научная статья по теме ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗГИБНЫХ ВОЛН ПАРОЙ ЦЕПОЧЕК МЕХАНИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ, УСТАНОВЛЕННЫХ НА ПЛАСТИНЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗГИБНЫХ ВОЛН ПАРОЙ ЦЕПОЧЕК МЕХАНИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ, УСТАНОВЛЕННЫХ НА ПЛАСТИНЕ»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 60, № 3, с. 227-229

КЛАССИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЛИНЕЙНОЙ АКУСТИКИ И ТЕОРИИ ВОЛН

УДК 534.26

ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗГИБНЫХ ВОЛН ПАРОЙ ЦЕПОЧЕК МЕХАНИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ, УСТАНОВЛЕННЫХ НА ПЛАСТИНЕ

© 2014 г. А. Д. Лапин

Акустический институт им. академика Н.Н. Андреева 117036 Москва, ул. Шверника, 4

E-mail: lapin1932@yandex.ru Поступила в редакцию 05.09.2013 г.

Рассмотрена задача о рассеянии изгибной волны от двух цепочек из механических резонаторов, характеризуемых эффективной проводимостью. Эта проводимость реактивная для резонаторов первой (нижней) цепочки и комплексная для резонаторов второй (верхней) цепочки. Пространственные периоды обеих решеток одинаковы. На верхнюю цепочку наклонно падает плоская гармоническая изгибная волна, рассеянное поле от цепочек получено в виде суперпозиции однородных и неоднородных брэгговских спектров. Интенсивное рассеяние волны происходит только при взаимной компенсации реактивных компонент эффективной проводимости резонаторов и комплексной проводимости излучения. Пара цепочек с периодами, не превышающими половину длины изгибной волны, является эффективным изолятором изгибной волны. В полупространстве за первой цепочкой нулевая спектральная компонента рассеянного поля полностью компенсирует падающую изгибную волну резонансной частоты. Пусть вторая цепочка расположена в одной из пучностей смещения суммарного поля падающей волны и нулевого рассеянного спектра. Тогда при равенстве активных компонент эффективной проводимости резонаторов второй решетки и комплексной проводимости излучения падающая изгибная волна полностью поглощается этими резонаторами.

Ключевые слова: механический резонатор, дифракционная решетка, метод самосогласованного поля, волноводный изолятор.

DOI: 10.7868/S0320791914030113

На практике для создания виброизоляции из-гибных волн в стержнях и пластинах применяют механические резонаторы [1—4]. Простейшим резонатором является пружина с грузом [5]. Эффективным устройством изоляции изгибных волн является волноводный изолятор [6—9]. Он представляет собой сетку одинаковых резонаторов, прикрепленных к пластине на малом расстоянии друг от друга.

В работе [10] было исследовано рассеяние плоской изгибной волны в пластине от цепочки одинаковых механических резонаторов (пружин с грузами) при наклонном падении. Рассеянное поле представлено в виде суперпозиции однородных и неоднородных брэгговских спектров. Рассчитаны амплитуды рассеянных спектральных компонент на резонансной частоте. При периоде

цепочки, меньшем + sin 9)-1, где 9 — угол падения, X — длина изгибной волны, только "нулевые" рассеянные спектральные компоненты являются однородными. Тогда при отсутствии дис-сипативных потерь в резонаторах падающая изгибная волна полностью отражается от цепочки. При резонансной частоте сумма падающей и отраженной волн дает стоячее поле, его узлы и

пучности смещения расположены на соответствующих линиях, параллельных цепочке. Поместим в одной из пучностей смещения вторую цепочку, отличающуюся от первой наличием трения в ее резонаторах. Можно ожидать, что при определенном трении в резонаторах второй цепочки эта пара цепочек будет эффективным поглотителем изгибных волн резонансной частоты. Ниже рассчитана виброизоляция пары параллельных цепочек из механических резонаторов, характеризуемых эффективной проводимостью. Эта

проводимость равна У0(1) = /Х0 для резонаторов первой (нижней) цепочки и равна У0(1) = Я0 + Х0, где Е0 > 0, для резонаторов второй (верхней) цепочки. Пространственные периоды обеих цепочек одинаковы. Пусть пластина лежит в плоскости ху, первая и вторая цепочки совпадают соответственно с линиями у = 0 и у = -Н. На этих линиях резонаторы расположены в точках х = х5 = где Ь — период цепочки, ж — любое целое число. Из полупространства у < -Н на резонаторы падает гармоническая изгибная волна

Wo (х, у) = А exp [1(к°х х + к°у у)], (1)

228

ЛАПИН

л (0,0

где А — амплитуда смещения, кх и ку — соответственно проекции волнового вектора падающей волны на оси х и у, временной множитель ехр(-'ю г) опускаем. Под действием этой волны резонаторы колеблются и создают на пластине точечные нормальные силы. Обозначим через wl(x, у) и ^2(х, у) поля смещений в пластине, создаваемые цепочками точечных нормальных сил, действующих на линиях у = 0 и у = - Н. Полное поле в пластине равно w = + wl + Структура рассеянного поля определяется периодом цепочек резонаторов и величина м>(х, у)ехр(-1к{°х) является периодической функцией х с периодом Ь. Обозначим через и амплитуды нормальных сил в точках (х = 0, у = 0) и (х = 0, у = -Н) соответственно. Тогда амплитуды нормальных сил в точках

(х = х,, у = 0) и (х = х,, у = -Н) будут ехр(/к:° х,) и

Г2 ехр(/к-°х,). Поля w1 и удовлетворяют уравнениям

Дw - kV = Dexp(ikx0x)5(y) X S(x - x),

Д^ - к V = ^ехр(/кх°х)5(у + Н) ^ 5(х - х,),

где к = (ю2 р/В)1^4 — волновое число изгибной волны, А = V — оператор Лапласа, р и Б — соответственно поверхностная плотность и изгибная жесткость пластины. Решения этих уравнений находятся методом Фурье и имеют вид

Wi(x, y) = X

F

4k 2LD

Х\~Ъехр[i(kx"x + ky |y|)] + "Texp\_iknxx - an|y|] \,

I ky a I

(2)

w2(x, У) = X

/F2

4kZLD [ky,

П У y

rexp

[i(knxx + k"y\H + y|)]■

(3)

+ — exP

а

\jknxx - аn\H + y|] j>,

а =

площади контакта пластины и резонатора. Тогда для смещений wl и получим выражения

w,

w

(x, y) = E 4kFD-(n)(x' y),

!(x'y) = E 4kLDwr(x>y)'

(4)

где

V(B) = ^ JJj k, ехр [ikx"(x - x') + ik"y |y - y'] +

(5)

+ -0, ехр ^ikx,(x - x') - аn |y - y '|J > dx' dy',

а

¥ f = ^ Ujk1, exp [iK(x - x) + ikП \H + y - y\] +

а ^ y

+ exp ^ik_n(x - x') - an |H + y - y\jj j dx'dy',

(6)

а — площадь контакта пластины и резонатора.

Величины F1 и F2 получим методом самосогласованного поля. Резонатор, присоединенный к пластине в точке (0,0), действует на нее с силой F1, пластина же действует на этот резонатор с силой (-F,). Смещение точки контакта пластины и

резонатора равно w(0,0) = (-F1)70(1Y(-i®), где Y0(1) — эффективная проводимость резонаторов первой цепочки. Аналогично получим, что смещение пластины в точке (0, -H) равно w(0, -H) = (-F2)Y0(2) /(-¿ю),

где Y0(2) — эффективная проводимость резонаторов второй цепочки. При учете формул (1) и (4)—(6) эти соотношения можно представить в виде

w(0,0) = A + F1Y/(-i&) + F2Y*/(-/ю) =

= (-ВД(1)/(-/ю), w(0, -H) = A exp(-iky°H) + F1Y*/(-¿ю) + + F2YI (-¿ю) = (-F2)Y0S2) I(-¿ю),

где

Y = -ifflw1(0,0V F1 = -tow2(0, -H)l F2 =

где К = кх + п2п/Ь, кпу = -у/к2 - (кпх)2,

= у] к2 + (кП)2, суммирование производится по всем целым п. В фигурн^тх скобках первое слагаемое есть однородная плоская волна при |кП| < к и

неоднородная плоская волна при |кП| > к, второе

слагаемое всегда является неоднородной волной.

Для улучшения сходимости рядов, дающих рассеянные поля, точечную нормальную силу, создаваемую каждым резонатором, "размажем" по

= E юу(п)(0,0)

4k UD

n

Y* = -ifflw1(0, -H)/F1 = -¿®w2(0,0V F2 =

= E

'rny(n)(0, -H)

(7)

4к ^ЬБ

п

Величина У есть комплексная проводимость излучения резонатора, вещественная часть этой проводимости равна

' (8)

R = ReY = E (4k 2LDky),

n

n

a

n

n

ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗГИБНЫХ ВОЛН ПАРОЙ ЦЕПОЧЕК

229

где суммирование производится по всем п, при которых кП — вещественное. Величина У* есть взаимная проводимость резонаторов первой и второй цепочек.

В результате получим систему уравнений для сил и /2:

(70(1) + У)Г1 + 7*/2 = /юА, 7*Г1 + (70(2) + 7) Г2 = тА ехр(-/куН). Решения этих уравнений имеют вид = тА Т1/ Т, /2 = тАТ2/ Т, где

Т = 772 - (7*)2, Т1 = 72 - 7* ехр(/к°Н), Т2 = 71 ехр(-/к°Н) - 7*,

71 = Я + /(X0 + X), 72 = (Я + + /(X0 + X), X = 1ш 7.

Подставляя силы и в формулы (2) и (3), получим рассеянные поля w1 и Полное рассеянное поле равно w1 + w2.

Пусть пространственные периоды цепочек не превышают половину длины изгибной волны. Тогда все рассеянные спектральные компоненты, кроме "нулевых" при п = 0, будут неоднородными. Согласно формуле (8) для таких цепочек

Я = ю/ (4к2 ЬВку). Полагая, что рассеянные неоднородные спектральные компоненты существенно затухают на расстоянии Н, из формулы (7) получим приближенно

7* - ехр(/куН) ю/(4к2 ЬОк°) = ехр(/к°Н)Я.

Интенсивное рассеяние изгибной волны происходит только при взаимной компенсации реактивных компонент эффективной проводимости резонаторов и комплексной проводимости излучения, т.е. при выполнении соотношения X!) + X = 0. При частоте ю, удовлетворяющей этому соотношению, амплитуды нулевых спектральных компонент полного рассеянного поля + w2) будут равны Ау>0 = -А,

.0 _ „ Яр - /2Я81п(к;Н) ехр(-гкуН)

Ау <-Н = А 0 0 . (9)

у Я0 - /2Я8т(куН) ехр(/куН)

В полупространстве у > 0 нулевая спектральная компонента рассеянного поля полностью компенсирует падающую волну (1).

Пусть вторая цепочка расположена в одной из пучностей смещения суммарного поля падающей волны и нулевого рассеянного спектра от первой

цепочки. Тогда к°уН = М я/2, где М — нечетное число, и формула (9) дает

Я - 2Я

Ay<-H = -A-

(10)

Я0 + 2Я

При выполнении соотношения Я0 = 2Я эта амплитуда равна нулю и падающая изгибная волна (1)

полностью поглощается резонаторами. Величина 2R есть вещественная компонента проводимости излучения в пучности смещения.

Отражение рэлеевской волны и волн Лэмба в твердом слое решеткой механических резонаторов было исследовано в работах [11, 12]. Новые эффективные способы создания виброизоляции на основе механических резонаторов предложены в работах [13, 14]. Обзор современных конструкций вибропоглотителей дан в работе [15].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Клюкин И.И. Об ослаблении волн изгиба в стержнях и пластинах при помощи резонансных колебательных систем // Акуст. журн. 1960. Т. 6. № 2. С. 213-219.

2. Клюкин И.И, Сергеев Ю.Д. О рассеянии изгибных волн антивибраторами, установленными на пластине // Акуст. журн. 1964. Т. 10. № 1. С. 60-65.

3. Тютекин В.В., Шкварников А.П. Синтез и исследование поглотителей изгибных волн в стержнях и пластинах // Акуст. журн. 1972. Т. 18. № 3. С. 441-447.

4. Лапин А.Д. Влияние диссипативных потерь на эффективность работы резонатора для изгибных вол

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком