Удивительный мир звука - Клюкин Игорь Иванович
Каков бы ни был механизм нелинейного поглощения мощного звука, с точки зрения техники шумоглушения это благоприятное обстоятельство, так как несколько упрощает нелегкую, в общем, задачу борьбы с шумами.
Строители хорошо знают, что нельзя забывать и о естественных звукопоглотителях. В первую очередь это кроны деревьев и трава газонов -развешенные и расстеленные природой зеленые, впитывающие звук бархаты, с которых мы начали повествование. Они, правда, не столь эффективны, как искусственные звукопоглотители, но все же звук, пролетевший сквозь них или над ними, становится мягче, в нем заметно ослабляются составляющие высоких частот. Это, видимо, подметил К. Дебюсси, когда писал свою фортепианную пьесу "Колокола сквозь листья".
КАК ЗАДЕРЖАТЬ ВИБРАЦИЮ И УДАРЫ
Экономист: "Амортизация-- это погашение долга, а также постепенное изнашивание основных фондов, перенесение их стоимости на вырабатываемую продукцию". Специалист по теории колебаний: "Амортизация -- это поглощение, ослабление вибрации и ударов".
Прежде всего возникает вопрос: а зачем надо задерживать вибрацию? Известно, что вибрация может исправно работать на человека. Различные грохоты, трамбовки, пневматические инструменты, сепараторы, уплотнители бетона -- во всех этих устройствах используется колебательное движение.
Но вот сам человек сталкивается с теми механизмами, которые он породил. И что же? Вибрационная болезнь стоит на одном из первых мест в длинном списке видов производственного травматизма. Вибрация -- это и шумоизлучение, а о вредности шума мы еще поговорим впоследствии.
Подводный шум от работы судовых механизмов создает помехи для рыбопоисковых приборов. Да и обитатели моря боятся этих непривычных шумов, недаром сети для ловли тунца располагаются на буксирном тросе на расстоянии многих десятков километров от рыболовного судна.
Вследствие вибрации выходят из строя различные приборы, а повреждения от вибрации глубоководных или космических аппаратов, да и наземных транспортных средств могут привести к их гибели.
Итак, бороться с вибрацией нужно. Раньше других строительных элементов в роли борца здесь выступает масса. Возможно, еще до инженеров на полезную роль массы для защиты от ударов и сотрясений обратили внимание... цирковые актеры. В стародавние времена в малых и больших цирках ведущий программу, указывая на мускулистого атлета с молотом в руках, патетически провозглашал что-нибудь вроде следующего: "Сейчас знаменитый имярек, с силой которого не сравнится ни один молотобоец в мире, будет наносить удары в грудь своему партнеру, лежащему на арене. Но и этого мало! На грудь ему будет еще поставлена трехпудовая наковальня!"
Едва ли разгоряченная зрелищем публика отдавала себе в этот момент отчет, что наковальня не только не отягчает страданий атлета, как это старался доказать ведущий, но, напротив, спасает ему жизнь. Главное, нужно было лишь выдержать ее вес, да еще незаметное на глаз перемещение в момент удара.
Это небольшое динамическое перемещение достойно того, чтобы сказать о нем чуть больше. Ведь если бы не было его, а объект -- в данном случае костяк груди человека -- был весьма жестким, то не проявились бы инерционные свойства массы наковальни, и практически вся сила удара передалась бы этому лежащему объекту.
Ни один атлет, пожалуй, не перенес бы прямого удара тяжелым молотом в грудь.
Массивная наковальня, поставленная на грудь циркового артиста, позволяет ему выдержать любой удар молота.
Разложение любого ударного импульса в интеграл Фурье указывает на наличие весьма большого количества частотных составляющих силы, расположенных сколь угодно близко друг к другу. Применив же к колебательному движению второй закон Ньютона, нетрудно убедиться, что сопротивление массы перемещению пропорционально квадрату частоты колебаний. Следовательно, виброзадерживающий эффект массы будет особенно проявляться по отношению к высокочастотным возмущающим силам. На низких же частотах ее эффект может быть недостаточным.
Ну к чему, кажется, "тянуть резину"? Каждому ребенку ясно, что если подложить эту самую резину или пружинку -- все будет в порядке, вибрация исчезнет на всех частотах. Но... механизм действия любого упругого элемента не столь уж прост, как может казаться. Начать с того, что пружина передает следующему за ней объекту или конструкции всю колебательную силу, хотя, правда, амплитуда колебаний этой конструкции будет зависеть от соотношения ее сопротивления и жесткости пружины.
Сочетание массы и упругости -- это уже лучше, чем одна пружина. Но и тут, как говорил роллановский Кола Брюньон (правда, совсем по другому поводу), взяв зверя, получаешь и рога. При низких частотах возникает резонанс, и колебания даже усиливаются по сравнению с тем, какими они были, когда пружина отсутствовала, Классическая теория
А теперь источником возмущающей силы является механизм с неуравновешенным ротором. Масса, поставленная под механизм на сравнительно жесткое основание, как это ни странно, почти не уменьшает передачу ему колебательной силы.
Установленные между массой и основанием амортизационные пружины ведут себя подобно податливой груди атлета под наковальней. Проявляющиеся при этом инерционные силы массы содействуют ослаблению передачи колебательной силы основанию.
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:
