). Определяется предельная величина компенсации и комплексные значения компенсирующих сил. Отмечено, что при наличии аксиальной компоненты у возбуждающей силы существует оптимальная координата приложения компенсирующей силы. Оценена зависимость величины компенсации звукового поля от угла наклона возбуждающей силы.

В отличие от плоских, криволинейные поверхности за счет большей жесткости на низких частотах позволяют получить большую величину звукоизоляции, чем пластины. Однако, когда оболочка разделяет разные среды и волновое сопротивление одной из сред близко к импедансу конструкции, звукоизоляция конструкции на низких частотах мала. В разде-

/

ле 3.3 исследуется активная звукоизоляция тонкой бесконечной цилиндрической оболочки, заполненной воздухом. Оболочка излучает во внеш-

тою среду - воздух или воду и возбуждается точечным источником звука, находящимся внутри оболочки. Анализ полученных решений показывает, что величина активной звукоизоляции по мощности прошедшего звука значительна в том случае, если внутри оболочки находится воздух, а снаружи вода, и мала, если и внутри и снаружи оболочки находится воздух.. Различие эффектов объясняется тем, что в случае разных сред прохождение звука через оболочку ограничено углом полного внутреннего отражения. При этом диаграмма направленности точечного источника звука близка диаграмме излучения кольцевой компенсирующей силы, что и определяет значительное ослабление мощности звука

В четвертой главе рассматриваются отдельные методы построения систем компенсации и возникающие при этом задачи. Основное внимание уделяется выбору координат и потенциалов компенсирующих источников п общей постановке, когда неизвестны аналитические решения для компенсируемой структуры или их получение связано с неоправданными вычислительными сложностями. При этом возникает необходимость синтеза оптимальной в заданном смысле системы компенсации, состящей из ограниченного числа компенсирующих источников. Для этой цели используются некоторые методы снтеза антенн по заданной диаграмме направленности. Под синтезом системы компенсации понимается определение координат и потенциалов возбуждения компенси-

рующих источников, обеспечивающих ослабление энергии колебаний в конечном числе точек наблюдения в заданной области до определенной величины. В общем случае синтез системы компенсации сводится при большом числе точек наблюдения к трудоемкой задаче поиска глобального минимума многоэкстремальной функции, характеризующей величину компенсации, определенной во второй главе. Рассматриваемый метод синтеза основан на поиске условного минимума энергии скомпенсированного поля и заключается в последовательном дополнении системы, состоящей из к компенсирующих источников, к+1-м источником. Таким образом, при каждой итерации синтез системы сводится к определению, во-первых, координаты расположения последнего к+1-го источника и, во-вторых, всех потенциалов возбуждения, соответствующих минимальному значению энергии остаточного поля. Синтез системы компенсации считается законченным либо при достижении определенного значения степени компенсации, либо, когда число источников становится равным заданному.

При недостатке энергии, необходимой для возбуждения компенсирующих источников, рассчитанные потенциалы возбуждения могут оказаться нереализуемыми. В этом случае, условный минимум энергии скомпенсированного поля может'быть получен, используя известный метод множителей Лагранжа.

Проведенный анализ и расчетные примеры показывают, что синтез системы компенсации не однозначен. В зависимости ог требований, предъявляемых к системе компенсации, и конфигурации компенсируемого поля могут быть использованы три различных критерия определения координат расположения компенсирующих источников. При выбранных координатах потенциалы возбуждения компенсирующих источников, соответствующие максимальному ослаблению энергии компенсирующего поля, определяются строго путем решения системы линейных уравнений.

В качестве примеров рассмотрены: компенсация поля изгибных колебаний бесконечной пластины без потерь, возбуждаемой источником гармонической силы; аналогичной пластины, возбуждаемой источником с грехлепестковой диаграммой направленности и пластины, возбуждаемой парами источников, случайно распределенных в заданной области.

Рассмотренный метод синтеза не позволяет получить решение, соо1-ветстнуюшсе глобальному минимуму энергии остаточного поля при заданном числе компенсирующих источников. Однако, в большинстве случаев поиск условного минимума энергии окупается достаточно простой итеративной вычислительной процедурой. В тех случаях, когда требуется максимальное ослабление энергии компенсируемого поля заданным числом источников, описанный метод синтеза дает хорошее первое

21)

приближение, улучшаемое далее известными методами поиска глобального минимума.

Предложено решение задачи выбора критерия эффективности компенсации в случае, когда невозможно использовать контрольные приемники в защищаемой области пространства. В последнее время большое внимание уделяется методам, позволяющим получать значения параметров, характеризующих дальнее звуковое поле по измерениям в ближнем звуковом поле. Такие методы дают возможность применить систему компенсации для более сложных задач, например, для снижения звукового давления в максимальном лепестке диаграммы направленности звукового поля или снижения звукового давления в заданном направлении. В разделе рассмотрен один из возможных вариантов контроля критерия компенсации и синтеза системы компенсации, когда могуг быть измерены только нормальные скорости колеблющейся поверхности. Компенсирующими источниками служат гармонические силы, приложенные в локальных точках к упругой поверхности. Применение предложенного метода ограничено трудностями определения функции Грина для сложных некоординатных поверхностей. Однако, если волновое сопротивление среды мало по сравнению с инерциальным сопротивлением упругой поверхности, что характерно, например, для цилиндрических поверхно-

стей, то значения функции Грина достаточно просто могут быть получены экспериментально, используя принцип взаимности.

Рассмотрена устойчивость систем компенсации в случае использования систем с обратной связью (замкнутой системой управления) Применение систем компенсации предусматривает получение информации об исходном погашаемом поле. При этом попадание на приемник системы компенсирующего поля может привести к самовозбуждению системы на частотах, для которых не выполняются условия устойчивости Найквиста. Наличие в замкнутой системе компенсации современных фильтров с высокой крутизной стенок приводит к самовозбуждению при любом фазовом сдвиге в системе при большой величине компенсации. Задача устранения самовозбуждения может быть решена разными способами: увеличение потерь на пути распространения звуковой волны ог компенсирующего источника к приемнику системы компенсации; использование направленных приемников и излучателей системы компенсации; создание резкого скачка импеданса на пути распространения звуковой волны от приемника к источнику системы. Влияние потерь на устойчивость замкнутой системы компенсации рассмотрено на примере компенсации изгибиых колебаний бесконечного стержня с потерями. Экспериментальные исследования для стержней с коэффициентом потерь ц = 0,3 показали возможность увеличения величины компенсации за счет введе-

ния потерь до величины 20-30 дБ. Использование приемника с кардио-идной характеристикой направленности позволило увеличить эффект компенсации за счет увеличения порога самовозбуждения на 10-15 дБ.

В последнее время получили широкое распространение устройства (многоканальные оптимизаторы), позволяющие в автоматическом режиме минимизировать уровни сигналов на своих входных устройствах, изменяя сигналы на выходных устройствах. Такие системы используют поисковые алгоритмы и позволяют создавать разомкнутые системы компенсации, не имеющие областей неустойчивости. В конечном счете, использование системы компенсации с независимым контролем компенсируемого поля в динамическом режиме требует применения процессорных систем, алгоритмы которых позволяют вычислять критерий компенсации в соответствии с вышеизложенным и минимизировать его либо методами поиска, либо в соответствии с процедурой расчета потенциалов компенсирующих источников.

В пятой главе подробно исследовано преобразование энер! ни при компенсации виброакустических полей. Основное внимание уделено акустическому взаимодействию источников в пространстве с произвольной функцией Грина. Показано, что величина компенсации уменьшается по мере увеличения расстояния между источниками, за исключением одномерного или замкнутого пространства без потерь. Рассмотрено

взаимодействие источников в случае пластины, нагруженной средой. Для электромеханического преобразователя, работающего в режиме компенсации, исследовано изменение электрической мощности, потребляемой ог источника питания. В режиме полной компенсации (скорость рабочей поверхности преобразователя равна нулю) электрическая мощность, потребляемая компенсирующим преобразователем с магнитным полем от источника электроэнергии пропорциональна внутренним потерям преобразователя.

Компенсация в заданной области пространства может быть получена и при отсутствии взаимодействия источников. В этом случае энергия перераспределяется в пространстве так, чтобы в защищаемой облас-1» она имела минимальное значение. Перераспределение энергии в пространстве можно представить как предельный случай взаимодействия источников в поле при большом расстоянии между ними.

Случай поглощения энергии компенсирующим источником рассмотрен на примере уменьшения отражения изгибной волны от конца ограниченного стержня. Получены выражения для необходимой компенсирующей силы, приложенной к концу стержня. Результаты экспериментальных исследований показали, что компенсирующий преобразователь, работающий в таком режиме, поглощает до 98 процентов энергии, падающей на него изгибной волны. Электрическая мощность, потребляе-

мая преобразователем, расходуется на компенсацию реактивной составляющей его входного механического импеданса и согласование активной составляющей с волновым сопротивлением среды.

Все перечисленные варианты преобразования энергии при компенсации виброакустических полей могут действовать и совместно.

Выводы:

1. Разработан метод активной компенсации , позволяющий существенно уменьшить излучение однородных и неоднородных пластин и оболочек на низких частотах при различных условиях возбуждения.

2. Предложен способ определения предельно возможной величины активной компенсации для ограниченных пластин и оболочек, нагруженных средой, с заданным расположением компенсирующих источников.

3. Показана возможность значительного увеличения звукоизоляции тонких пластин и оболочек на низких частотах при использовании метода активной компенсации.

4. Детально изучены физические механизмы компенсации и показано, что при компенсации излучения упругой структуры происходит изменение пространственного спектра скорости колебаний поверхности, вследствие чего уменьшается нескомпенсированная объемная скорость, определяющая излучение.

5. Предложен метод синтеза систем компенсации, позволяющий выбрать оптимальные координаты компенсирующих источников и их потенциалы возбуждения в тех случаях, когда не удается получить аналитическое решение задачи компенсации.

6. Решена задача контроля величины компенсации излучения упругого тела и синтеза системы компенсации, если известны только нормальные составляющие скорости поверхности.

7. Исследована устойчивость систем компенсации с обратной связью. Рассмотрены пути существенного увеличения устойчивости таких систем.

8. Подробно исследовано преобразование энергии при компенсации виброакустических полей. Получены общие выражения для акустического взаимодействия источников звука в пространстве с произвольной функцией Грина. Рассмотрены три возможных типа преобразования энергии.

И. ВКЛАД АВТОРА В ПРОВЕДЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ Личный вклад автора

Обоснован предмет и область исследований, сформулирована общая постановка задачи. Значительная часть аналитических результатов и результатов экспериментальных исследований получена автором самостоя-

тельно. Отдельные результаты, относящиеся к постановке задачи, а также разработке метода получены совместно с научным руководителем автора в аспирантуре Акустического института им. академика H.H. Андреева Б.Д. Тартаковским. Результаты, связанные с численным расчетом предельных значений компенсации звуковых и вибрационных полей, синтезом систем компенсации получены под руководством и/или при непосредственном участии автора совместно с сотрудниками Акустического института им. академика H.H. Андреева А.И. Дубининым, Г.С. Любашевским, С.И. Еремеевым. Всем упомянутым коллегам автор выражает искреннюю благодарность и признательность.

Апробация результатов

Основные результаты диссертации докладывались на VIII Всесоюзной Акустической конференции (Москва, 1973г.), IX Всесоюзной Акустической конференции (Москва, 1977г.), VII Научно-технической конференции по авиационной акустике (Суздаль, 1981г.), конференции "Численные методы в современных волновых задачах акустики" (Душанбе, 1984г.), Выездном научном совещании Объединенного Совета АН СССР по комплексной проблеме "Физическая и техническая акустика" по теме "Колебания и излучение механических структур" (Репино, Ленинград, 1989г.), Первом международном симпозиуме по активному гашению шума и вибрации (Токио, Япония, 1991г.), научных

семинарах Акустического института им. акад. Н.Н. Андреева, ЦНИИ им. акад. АН. Крылова, Института машиноведения и др. организациях.

Цель Работы

Целью работы является исследование физических принципов компенсации, разработка, развитие и применение методов активной компенсации для уменьшения излучения колеблющихся упругих структур типа пластин и оболочек в области низких частот, оценка предельных величин компенсации и разработка принципов построения систем компенсации.

Методы исследования

В диссертации проведено теоретическое рассмотрение ряда задач, связанных с проблемами активной компенсации звука, излученного из-гибно-колеблющимися пластинами и оболочками. Основные положения и выводы обоснованы подробными аналитическими и численными расчетами. Проведено сравнение полученных в диссертации результатов с результатами теоретических и экспериментальных исследований других авторов. Получено удовлетворительное соответствие большого объема экспериментальных и расчетных материалов. Дана наглядная физическая интерпретация полученных результатов.

III. СТЕПЕНЬ НОВИЗНЫ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ Актуальность темы

Проблемам снижения шума и вибраций, наиболее распространенного неблагоприятного экологического фактора, действующего на миллионы человек, посвящено большое количество работ, лишь малая часть из которых отражена в обширном списке литературы, приведенном в диссертации. Помимо непосредственного воздействия на органы слуха и суставы, приводящего к профессиональным заболеваниям, шум и вибрация приводят к изменениям в сердечно-сосудистой системе, нервной системе, ослабляют функцию репродукции человека. Особенно сложной задачей является снижение низкочастотного шума и вибрации, вызывающих изменения во внутренних органах человека.

Предлагаемый метод активной компенсации виброакустнческих полей является одним из перспективных направлений для защиты человека от воздействия шума и вибраций в низкочастотной области.

В связи с тем, что эффективное низкочастотное излучение в первую очередь определяется размерами излучателя, основными источниками звука на низких частотах являются внешние поверхности машин и механизмов, кожухи, перегородки и другие конструкции, хорошо моделируемые пластинами и оболочками.

Рассмотренный в диссертации метод активной компенсации излучения упругих поверхностей позволяет получить значительное ослабление излучения в области низких частот, где обычные методы и средства защиты малоэффективны. Получено хорошее дополнение к пассивным средствам снижения шума и вибраций, позволяющее перекрыть весь спектр виброакустических полей, неблагоприятно воздействующих на человека. Современное развитие технических средств, методов и средств управления системами компенсации позволяют реализовать предложенный в диссертации метод для защиты человека в наиболее опасных местах. кабинах трипе портных средств, производств с высоким уровнем шума и других объектах Научная новизна

В диссертации получен ряд новых результатов, часть из которых автор выносит на защиту:

1. Разработан метод снижения низкочастотного звука, излучаемого упругими поверхностями (пластинами и оболочками), использующий акустическое взаимодействие когерентных, в общем случае, возбуждающих и компенсирующих источников.

2. Предложен метод аналитического определения предельно возможной величины компенсации для ограниченных пластин и оболочек,

нагруженных средой, с заданным расположением компенсирующих источников и расчета их оптимальных потенциалов возбуждения.

3. Исследована возможность уменьшения коэффициента прохождения звука и мощности звука, прошедшего через тонкую пластину и оболочку, граничащую с разными средами (активная звукоизоляция).

4. Предложен метод выбора оптимальных координат компенсирующих источников и их потенциалов возбуждения в тех случаях, когда не удается получить аналитическое решения задачи компенсации.

5. Решена задача контроля величины компенсации излучения упругого тела и синтеза системы компенсации, если известны только нормальные составляющие колебательной скорости поверхности.

6. Исследована устойчивость систем компенсации с обратной связью и рассмотрены пути существенного увеличения устойчивости таких систем.

7. Исследовано преобразование энергии при гашении вибрационных и звуковых полей в системах активного гашения различного вида.

Практическая и научная значимость

Материалы диссертационной работы представляют итог исследований автора, проводимых на протяжении последних 20 лет в Акустическом институте им. акад. H.H. Андреева. Результаты проведенных исследований позволяют оценить возможность применения методов ком-

пенсации и их эффективность для ослабления излучения упругих структур различных типов и могут быть использованы, например, для уменьшения шума крупногабаритных машин и механизмов, больших трансформаторов, увеличения звукоизоляции перегородок на низких частотах, снижения шума в кабинах транспортных средств и других приложений. Предложенные методы позволяют учесть ограничения, накладываемые на мощность и конфигурацию системы компенсации, а также могут быть распространены на более сложные задачи, например, ослабление звука вращения винтов самолетов и вертолетов, уменьшение шумов обтекания, шума выхлопа автомобиля и т.п.. Результаты диссертационной работы нашли применение в ряде НИР и ОКР, выполненных в Акустическом институте им. акад. H.H. Андреева с 1973 по 1992 годы

Публикации

По теме диссертации опубликовано 23 статьи в центральных журналах и сборниках и 26 научных отчетов, получено 4 авторских свидетельства:

1. Акользин А Н., Вялышев Д.И., Тартаковский Б.Д. К вопросу о компенсации изгибных колебаний стержней с потерями. Тр VIII Все-союз.акуст.конф., Секция С, Москва, 1973г.

1

1

2. Вялышев А.И., Гаврилов A.M., Любашевский Г.С., Тартаковский Б Д., Чони Ю.И. Синтез системы компенсации вибрационного поля в ограниченной области полубесконечной пластины. Сб.научных трудов высших учебных заведений Лит.ССР "Вибротехника" 1(22),Каунас,1974г.

3. Акользин А.Н., Вялышев А.И., Тартаковский Б Д. Моделирование системы компенсации виброакустического поля структуры. Сб.научных трудов высших учебных заведений Лит.ССР "Вибротехника" 1(22),Каунас, 1974г.

4. Вялышев А.И., Тартаковский Б Д. Компенсатор колебаний, авторское свид. № 523212, 1975г.

5. Вялышев А.И., Тартаковский Б Д.. Устройство для ослабления звукового поля в трубопроводе, авторское свид. № 570080, 1975г.

6. Вялышев А.И., Любашевский Г.С., Тартаковский Б.Д. Устройство для компенсации вибраций механических конструкций, авторское свид. №545799, 1975г.

7. Вялышев А.И., Тартаковский Б.Д. Компенсация излучения изгиб-но-колеблющейся пластины на докритических частотах. Акуст. журн., т.22, в.5, 1976г.

8. Вялышев А.И., Тартаковский Б Д. Компенсация излучения изгиб-

но-колеблютейся пластины с ребрами жесткости. Акуст. журн., т.22, в 6, 1976г

9 Вялышев А.И., Гаврилов А М., Любашевский 1С, Тартаковский Б Д., Чоии Ю.И. Синтез систем компенсации вибрационных и звуковых полей Акуст. журн., т.23, в.2, 1977г.

10. Вялышев А.И , Тартаковский Б Д., Эфрусси М М. О связи звукового и вибрационного полей при компенсации излучения пластины на докритических частотах. Акуст. журн., т.23, в.З, 1977г.

11. Вялышев АН, Тартаковский БД. Об одном методе контроля величины компенсации излучения пластины. Тр. IX Всесоюз акуст. конф , Секция К, Москва, 1977г.

12. Вялышев А.И., Тартаковский Б Д., Эфрусси М.М. Исследование эффективности метода компенсации для уменьшения звукового поля крупногабаритной пластины. Межвуз. темат. сб. научных трудов "Вибротехника", 3(27), Каунас, 1979г.

13. Вялышев А И , Гаврилов А.М., Любашевский Г.С., Тартаковский Б Д. Компенсация поля излучения изгибных волн в полубесконечную пластину. Межвуз. темат. сб. научных трудов "Вибротехника", 3(27), Каунас, 1979г.

14. Вялышев А.И. Теория и методы синтеза систем компенсации виброакустических полей. Отчет АКИН им. академика H.H. Андреева, 1978г.

15. Вялышев А.И., Любашевский Г.С., Тартаковский Б Д. Способ компенсации звукового поля механических конструкций и устройство для его осуществления, авторское свид. № 886039, 1980г.

16. Вялышев А.И., Дубинин А.И., Тартаковский Б Д. Экспериментальные исследования компенсации виброакустического поля изгибно-колеблющейся пластины. Акуст. журн.,т.27, в.2, 1981г.

17. Вялышев А.И., Тартаковский Б.Д. Компенсация излучения из-гибно-колеблющейся пластины при ее возбуждении источниками с произвольными импедансами. Акуст. жури., т.27, в.4, 1981г.

18. Вялышев А.И., Дубинин А.И., Любашевский Г.С., Тартаковский Б.Д. К вопросу компенсации звукового поля пластины. Сб.докладов VI 1 научно-технической конф.по авиационной акустике, Суздаль, 1981г.

19. Вялышев А И , Тартаковский Б Д. Об энергетических соотношениях при компенсации виброакустических полей. Межвуз. темат. сб. научных трудов "Вибротехника" 2(42), 1983г.

20. Бутлицкая-Туманова И.А., Вялышев А.И., Тартаковский Б Д. О распространении вибрационной и звуковой энергии вдоль структуры с потерями. Акуст. жури., т.29, в.4, 1983г.

1 1

21. Вялышев А.И.,Дубинин А.И., Тартаковский Б Д. Компенсация звукового поля цилиндрической оболочки в жестком экране, возбуждаемой осесимметричной силой с аксиальной составляющей. Акуст. журн., т.30, в.5, 1984г.

22 Вялышев АН, Ефимов И.А., Тартаковский Б Д Компенсация излучения бесконечной пластины, возбуждаемой силами конечной протяженности. Сб."Вопросы судостроения", серия Акустика, в. 19, ЦНИИ "Рубин",1984г.

23. Вялышев А.И., Тартаковский Б Д. Численные методы расчета компенсации волновых полей. Труды конф."Численные методы в современных волновых задачах акустики", ВЦ АН Тадж.ССР, Душанбе, 1984г.

24. Вялышев А.И., Тартаковский Б Д. Компенсация звукового поля, излучаемого трехслойной конструкцией. Акуст. журн.,т.31, в.4, 1985г.

25. Вялышев А.И., Дубинин А.И., Тартаковский Б.Д. Активная звукоизоляция пластины. Акуст. журн., т.32, в.2, 1986г.

26. Вялышев А.И., Дубинин А.И., Тартаковский Б.Д. Об активной звукоизоляции цилиндрической оболочки. Акуст. журн., т.33, в.1, 1987г.

27. Vialyshev A I., Dubrovskij N.A. Energy transform at active noise and vibration control. Proc.International Symposium on ACSV, c-30, Tokyo, Japan, 1991.