Страница:
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.
Весьма часто шум в судовых помещениях обусловлен звуковой вибрацией их ограждений, приходящей из машинного отделения. Судовые акустики на танкере "София" сделали такой опыт. По периметру пола одной из кают были уложены массивные металлические брусья. Симметричная каюта по другому борту была оставлена без изменений. Громкость шума в первой каюте оказалась в полтора раза меньше, чем во второй. Однако при использовании подобных виброзадерживающих масс не удается добиться такого абсолютного скачка сопротивления, а следовательно, и акустического эффекта, как с помощью амортизаторов. Действие местных виброзадерживающих масс и различные аспекты их применения были подвергнуты обстоятельному анализу Л. Кремером и А. С. Никифоровым.
В некоторых случаях скачок сопротивления можно получить, введя линии и цепочки местных упругоинерционных систем -- антивибраторов. Максимумы виброизолирующего эффекта этих резонансных систем, как ни странно, оказались не на частоте резонанса, а по обе стороны от нее. В данном случае резонансная система вела себя как более или менее широкополосное виброзадерживающее средство. Результаты теории и эксперимента сходились, а вот физический смысл явления оставался неясным.
...Конференции круглого стола бывают не только у дипломатов, но и на собраниях ученых. В 1971 году на такой конференции, входившей в программу VII Международного конгресса по акустике в Будапеште, автор этой книги делал доклад о виброизолирующем (и вибропоглощающем) эффекте антивибраторов на пластинах. В перерыве к членам советской делегации, подошел высокий полнеющий брюнет и лаконично представился: Манфред Хекль; имя этого человека, выполнившего много интереснейших работ, известно каждому акустику. Насколько позволяли языковые барьеры, завязалась содержательная дискуссия.
Встречи с иностранными коллегами -- это всегда сильнейший психологический штурм. Мозг предельно напряжен, нельзя ударить лицом в грязь. И в этот момент внезапно пришло понимание, почему резонансные виброизолирующие системы на пластинах являются широкополосными...
"Целина" в области виброизоляции постепенно исчезает. Значительные эффекты в борьбе с вибрацией получать все труднее, нужны новые, более сложные системы и приемы. Советские ученые М. Д. Генкин, Ц. П. Коузов, В. С. Иванов, В. Т. Ляпунов, А. В. Римский-Корсаков, С. А. Рыбак, Б. Д. Тартаковский и их сотрудники в последние годы анализируют виброзадерживающие и фильтрационные свойства пространственных систем из расположенных определенным образом элементов массы и упругости. В борьбе с вибрацией строительные акустики и строительные механики целенаправленно используют все "три кита", на которых покоятся эти науки: массу, упругость и трение.
И трение...
КОЛЕБАНИЯ ВСТРЕЧАЮТСЯ
С ТРЕНИЕМ
Теплота есть завершение звука.
Г. Гегель. Философия природы
Разогреваются (при игре)не только музыканты, но и инструменты.
Там же
Итак, "три кита" в области
борьбы с шумами были известны в строительной акустике достаточно давно. Составим табличку (или, как сейчас модно писать по всякому поводу, матрицу) этих средств:
Звукоизоляция
Звукопоглощение
Виброизоляция (амортизация)
Очевидно, ощущалась пустота одной клетки этой таблички, чувствовалось, что раз есть звукопоглощение, то должно, видимо, быть и вибропоглощение. Ведь недаром в ряде стран звуковую вибрацию, то есть колебания звуковой частоты в твердых телах, именуют структурным или телесным звуком.
-- Позвольте, -- возможно, скажет кто-нибудь из читателей, имеющих отношение к строительной механике или к различного рода механизмам,-- но ослабление вибрации механизмов с помощью виброгасителей, предложенных и исследованных Тимошенко, Ден-Гартогом и другими, тоже известно довольно давно.
Сколь убедительным может быть удар деревянного молотка в стальной лист! Когда на листе имелось вибродемпфирующее покрытие (даже не со стороны удара), уровень неприятного звука, излучаемого листом в окружающее пространство и фиксируемого шумомером, заметно уменьшался.
Да, действительно, виброгасители для механизмов, различные демпферы применялись и ранее. Но эти гасители использовались (и используются) для ослабления колебаний механизмов или их частей лишь на отдельных резонансных частотах, не превышающих десятков герц, причем масса таких гасителей достигает иногда нескольких сот килограммов. Речь же шла о создании легкого и удобного средства поглощения вибрации строительных конструкций одновременно во всем диапазоне слышимых частот. Из этих конструкций следует упомянуть прежде всего корпуса, палубы, переборки судов. Строительство различного рода судов началось после Великой Отечественной войны бурными темпами, и сразу же обнаружилось, что во внутренних помещениях судов очень шумно -- ведь металл хорошо проводит звуковую вибрацию. Требуемое средство было найдено, причем можно уверенно говорить здесь о приоритете отечественной науки и техники. В 1945 году автором этой книги было обнаружено, что нанесение на металлические листы резин и пластмасс сильно увеличивает затухание колебаний листов в широком диапазоне частот.
Уже через несколько лет демпфирование металлических конструкций стало обычным явлением, но тогда оно еще не успело получить признания, доказательством чего явилась полемика автора предложения с вышестоящими организациями при попытке запатентовать его.
Вначале пришел отказ. Мотивировка: облицовка корпусных конструкций резинами и пластмассами известна из ряда зарубежных патентов. Что ж, беремся за изучение этих патентов. Оказывается, в одном случае применение полимерных материалов имело целью защиту от скольжения при хождении по палубе, в другом -- защиту стенок танков судов, перевозящих кислоты, от их действия и т. д. и т. п. Нанесение же подобных материалов с целью увеличения механических потерь в конструкциях не предлагал ранее никто.
Свидетельство на изобретение было выдано (No 119084 с приоритетом от 2 августа 1947 г.)*, но до внедрения этого средства на судах было еще далеко. Требовалась "наглядная агитация". В лаборатории были подвешены на тонких нитях две "стальные пластины, вырезанные из обшивки судового корпуса. Одна пластина -- в "натуральном" виде, другая облицована вибропоглотителем. Тут же висел деревянный молоток.
Заказчику предлагалось стукнуть последовательно по обеим пластинам. Удар по первой пластине-- в воздухе разливается "малиновый звон", не хуже ростовских и суздальских колоколов. Теперь ударяем по пластине с вибропоглотителем (со стороны непокрытого металла). Что это? Как будто бьют по листу дерева или толстого картона. Введенное в конструкцию трение "спилило" гребенку резонансов конструкции.
* Опубликовано в "Бюллетене изобретений", 1959, No 7.
И шумомер показывает уровень шума на 10--15 единиц меньше (об этих единицах -- децибелах и фонах -- мы еще поговорим во второй части книги).
Простой опыт убеждал больше, чем расчеты, тонкие лабораторные исследования, прогнозы. Моряки и судостроители стали склоняться к применению средств вибродемпфирования в судостроении.
Через несколько лет, в начале 50-х годов, в иностранной печати начали появляться первые публикации по вибродемпфированию. Насколько помнится, это были статьи Минке, Ван-Иттербека о глушении шума бетономешалок и камнедробилок с помощью демпфирующих слоев. Весьма эффективные синтетические вибропоглощающие покрытия были созданы
Оберстом (ФРГ).
На III Международном конгрессе по акустике, проходившем в сентябре 1959 года в Штутгарте (ФРГ), внимание участников привлекло объявление, в котором предлагалось записываться на экскурсию из Штутгарта в Мюнхен на специальном виброзвукозаглушенном поезде, в котором были широко применены вибродемпфирующие покрытия.
Да, поезд был заглушен хорошо. В вагонах можно было разговаривать вполголоса. Автор этих строк смотрел на проносившиеся мимо поля цветущей Баварии, и в памяти всплывали лица суровых судовых заказчиков, десять лет назад недоверчиво рассматривавших в лаборатории первые вибродемпфирующие покрытия для металлических конструкций. В соседнем вагоне ехали американец Кервин, немцы Хекль и Куртце, советский ученый Б. Тартаковский, сделавшие накануне на Конгрессе доклады о вибропоглощающих покрытиях. Впоследствии ряд вопросов теории вибропоглощения разработал А. Никифоров.
В наше время вибропоглощающие покрытия применяются в транспортных средствах и в машинах исключительно широко. Уже на одном из голландских пассажирских судов постройки 1967 года вибропоглощающими покрытиями было облицовано более 2000 кв. метров корпусных конструкций. Этот год с точки зрения виброакустики был знаменателен тем, что в г. Левене (Бельгия) собрался первый Международный симпозиум по вибропоглощающим слоям и покрытиям.
Теперь вопросы вибропоглощения в конструкциях являются непременным предметом обсуждения на всех акустических конференциях, конгрессах, семинарах, симпозиумах. И хоть растет энергонапряженность машин и механизмов -- главных источников раздражающей вибрации и шума -- этим шумам удается ставить заслон, в частности, в виде материалов и конструкций с весьма большим внутренним трением.
Малошумные шестерни с зубьями из текстолита.
ЕСТЬ ЛИ ЧТО-НИБУДЬ НЕ ПОЮЩЕЕ В МИРЕ?
Запели тесаные дроги ...
С. Есенин
Пытаются шептать клочки афиш,
Пытается кричать железо крыш,
И в трубах петь пытается вода
И так мычат бессильно провода.
Е. Евтушенко
До сих пор шла речь о колебаниях, вызванных преимущественно периодическими силовыми воздействиями. Имеется, однако, весьма обширный класс колебаний, источником которых может служить какой-либо постоянный фактор: лоток жидкости или газа, гидростатическое давление, постоянная сила натяжения, гравитации, трения, электродвижущая сила и т. п. Такие колебательные движения носят название автоколебаний. В обыденной жизни мы, возможно, сами того не замечая, встречаемся с автоколебаниями чаще, чем с колебаниями, вызванными периодическими силами.
Начнем с автоколебаний природного происхождения. Вой ветра в ветвях деревьев, в горах (вспомните у Тютчева: "Скалы поют, как кимвалы"). Это примеры автоколебаний вихревого характера, но продуктом воздействия постоянного возмущающего фактора могут быть и автоколебания строго периодического характера, одно- или многотональные.
Знаменитый мореплаватель Ф. Чичестер указывает, что "ревущие сороковые" именуются так не за шум разбивающихся волн, а именно за рев и вой ветра в снастях судов. Чичестеру во время "одиночной кругосветки" пришлось изучать язык своего судна. "Каждый вздох, треск или грохот что-то означал; даже каждый оттенок завывания ветра в гротштаге имел свой смысл". Со временем Чичестер смог по звукам вполне точно определять скорость и направление ветра.
В великолепной монографии У. Брэгга "Мир света, мир звука" (к сожалению, сейчас подобные капитальные научно-популярные книги все больше вытесняются брошюрками-однодневками) имеется глава "Звуки деревни". Здесь что ни звук, то автоколебания. Стрекотание кузнечиков и цикад, журчание ручья, мычание и блеяние животных, звуки, издаваемые домашними и дикими птицами.
А голос человека? Разве это не важнейший (по крайней мере, для него самого) автоколебательный процесс? В основе его находится движение постоянного потока воздуха из легких, модулируемого колебаниями голосовых связок. Тончайшие фиоритуры модного колоратурного сопрано из столичного оперного театра и грубый рев быка с точки зрения физики звукообразования совершенно идентичны.
Упомянем о природных автоколебаниях несколько экзотического свойства. Поющие пески... Еще в XIV веке великий путешественник Марко Поло упоминал о "звучащих берегах" таинственного озера Лоб-Нор в Азии. За шесть веков поющие пески были обнаружены в различных местах всех континентов. У местного населения они в большинстве случаев вызывают страх, являются предметом легенд и преданий. "Когда боги смеются, берегись!" -- предостерегающе крикнул старик. Он начертил пальцем круг на песке и, пока он чертил, песок выл и визжал; затем старик опустился на колени -- песок взревел и затрубил", -- так описывает Джек Лондон встречу с поющими песками персонажей романа "Сердца трех", отправившихся с проводником на поиски сокровищ древних майя.
Есть поющие пески и даже целая поющая песчаная гора и у нас в стране. Неподалеку от реки Или в Казахстане поднялась почти на 300 метров гора Калкан-- гигантский природный орган. При ветре и даже при спуске с нее человека гора издает мелодичные звуки. После дождя и во время штиля гора безмолвствует...
Да, много веков прошло со времени обнаружения поющих песков, а удовлетворительного объяснения этому поразительному феномену не было предложено. В последние годы за дело принялись английские акустики, а также советский ученый В. И. Арабаджи. Этого специалиста, по-видимому, всегда влекли к себе необычные акустические явления в природе. Раскрывая очередной номер Акустического журнала АН СССР и видя в оглавлении фамилию Арабаджи, можно заранее сказать, что речь пойдет об анализе шума грома, тайфунов или водопадов, звуков в пещерах и подземных галереях. Дошла очередь и до поющих песков. Арабаджи предположил, что излучающий звук верхний слой песка движется при каком-либо постоянном возмущении по нижнему, более твердому слою, имеющему волнистый профиль поверхности. Вследствие сил трения при взаимном перемещении слоев и возбуждается звук. Примерно так же объясняют генерацию звука движущимися песками некоторые иностранные ученые.
Если есть "звуки земли", то почему бы не быть голосу моря? Именно этим именем были наречены В. В. Шулейкиным инфразвуковые колебания, возникающие при движении ветра над гребнями морских волн. Академик Шулейкин не только открыл это явление, но и предложил использовать его для прогнозирования штормов с помощью специальных шаров-зондов, размещаемых на морских берегах.
Многочисленны и многообразны создания рук человеческих, в которых возникают и используются автоколебания. Прежде всего, это различные музыкальные инструменты. Уже в глубокой древности -- рога и рожки, дудки, свистульки, примитивные флейты. Позже -- скрипки, в которых для возбуждения звука используется сила трения между смычком и струной; различные духовые; гармонии, в которых звук производят металлические язычки, колеблющиеся под действием постоянного потока воздуха; органы, из труб которых вырываются через узкие щели резонирующие столбы воздуха.
У кого из архитекторов далекого прошлого возникла мысль создать гигантский орган, звучащий под воздействием естественных потоков воздуха? Да к тому же совместить его с величественным изваянием одного из фараонов, правившего в XIV веке до нашей эры? Кто бы это ни был, приходится удивляться интуиции творца этого памятника и практическим представлениям его в области акустики.
Пора удовлетворить законный интерес читателя. Конечно же, речь идет о знаменитом "мемнонском колоссе", гигантском звучащем изваянии, установленном вблизи египетского города Луксора. Высота статуи около 20 метров, масса достигает тысячи тонн. В нижней части колосса обнаружен ряд щелей и отверстий с расположенными за ними камерами сложной формы.
Акустик из ФРГ О. Бшорр в течение года вел наблюдения за звуками, издаваемыми статуей, записывал их на магнитофон и подвергал спектральному анализу. Выступление его на токийском Международном конгрессе по акустике послужило лишним доказательством того, насколько несправедливо бытующее иногда мнение об ученых, как о сухих, черствых людях, которым чуждо все человеческое. Когда наступило время доклада Бшорра о мемнонском колоссе, то в аудитории поистине яблоку негде было упасть. В соседних же аудиториях, где заседали другие секции конгресса, было пустовато.
Докладчик начал с сообщения о том, что более чем в ста греческих и латинских документах разных времен упоминается пение колосса. Один из авторов документов (Страбон) указывает, что статуя имитирует голос человека. После реставрации памятника императором Септимием Севером в 199 году н.э. эта способность была утрачена памятником.
Что же показали регулярные наблюдения? Летом статуя звучит после 5 часов утра, зимой -- после 7 часов. Звук мелодичный, продолжается 1--2 часа. Несомненно, что он вызывается восходящими потоками воздуха, нагреваемого утренним солнцем. Однако установить точную физическую картину звукообразования не удалось. Было высказано более десяти различных предположений на этот счет, как то: ветровой эффект, эолова арфа, колебания резонаторов Гельмгольца, эффект Тревельяна (колебания при соприкосновении с нагретой поверхностью) и т. п. Весьма вероятно одновременное действие нескольких механизмов возникновения "пения".
Следует, таким образом, констатировать, что взятая на себя Бшорром миссия по изучению поющего колосса не увенчалась полным успехом, и это оригинальнейшее творение мастеров далекого прошлого еще ждет своих исследователей.
Перейдем, однако, от уникальных памятников старины к научно-техническим творениям современности. Используя автоколебательные системы и принципы, удалось создать много нужных машин, приборов, устройств. В разработанных человеком устройствах особенно отчетливо выделяются три элемента необходимых для осуществления автоколебательного процесса. Это -- источник постоянной энергии, собственно автоколебательная система и тот или иной регулятор поступления энергии в систему.
Возьмем, например, паровую машину. Источник энергии здесь -- паровой котел, регулятор поступления энергии в движущийся механизм -- золотник, а сама автоколебательная исполнительная система -- движущийся в цилиндре поршень, связанный с колесами локомотива с помощью штока, шатуна и кривошипа.
В обычных часах источником потенциальной энергии служат заведенная пружина или поднятые гири, а распределителем -- анкерный механизм, который приводит в периодическое движение маятник и зубчатые колеса, связанные со стрелками. Разнообразные пневматические инструменты, сирена, электронные генераторы и многие, многие другие автоколебательные системы также исправно служат людям.
Но довольно часто, к сожалению, возникают и нежелательные автоколебания, приводящие к повреждению и даже разрушению сооружений и устройств, а иногда и к гибели людей. В сравнительно недалеком прошлом известны случаи, когда обрушивались от колебаний неправильно рассчитанные мосты при сильных ветрах и ураганах. Для предотвращения разрушения высоких металлических труб, находящихся в ветроопасных местах, был предложен остроумный прием, заключающийся в наварке на наружной поверхности труб по пологой винтовой линии сравнительно тонких невысоких ребер. Эти ребра, уводя обтекающий трубу горизонтальный ветровой поток вверх, препятствовали возникновению за трубой пагубных для нее мощных вихрей.
Большую опасность в котельных установках (в том числе судовых) представляют автоколебания трубок под воздействием постоянных потоков воды или пара. Изменением конструкции трубок, увеличением расстояния между ними для предотвращения их соударений удается в большинстве случаев защитить котлы от выхода из строя.
Два вида автоколебательных процессов вошли как печальной памяти явления в историю самолетостроения и воздухоплавания. Первое из них имеет профессиональное название флаттер. Этому автоколебанию подвержены плоскости самолета и его хвостовое оперение. Само название (англ. flutter -трепетание) указывает на характер явления. Оно сродни колебаниям листьев деревьев на ветру (вспомните, как трепещут на своих податливых черенках листья осины). О сорвавшихся с дерева листьях никто печалиться не станет, на самолете же флаттер буквально за несколько секунд может привести к разрушению плоскостей или оперения и связанным с этим страшным последствиям. В настоящее время достаточно сложный механизм флаттера полностью выяснен, и части самолетов рассчитываются так, чтобы это опаснейшее явление не могло возникнуть.
Другим опасным колебанием явилось шимми -- виляющие движения колеса шасси (преимущественно переднего) при посадке самолета, могущие вызвать его аварию. Как известно, шимми был модным танцем 20-х годов; возможно, это название было использовано авиаторами потому, что виляющее движение колеса в плане несколько напоминало движение ног у исполняющих танец. Теория шимми была дана М. В. Келдышем. Введение в самолетные шасси демпферов и добавочных шарниров позволило исключить аварии и вследствие шимми.
Роль виляющих колебательных движений в технике вообще не так мала, как может казаться. При буксировке плавучих емкостей с определенной скоростью могут возникнуть виляющие автоколебания, приводящие к отрыву буксирных тросов и даже к повреждению самих емкостей.
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.
Весьма часто шум в судовых помещениях обусловлен звуковой вибрацией их ограждений, приходящей из машинного отделения. Судовые акустики на танкере "София" сделали такой опыт. По периметру пола одной из кают были уложены массивные металлические брусья. Симметричная каюта по другому борту была оставлена без изменений. Громкость шума в первой каюте оказалась в полтора раза меньше, чем во второй. Однако при использовании подобных виброзадерживающих масс не удается добиться такого абсолютного скачка сопротивления, а следовательно, и акустического эффекта, как с помощью амортизаторов. Действие местных виброзадерживающих масс и различные аспекты их применения были подвергнуты обстоятельному анализу Л. Кремером и А. С. Никифоровым.
В некоторых случаях скачок сопротивления можно получить, введя линии и цепочки местных упругоинерционных систем -- антивибраторов. Максимумы виброизолирующего эффекта этих резонансных систем, как ни странно, оказались не на частоте резонанса, а по обе стороны от нее. В данном случае резонансная система вела себя как более или менее широкополосное виброзадерживающее средство. Результаты теории и эксперимента сходились, а вот физический смысл явления оставался неясным.
...Конференции круглого стола бывают не только у дипломатов, но и на собраниях ученых. В 1971 году на такой конференции, входившей в программу VII Международного конгресса по акустике в Будапеште, автор этой книги делал доклад о виброизолирующем (и вибропоглощающем) эффекте антивибраторов на пластинах. В перерыве к членам советской делегации, подошел высокий полнеющий брюнет и лаконично представился: Манфред Хекль; имя этого человека, выполнившего много интереснейших работ, известно каждому акустику. Насколько позволяли языковые барьеры, завязалась содержательная дискуссия.
Встречи с иностранными коллегами -- это всегда сильнейший психологический штурм. Мозг предельно напряжен, нельзя ударить лицом в грязь. И в этот момент внезапно пришло понимание, почему резонансные виброизолирующие системы на пластинах являются широкополосными...
"Целина" в области виброизоляции постепенно исчезает. Значительные эффекты в борьбе с вибрацией получать все труднее, нужны новые, более сложные системы и приемы. Советские ученые М. Д. Генкин, Ц. П. Коузов, В. С. Иванов, В. Т. Ляпунов, А. В. Римский-Корсаков, С. А. Рыбак, Б. Д. Тартаковский и их сотрудники в последние годы анализируют виброзадерживающие и фильтрационные свойства пространственных систем из расположенных определенным образом элементов массы и упругости. В борьбе с вибрацией строительные акустики и строительные механики целенаправленно используют все "три кита", на которых покоятся эти науки: массу, упругость и трение.
И трение...
КОЛЕБАНИЯ ВСТРЕЧАЮТСЯ
С ТРЕНИЕМ
Теплота есть завершение звука.
Г. Гегель. Философия природы
Разогреваются (при игре)не только музыканты, но и инструменты.
Там же
Итак, "три кита" в области
борьбы с шумами были известны в строительной акустике достаточно давно. Составим табличку (или, как сейчас модно писать по всякому поводу, матрицу) этих средств:
Звукоизоляция
Звукопоглощение
Виброизоляция (амортизация)
Очевидно, ощущалась пустота одной клетки этой таблички, чувствовалось, что раз есть звукопоглощение, то должно, видимо, быть и вибропоглощение. Ведь недаром в ряде стран звуковую вибрацию, то есть колебания звуковой частоты в твердых телах, именуют структурным или телесным звуком.
-- Позвольте, -- возможно, скажет кто-нибудь из читателей, имеющих отношение к строительной механике или к различного рода механизмам,-- но ослабление вибрации механизмов с помощью виброгасителей, предложенных и исследованных Тимошенко, Ден-Гартогом и другими, тоже известно довольно давно.
Сколь убедительным может быть удар деревянного молотка в стальной лист! Когда на листе имелось вибродемпфирующее покрытие (даже не со стороны удара), уровень неприятного звука, излучаемого листом в окружающее пространство и фиксируемого шумомером, заметно уменьшался.
Да, действительно, виброгасители для механизмов, различные демпферы применялись и ранее. Но эти гасители использовались (и используются) для ослабления колебаний механизмов или их частей лишь на отдельных резонансных частотах, не превышающих десятков герц, причем масса таких гасителей достигает иногда нескольких сот килограммов. Речь же шла о создании легкого и удобного средства поглощения вибрации строительных конструкций одновременно во всем диапазоне слышимых частот. Из этих конструкций следует упомянуть прежде всего корпуса, палубы, переборки судов. Строительство различного рода судов началось после Великой Отечественной войны бурными темпами, и сразу же обнаружилось, что во внутренних помещениях судов очень шумно -- ведь металл хорошо проводит звуковую вибрацию. Требуемое средство было найдено, причем можно уверенно говорить здесь о приоритете отечественной науки и техники. В 1945 году автором этой книги было обнаружено, что нанесение на металлические листы резин и пластмасс сильно увеличивает затухание колебаний листов в широком диапазоне частот.
Уже через несколько лет демпфирование металлических конструкций стало обычным явлением, но тогда оно еще не успело получить признания, доказательством чего явилась полемика автора предложения с вышестоящими организациями при попытке запатентовать его.
Вначале пришел отказ. Мотивировка: облицовка корпусных конструкций резинами и пластмассами известна из ряда зарубежных патентов. Что ж, беремся за изучение этих патентов. Оказывается, в одном случае применение полимерных материалов имело целью защиту от скольжения при хождении по палубе, в другом -- защиту стенок танков судов, перевозящих кислоты, от их действия и т. д. и т. п. Нанесение же подобных материалов с целью увеличения механических потерь в конструкциях не предлагал ранее никто.
Свидетельство на изобретение было выдано (No 119084 с приоритетом от 2 августа 1947 г.)*, но до внедрения этого средства на судах было еще далеко. Требовалась "наглядная агитация". В лаборатории были подвешены на тонких нитях две "стальные пластины, вырезанные из обшивки судового корпуса. Одна пластина -- в "натуральном" виде, другая облицована вибропоглотителем. Тут же висел деревянный молоток.
Заказчику предлагалось стукнуть последовательно по обеим пластинам. Удар по первой пластине-- в воздухе разливается "малиновый звон", не хуже ростовских и суздальских колоколов. Теперь ударяем по пластине с вибропоглотителем (со стороны непокрытого металла). Что это? Как будто бьют по листу дерева или толстого картона. Введенное в конструкцию трение "спилило" гребенку резонансов конструкции.
* Опубликовано в "Бюллетене изобретений", 1959, No 7.
И шумомер показывает уровень шума на 10--15 единиц меньше (об этих единицах -- децибелах и фонах -- мы еще поговорим во второй части книги).
Простой опыт убеждал больше, чем расчеты, тонкие лабораторные исследования, прогнозы. Моряки и судостроители стали склоняться к применению средств вибродемпфирования в судостроении.
Через несколько лет, в начале 50-х годов, в иностранной печати начали появляться первые публикации по вибродемпфированию. Насколько помнится, это были статьи Минке, Ван-Иттербека о глушении шума бетономешалок и камнедробилок с помощью демпфирующих слоев. Весьма эффективные синтетические вибропоглощающие покрытия были созданы
Оберстом (ФРГ).
На III Международном конгрессе по акустике, проходившем в сентябре 1959 года в Штутгарте (ФРГ), внимание участников привлекло объявление, в котором предлагалось записываться на экскурсию из Штутгарта в Мюнхен на специальном виброзвукозаглушенном поезде, в котором были широко применены вибродемпфирующие покрытия.
Да, поезд был заглушен хорошо. В вагонах можно было разговаривать вполголоса. Автор этих строк смотрел на проносившиеся мимо поля цветущей Баварии, и в памяти всплывали лица суровых судовых заказчиков, десять лет назад недоверчиво рассматривавших в лаборатории первые вибродемпфирующие покрытия для металлических конструкций. В соседнем вагоне ехали американец Кервин, немцы Хекль и Куртце, советский ученый Б. Тартаковский, сделавшие накануне на Конгрессе доклады о вибропоглощающих покрытиях. Впоследствии ряд вопросов теории вибропоглощения разработал А. Никифоров.
В наше время вибропоглощающие покрытия применяются в транспортных средствах и в машинах исключительно широко. Уже на одном из голландских пассажирских судов постройки 1967 года вибропоглощающими покрытиями было облицовано более 2000 кв. метров корпусных конструкций. Этот год с точки зрения виброакустики был знаменателен тем, что в г. Левене (Бельгия) собрался первый Международный симпозиум по вибропоглощающим слоям и покрытиям.
Теперь вопросы вибропоглощения в конструкциях являются непременным предметом обсуждения на всех акустических конференциях, конгрессах, семинарах, симпозиумах. И хоть растет энергонапряженность машин и механизмов -- главных источников раздражающей вибрации и шума -- этим шумам удается ставить заслон, в частности, в виде материалов и конструкций с весьма большим внутренним трением.
Малошумные шестерни с зубьями из текстолита.
ЕСТЬ ЛИ ЧТО-НИБУДЬ НЕ ПОЮЩЕЕ В МИРЕ?
Запели тесаные дроги ...
С. Есенин
Пытаются шептать клочки афиш,
Пытается кричать железо крыш,
И в трубах петь пытается вода
И так мычат бессильно провода.
Е. Евтушенко
До сих пор шла речь о колебаниях, вызванных преимущественно периодическими силовыми воздействиями. Имеется, однако, весьма обширный класс колебаний, источником которых может служить какой-либо постоянный фактор: лоток жидкости или газа, гидростатическое давление, постоянная сила натяжения, гравитации, трения, электродвижущая сила и т. п. Такие колебательные движения носят название автоколебаний. В обыденной жизни мы, возможно, сами того не замечая, встречаемся с автоколебаниями чаще, чем с колебаниями, вызванными периодическими силами.
Начнем с автоколебаний природного происхождения. Вой ветра в ветвях деревьев, в горах (вспомните у Тютчева: "Скалы поют, как кимвалы"). Это примеры автоколебаний вихревого характера, но продуктом воздействия постоянного возмущающего фактора могут быть и автоколебания строго периодического характера, одно- или многотональные.
Знаменитый мореплаватель Ф. Чичестер указывает, что "ревущие сороковые" именуются так не за шум разбивающихся волн, а именно за рев и вой ветра в снастях судов. Чичестеру во время "одиночной кругосветки" пришлось изучать язык своего судна. "Каждый вздох, треск или грохот что-то означал; даже каждый оттенок завывания ветра в гротштаге имел свой смысл". Со временем Чичестер смог по звукам вполне точно определять скорость и направление ветра.
В великолепной монографии У. Брэгга "Мир света, мир звука" (к сожалению, сейчас подобные капитальные научно-популярные книги все больше вытесняются брошюрками-однодневками) имеется глава "Звуки деревни". Здесь что ни звук, то автоколебания. Стрекотание кузнечиков и цикад, журчание ручья, мычание и блеяние животных, звуки, издаваемые домашними и дикими птицами.
А голос человека? Разве это не важнейший (по крайней мере, для него самого) автоколебательный процесс? В основе его находится движение постоянного потока воздуха из легких, модулируемого колебаниями голосовых связок. Тончайшие фиоритуры модного колоратурного сопрано из столичного оперного театра и грубый рев быка с точки зрения физики звукообразования совершенно идентичны.
Упомянем о природных автоколебаниях несколько экзотического свойства. Поющие пески... Еще в XIV веке великий путешественник Марко Поло упоминал о "звучащих берегах" таинственного озера Лоб-Нор в Азии. За шесть веков поющие пески были обнаружены в различных местах всех континентов. У местного населения они в большинстве случаев вызывают страх, являются предметом легенд и преданий. "Когда боги смеются, берегись!" -- предостерегающе крикнул старик. Он начертил пальцем круг на песке и, пока он чертил, песок выл и визжал; затем старик опустился на колени -- песок взревел и затрубил", -- так описывает Джек Лондон встречу с поющими песками персонажей романа "Сердца трех", отправившихся с проводником на поиски сокровищ древних майя.
Есть поющие пески и даже целая поющая песчаная гора и у нас в стране. Неподалеку от реки Или в Казахстане поднялась почти на 300 метров гора Калкан-- гигантский природный орган. При ветре и даже при спуске с нее человека гора издает мелодичные звуки. После дождя и во время штиля гора безмолвствует...
Да, много веков прошло со времени обнаружения поющих песков, а удовлетворительного объяснения этому поразительному феномену не было предложено. В последние годы за дело принялись английские акустики, а также советский ученый В. И. Арабаджи. Этого специалиста, по-видимому, всегда влекли к себе необычные акустические явления в природе. Раскрывая очередной номер Акустического журнала АН СССР и видя в оглавлении фамилию Арабаджи, можно заранее сказать, что речь пойдет об анализе шума грома, тайфунов или водопадов, звуков в пещерах и подземных галереях. Дошла очередь и до поющих песков. Арабаджи предположил, что излучающий звук верхний слой песка движется при каком-либо постоянном возмущении по нижнему, более твердому слою, имеющему волнистый профиль поверхности. Вследствие сил трения при взаимном перемещении слоев и возбуждается звук. Примерно так же объясняют генерацию звука движущимися песками некоторые иностранные ученые.
Если есть "звуки земли", то почему бы не быть голосу моря? Именно этим именем были наречены В. В. Шулейкиным инфразвуковые колебания, возникающие при движении ветра над гребнями морских волн. Академик Шулейкин не только открыл это явление, но и предложил использовать его для прогнозирования штормов с помощью специальных шаров-зондов, размещаемых на морских берегах.
Многочисленны и многообразны создания рук человеческих, в которых возникают и используются автоколебания. Прежде всего, это различные музыкальные инструменты. Уже в глубокой древности -- рога и рожки, дудки, свистульки, примитивные флейты. Позже -- скрипки, в которых для возбуждения звука используется сила трения между смычком и струной; различные духовые; гармонии, в которых звук производят металлические язычки, колеблющиеся под действием постоянного потока воздуха; органы, из труб которых вырываются через узкие щели резонирующие столбы воздуха.
У кого из архитекторов далекого прошлого возникла мысль создать гигантский орган, звучащий под воздействием естественных потоков воздуха? Да к тому же совместить его с величественным изваянием одного из фараонов, правившего в XIV веке до нашей эры? Кто бы это ни был, приходится удивляться интуиции творца этого памятника и практическим представлениям его в области акустики.
Пора удовлетворить законный интерес читателя. Конечно же, речь идет о знаменитом "мемнонском колоссе", гигантском звучащем изваянии, установленном вблизи египетского города Луксора. Высота статуи около 20 метров, масса достигает тысячи тонн. В нижней части колосса обнаружен ряд щелей и отверстий с расположенными за ними камерами сложной формы.
Акустик из ФРГ О. Бшорр в течение года вел наблюдения за звуками, издаваемыми статуей, записывал их на магнитофон и подвергал спектральному анализу. Выступление его на токийском Международном конгрессе по акустике послужило лишним доказательством того, насколько несправедливо бытующее иногда мнение об ученых, как о сухих, черствых людях, которым чуждо все человеческое. Когда наступило время доклада Бшорра о мемнонском колоссе, то в аудитории поистине яблоку негде было упасть. В соседних же аудиториях, где заседали другие секции конгресса, было пустовато.
Докладчик начал с сообщения о том, что более чем в ста греческих и латинских документах разных времен упоминается пение колосса. Один из авторов документов (Страбон) указывает, что статуя имитирует голос человека. После реставрации памятника императором Септимием Севером в 199 году н.э. эта способность была утрачена памятником.
Что же показали регулярные наблюдения? Летом статуя звучит после 5 часов утра, зимой -- после 7 часов. Звук мелодичный, продолжается 1--2 часа. Несомненно, что он вызывается восходящими потоками воздуха, нагреваемого утренним солнцем. Однако установить точную физическую картину звукообразования не удалось. Было высказано более десяти различных предположений на этот счет, как то: ветровой эффект, эолова арфа, колебания резонаторов Гельмгольца, эффект Тревельяна (колебания при соприкосновении с нагретой поверхностью) и т. п. Весьма вероятно одновременное действие нескольких механизмов возникновения "пения".
Следует, таким образом, констатировать, что взятая на себя Бшорром миссия по изучению поющего колосса не увенчалась полным успехом, и это оригинальнейшее творение мастеров далекого прошлого еще ждет своих исследователей.
Перейдем, однако, от уникальных памятников старины к научно-техническим творениям современности. Используя автоколебательные системы и принципы, удалось создать много нужных машин, приборов, устройств. В разработанных человеком устройствах особенно отчетливо выделяются три элемента необходимых для осуществления автоколебательного процесса. Это -- источник постоянной энергии, собственно автоколебательная система и тот или иной регулятор поступления энергии в систему.
Возьмем, например, паровую машину. Источник энергии здесь -- паровой котел, регулятор поступления энергии в движущийся механизм -- золотник, а сама автоколебательная исполнительная система -- движущийся в цилиндре поршень, связанный с колесами локомотива с помощью штока, шатуна и кривошипа.
В обычных часах источником потенциальной энергии служат заведенная пружина или поднятые гири, а распределителем -- анкерный механизм, который приводит в периодическое движение маятник и зубчатые колеса, связанные со стрелками. Разнообразные пневматические инструменты, сирена, электронные генераторы и многие, многие другие автоколебательные системы также исправно служат людям.
Но довольно часто, к сожалению, возникают и нежелательные автоколебания, приводящие к повреждению и даже разрушению сооружений и устройств, а иногда и к гибели людей. В сравнительно недалеком прошлом известны случаи, когда обрушивались от колебаний неправильно рассчитанные мосты при сильных ветрах и ураганах. Для предотвращения разрушения высоких металлических труб, находящихся в ветроопасных местах, был предложен остроумный прием, заключающийся в наварке на наружной поверхности труб по пологой винтовой линии сравнительно тонких невысоких ребер. Эти ребра, уводя обтекающий трубу горизонтальный ветровой поток вверх, препятствовали возникновению за трубой пагубных для нее мощных вихрей.
Большую опасность в котельных установках (в том числе судовых) представляют автоколебания трубок под воздействием постоянных потоков воды или пара. Изменением конструкции трубок, увеличением расстояния между ними для предотвращения их соударений удается в большинстве случаев защитить котлы от выхода из строя.
Два вида автоколебательных процессов вошли как печальной памяти явления в историю самолетостроения и воздухоплавания. Первое из них имеет профессиональное название флаттер. Этому автоколебанию подвержены плоскости самолета и его хвостовое оперение. Само название (англ. flutter -трепетание) указывает на характер явления. Оно сродни колебаниям листьев деревьев на ветру (вспомните, как трепещут на своих податливых черенках листья осины). О сорвавшихся с дерева листьях никто печалиться не станет, на самолете же флаттер буквально за несколько секунд может привести к разрушению плоскостей или оперения и связанным с этим страшным последствиям. В настоящее время достаточно сложный механизм флаттера полностью выяснен, и части самолетов рассчитываются так, чтобы это опаснейшее явление не могло возникнуть.
Другим опасным колебанием явилось шимми -- виляющие движения колеса шасси (преимущественно переднего) при посадке самолета, могущие вызвать его аварию. Как известно, шимми был модным танцем 20-х годов; возможно, это название было использовано авиаторами потому, что виляющее движение колеса в плане несколько напоминало движение ног у исполняющих танец. Теория шимми была дана М. В. Келдышем. Введение в самолетные шасси демпферов и добавочных шарниров позволило исключить аварии и вследствие шимми.
Роль виляющих колебательных движений в технике вообще не так мала, как может казаться. При буксировке плавучих емкостей с определенной скоростью могут возникнуть виляющие автоколебания, приводящие к отрыву буксирных тросов и даже к повреждению самих емкостей.