Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Предложена стратегия, включающая теоретические и экспериментальные методы проектирования элементов конструкций, механизмов и систем с предельными упруго-диссипативными характеристиками для широкополосной виброшумоизоляции человека и техники при помощи композиционных материалов, структурные и/или модифицирующие элементы которых сформированы из полидисперсных сред. В том числе: 1) С помощью оригинальных технологий, основанных на физических и химических методах синтеза микро- и нанопорошков, получены образцы полупродуктов (в частности, нанопористые гранулы, наполненные полидисперсными порошками) для проектирования конструкционных композитных материалов, а также наполнителей пористых (например, вспененных) материалов для изготовления деталей интерьера. 2) Проведены исследования распространения акустических волн в одномерно-периодических неоднородных средах. Изучено распространение волн в одномерных моно- и полидисперсных фононных кристаллах, прохождение волн через границу фононного кристалла и однородной сплошной среды, а также прохождение волн через границу двух фононных кристаллов в условиях различных предположений о пространственной структуре и физических свойствах неоднородных сред. Для решения таких задач предполагалось, что периодическая цепочка неоднородностей допускает группу трансляций. Задачи решались методами теории представлений групп симметрий задачи в пространстве решений. В результате получены дисперсионные кривые, связывающие частоту колебаний со сдвигом фазы колебаний в соседних фундаментальных ячейках группы трансляций, исследована механика колебаний на волноводных частотах, получена структура спектра колебаний. При изучении задачи прохождения акустических волн через границу фононных кристаллов с однородной средой и задачи прохождения акустических волн через границу двух фононных кристаллов с различными характеристиками по составу и пространственной структуре получены зависимости коэффициентов прохождения и отражения акустических волн при переходе через границы структур от геометрических и физических параметров кристаллов. Описано поведение коэффициентов прохождения и отражения акустической энергии в окрестности границ полос запирания и пропускания спектров фононных кристаллов. Проведены исследования распространения нелинейных гидроупругих волн в трещинах и порах упругого материала. В предположении о малости поперечных размеров трещин по сравнению с длинами распространяющихся волн задача моделируется при помощи одномерного канала с упругими стенками, заполненного флюидом. Методами исследования систем квазилинейных гиперболических уравнений найдена зависимость скорости распространения гидроупругих волн от упругих характеристик канала и свойств заполняющего канал флюида. Показано, что скорость гидроупругих волн меньше скорости звука во флюиде и скорости распространения возмущений в канале. Методами теории распространения слабых разрывов получены условия возникновения градиентной катастрофы решения для каналов с различной геометрией. Получены соотношения на линии сильного разрыва. Обнаружен нелинейный механизм утилизации энергии распространяющихся волн на сильном разрыве. 3) Методом ударно-волнового компактирования исходных порошков был получен макет конструкционного композита «сталь-Al2O3-сталь». В основе метода лежит высокоскоростная пластическая деформация внешней цилиндрической металлической оболочки и прессование порошка, расположенного между соосными цилиндрическими металлическими трубами, под действием энергии расширяющихся продуктов детонации. Макеты виброизолирующих конструкций из полученного композита испытаны методами модального анализа. 4) Метод объемного наполнения пористых материалов гранулами («микрочипами») и полидисперсными нанопорошками показал эффективность при модифицировании систем шумоизоляции транспортных средств. Испытания масштабных моделей элементов проектируемой системы показали, что такой подход позволяет повысить эффективность шумоизоляции по коэффициенту поглощения на 60−100% и по коэффициенту потерь интенсивности входного сигнала на −20…−22 дБ. При этом частотный спектр эффективности шумоизоляции существенно расширен и смещен в сторону более низких частот (с обычных 5−6,3 кГц до 0,5−6,3 кГц). При этом достигается улучшение акустических характеристик с применением композитов в виде многослойных сэндвичей из вспененных пористых материалов, наполненных полидисперсными наполнителями, где каждый i-слой имеет малую толщину (порядка 2−2,5 мм). 5) Разработан алгоритм измерения и FFT-автокорреляционного спектрального анализа акустических характеристик исходных материалов и проектируемых композитов и конструкций из них. Алгоритм основан на методе вычисления матриц переноса и позволяет получить высокую корреляцию характеристик структурных элементов системы шумоизоляции. Алгоритм позволяет прогнозировать характеристики моделей систем шумоизоляции любой сложности. Эффективность работы алгоритма показана на примере проектирования элементов системы шумоизоляции интерьера транспортного средства. 6) Получил развитие метод структурного синтеза механизмов для систем виброизоляции с предельными характеристиками жесткости и демпфирования (от «отрицательных» до почти нулевых значений). Такие системы являются перспективными для защиты человека и прецизионной техники от наиболее вредных и опасных вибраций в диапазоне инфра- и низких частот (0,5−40 Гц). Метод включает теоретические основы и численный алгоритм синтеза «идеальной» пространственной структуры системы любой сложности, а также атлас из 24 групп новых структурных схем. Причем представленные в атласе схемы есть лишь некоторые из множества возможных схем, которые могут быть получены с помощью метода и применены для проектирования системы для любого типа машин и условий их эксплуатации. Минимизация структурной избыточности с помощью метода позволяет снизить системное демпфирование в 3,5−4 раза и, тем самым, достичь заданных значений предельных характеристик жесткости. 7) Также получил развитие метод проектирования геометрического синтеза механизмов, параметрические элементы которых есть композиции из многослойных тонкостенных упругих конструкций, работающих при закритическом деформировании «в большом». В частности, введение межслойных gap-элементов в модели исследования напряженно-деформированного состояния параметрических элементов позволило более точно оценить структурное трение и сформулировать дополнительные проектные параметры, которые существенно расширяют диапазон регулирования предельных характеристик жесткости. Метод чувствителен к изменению основных и дополнительных проектных параметров. Это позволяет увеличить на порядок и более диапазон регулирования «отрицательной» жесткости, при малом (12−15%) увеличении размеров механизмов. Метод применим к проектированию как систем виброизоляции человека-оператора, например, пилотов вертолетов, так и технических систем, например, подвижного железнодорожного состава. При этом предельные размеры механизмов для «железнодорожной» системы с нагрузкой 250−300 кН увеличиваются лишь в 2,2−2,5 раза, в сравнении с размерами механизмов для авиационной системы при нагрузке менее 1,4 кН.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Разработана методология проектирования и исследования материалов, конструкций и механизмов для специальных систем защиты от низкочастотного вибрационного шума и инфрачастотных вибраций, наиболее вредных и опасных для жизнедеятельности человека и работы техники. Методология включает, в том числе: 1) Новый метод «химического» синтеза микро- и нанопорошков металлов и оксидов для проектирования многофункциональных композитов, например, из вспененных полимеров с наполнителями для конструирования деталей интерьера помещения или транспортного средства, способных обеспечить высокие шумопоглощающие и огнезащитные свойства. Метод может также успешно применен для синтеза различных микро- и нанопорошков с содержанием примесей не более 1 ppm, что важно для проектирования конструкционных композитов в ряде перспективных приложениях, например, в микро- и наноэлектронике. 2) Метод снижения вибрационного шума, заключающийся в управлении коэффициентом шумопоглощения путем введения комбинированных наполнителей в материал, каждый из которых «отвечает» за определенную полосу низкочастотного акустического спектра, а материал играет роль «матрицы», на внутреннюю поверхность которой, например, из водных растворов наносят соли, окислы, в том числе, образующиеся in situ. 3) Метод шумоподавления в производственном помещении, учебной аудитории, в транспортном средстве, заключающийся в предварительной обработке звуковых сигналов (речевой канал) с помощью интегральной алгоритмической схемы модифицированных PDMSE- и FIF-методов. Метод позволяет снижать уровень фонового шума и улучшать качество передачи речевой информации в различных реверберирующих средах. 4) Метод проектирования оптимальной структуры механизмов с «квазинулевой» и «отрицательной» жесткостью для систем инфрачастотной виброзащиты человека и технических объектов. Теоретическая обоснованность метода показана применительно к разработке активных пневматических систем, наиболее эффективных для инфрачастотной виброзащиты человека, и впервые для систем вторичного подрессоривания тележек вагонов высокоскоростных пассажирских поездов. 5) Метод исследования НДС тонкостенных конструкций из пружинных сталей при закритическом деформировании в большом, основанный на гипотезах и положениях непротиворечивой теории тонких оболочек, дополненный алгоритмом оптимального геометрического on-line проектирования механизмов с «отрицательной» жесткостью. Метод позволяет проектировать многокаскадные системы инфрачастной виброзащиты, содержащих геометрически и динамически подобные механизмы с «отрицательной» жесткостью для систем, грузоподъемность которых отличается на несколько порядков. Впервые, в рамках метода показана возможность перехода от пружинных сталей к легким и высокопрочным композитам, например, углепластикам, что может принципиально изменить философию проектирования механизмов с «отрицательной» и «квазинулевой» жесткостью для виброзащитных и измерительных систем различного назначения. 6) Новые функциональные композиты для шумопоглощения в низкочастотном диапазоне и огнезащиты. Новые конструкционные композиты: из пружинных сталей и впервые из легких упругих углепластиков, ‒ для виброизолирующих и измерительных систем с «отрицательной» и «квазинулевой» жесткостью. 7) Методы экспериментального исследования, включающие цели и задачи исследования, комплекс стандартного и оригинального испытательного оборудования, теоретические основы, алгоритмы и software для реализации процессов нагружения, измерения и FFT- и вейвлет спектрального анализа вибрационных и акустических характеристик, а также выполнения сравнительных оценок качества исходных и проектируемых объектов: композитов, конструкций и механизмов для систем низкочастотного шумоподавления и инфрачастотной виброизоляции. 8) Публикации 2018 г. Статьи S.P. Bardakhanov, C.-M. Lee, V.N. Goverdovskiy, A.P. Zavjalov, K.V. Zobov, M. Chen, Z.H. Xu, I.K. Chakin, D.Yu. Trufanov. Hybrid sound-absorbing foam materials with nanostructured Applied Acoustics. 2018, 139, p.69-74. DOI: 10.1016/j.apacoust.2018.04.024 Q1 V. Syzrantsev, E. Paukshtis, T. Larina Tatyana, Yu. Chesalov, S. Bardakhanov, A. Nomoev. Features of Surface Structures of Alumina and Titanium Dioxide Nanoparticles Produced Using Different Synthesis Methods // Journal of Nanomaterials . 2018, Article number, 2065687, 10 pages. DOI: 10.1155/2018/2065687 C.-M. Lee and V. N. Goverdovskiy Intelligent structural design of transport pneumatic suspensions with extreme characteristics // International Journal of Automotive Technology. 2018, 2018:3, 13 pages. DOI: Q1 H.-Yu Dong and C.-M. Lee. Speech intelligibility improvement in noisy reverberant environments based on speech enhancement and inverse filtering // Eurasip Journal on Audio, Speech, and Music Processing. 2018, 2018:3, 13 pages. DOI: 10.1186/s13636-018-0126-8 V.V. Syzrantsev, L.S. Vikulina, S.P. Bardakhanov, A.V. Nomoev, N.O. Kopanitsa, Y.A. Abzaev, O.V. Demyanenko, G.D. Kopanitsa. The Different Fractal Structure of Oxide Nanopowders Depending // Solid State Phenomena. 2018, Vol. 271 SSP, p. 124-132. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.271.124 Статьи в материалах конференций S. Bardakhanov, M. Katasonov. Bluff bodies and wake flow-induced acoustic resonance // Proceedings of the 25th International Congress on Sound and Vibration,Sound of Peace Bell, 2018_Silesian University of Technology Press, Gliwice, Poland K. Zobov, C.-M. Lee, V. Goverdovskiy, D. Trufanov, S. Bardakhanov. Nanostructured sound-absorbing foam materials // Proceedings of the 25th International Congress on Sound and Vibration,Sound of Peace Bell, 2018_Silesian University of Technology Press, Gliwice, Poland C.-M. Lee, V. Goverdovskiy, A. Shutov, A. Larichkin. Vibration protection systems with extremely small stiffnes and damping intelligent structural design and dimensioning // Proceedings of the 25th International Congress on Sound and Vibration,Sound of Peace Bell, 2018_Silesian University of Technology Press, Gliwice, Poland

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Междисциплинарный научный проект и полученные результаты являются вкладом коллектива работников научно-исследовательских институтов России, при техническом содействии коллег из Университета города Ульсан (Республика Корея), в решение одной из критических научно-технических проблем развития систем «человек-машина». Это проблема широкополосных инфранизкочастотных вибраций и шума, наиболее вредных и опасных для жизнедеятельности человека и эксплуатации транспортных и энергетических систем, электронных измерительных приборов, других машин и оборудования. Прогресс, достигнутый в решении проблемы, важен особенно тем, что, наряду с возможностью принципиально более качественного улучшения виброзащиты человека и современных машин, предложены научные методы проектирования концептуально новых технических средств виброзащиты систем «человек-машина» следующего поколения, что не представляется возможным с помощью известных методов. Это пилотируемые (вертолеты) и непилотируемые (наносателлиты, дроны) летательные аппараты, подвижной состав и инфраструктура высокоскоростного рельсового транспорта для перевозок на длинные дистанции, находящиеся в стадии активной разработки, сложные дорогостоящие (стоимостью от 2 до 200 млрд. руб.) высокоэнергетические системы, такие, например, как ускорители заряженных частиц для фундаментальной науки и прикладных исследований высокотехнологичных отраслей промышленности, где улучшение основных технических характеристик (эмиттанса) источников излучения и оптических систем уже не зависит от совершенствования конструкции и ужесточения технологических допусков, однако структурные вибрации, усиливаемые внешними источниками техногенных вибраций, стали критическим ограничивающим фактором развития ускорителей. Вместе с тем, результаты теоретических и модельных (физических) экспериментов, впервые полученные при выполнении проекта, показывают возможность решения, на качественно новом уровне, вибрационных проблем в системах следующего поколения для фундаментальной науки и прикладных исследований высокотехнологичных отраслей промышленности. К числу наиболее значимых, с точки зрения разработчиков, можно отнести следующие результаты выполнения проекта: 1. Разработка основ технологий получения широкого спектра новых конструкционных и функциональных микро- и нанопорошков металлов и неметаллов, и полупродуктов на их основе химическими (в жидкой фазе за счет химических реакций обмена, кристаллизации и т.д.), физическими (испарение твердого тела высокоинтенсивными пучком ускоренных электронов) и механохимическими методами. Методы и технологии изготовления микро- и нанопорошков, получившие развитие в процессе выполнения настоящего проекта, могут быть использованы для решения задач проектирования многофункциональных защитных покрытий, конструкций и механизмов для виброизоляции и шумопоглощения в транспортном машиностроении, строительстве. Вместе с тем, полученные результаты могут быть применены в микро- и наноэлектронике, приборостроении, инженерной экологии, химической промышленности, др. отраслях. 2. Теоретические и экспериментальные методы проектирования и исследования конструкций и компактных механизмов с «отрицательной» и «квазинулевой» жесткостью, которые способны, по-видимому, впервые в данной области науки и техники, обеспечить качественную виброизоляцию человека, машин и оборудования в широком диапазоне, включая виброчастоты, близкие к нулевым значениям. В частности, это методы (алгоритмы и практические методики) моделирования и анализа напряженно-деформированного состояния упругих элементов и систем при закритическом деформировании «в большом», методы проектирования металлических и, возможно, также впервые, упругих, базовых и корпусных элементов виброизолирующих и трансмиссионных механизмов из легких высокопрочных композитов (на примере углепластиков) и керамики. Методы основаны на положениях и гипотезах фундаментальной непротиворечивой теории оболочек. Алгоритмы расчета основаны на методе конечных элементов, с использованием интегрированной среды Delphi разработки программного обеспечения для Microsoft Windows. Базовые методы дополнены алгоритмами поиска оптимальных геометрических и функциональных параметров проектируемых механизмов на основе метода Нелдера-Мида. Предложена также методика расчета упругих элементов и систем с «квазинулевой» и «отрицательной» жесткостью при больших линейных и угловых деформациях и перемещениях. Методика, в которой использован пакет ПО MSC.Marc, применена для упругой и упругопластической моделей расчета конструкций упругих элементов из композита. Задача упругости решена методом Ньютона-Рафсона, в Лагранжевой постановке (Total Lagrange). 3. Разработаны экспериментальные модели для исследования прохождения звуковых волн через микро- и нанопористые среды, проектирования структуры однослойных конструкций и систем пассивного (активного) шумопоглощения в отдельных полосах низкочастотного акустического диапазона, а также многослойных конструкций для широкополосного шумопоглощения. Это позволяет структурировать конструкции для реализации свойств пористых, резонансных и мембранных шумопоглотителей одновременно и, таким образом, максимизировать показатели эффективности системы шумопоглощения в более широком диапазоне частот, при минимально возможных размерах рабочего пространства системы. Такой подход позволяет проектировать, например, двуслойные шумопоглощающие конструкции, общей толщиной порядка 25-40 мм, которые могут быть эффективными во всем диапазоне низких акустических частот, 125-1600 Гц, наиболее вредных и опасных для жизнедеятельности человека. Для сравнения, известные виды шумопоглощающих материалов, применяемых в транспортном машиностроении и строительстве, а также многослойные конструкции из таких материалов, общей толщиной до 170 мм, эффективны, начиная с частот выше 500 Гц. 4. Разработана технология получения и образцы новых шумопоглощающих композитов с применением микро- и нанопорошковых наполнителей и нетоксичных полупродуктов. Технология заключается в получении неорганических соединений (солей), приготовлении растворов для пропитки пористых (с открытой пористостью) или волокнистых материалов, погружении материалов в раствор, сначала первой соли, введении в первичный раствор второй соли в количестве от эквимолярного до 2-3%-избытка от стехиометрии, пропитке материала в получаемом комбинированном растворе, последующих промывке водой и сушке материала. Изготовлена серия из 21 сочетания солей, которые дали положительный результат, в частности, CuSO4+NaHCO3, CaCl2+KH2PO4, BaCl2+KH2PO4, SrCl2+KH2PO4, AlCl3+Na2CO3, Na2SiO3+NaHCO3. Преимущества технологии: (а) упрощение процесса изготовления шумопоглощающего материала, (б) применение доступных, недорогих, нетоксичных исходных ингредиентов и полупродуктов, получаемых оригинальными методами, для пропитки, (в) возможность применения технологии при изготовлении новых или модифицировании известных шумопоглощающих материалов, (г) обеспечение 2-3х-кратного повышения, в сравнении с известными материалами, шумопоглощения в диапазоне акустических частот, 125-1000 Гц. 5. Разработан и успешно апробирован метод синтеза сульфаматов и ортофосфатов для получения комбинированных растворов и последующей пропитки ими шумопоглощающих материалов, повышающих огнестойкость проектируемых материалов (шумопоглощающие материалы и конструкции становятся негорючими). Этот результат разработчики проекта считают также крайне важным для обеспечения безопасности окружающей среды человека и надежной работы систем «человек-машина», поскольку обычные декоративные и шумопоглощающие материалы и конструкции, например, современного автомобиля, спального пассажирского вагона и салона пассажирского самолета могут, при воспламенении, полностью выгорать в течение 9-10, 6-12 и 3-6 мин., соответственно. 6. Разработаны и испытаны на стендах масштабированные модели и экспериментальные образцы виброизолирующих механизмов «квазинулевой» и «отрицательной» жесткости с пассивным и активным параметрическим управлением. Это, в частности, мини-платформа грузоподъемностью до 500-600 Н. Одна из особенностей платформы – применение упругих элементов с «квазинулевой» и «отрицательной» жесткостью из легких высокопрочных композитов (углепластиков). Это позволило увеличить эффективный рабочий ход в 4-5 раз, в сравнении с аналогами из обычных пружинных сталей, без увеличения размеров рабочего пространства системы. Методами теории подобия, стало возможным проектирование виброизолирующих механизмов грузоподъемностью 150-5000 Н, без существенного изменения размеров базовых механизмов. Получены новые научные результаты, направленные на повышение надежности работы механизмов «отрицательной» жесткости для виброизолирующих систем тяжелых технических объектов (грузоподъёмностью до 250000 Н), например, транспортных и энергетических машин, конструктивных элементов жилых и промышленных зданий, мостов и т.п. объектов в зонах повышенной природной или техногенной сейсмической активности. 7. Помимо структурных методов, разработаны алгоритмические методы и технические средства диагностики и снижения вредного и опасного влияния вибраций и вибрационного шума. В частности, это комбинированный алгоритмический метод шумоподавления в реверберирующих средах. Разработаны алгоритмы измерения и анализа RIR (импульсной, переходной характеристики) речевых сигналов в режиме реального времени при реверберации и фоновом шуме в замкнутых пространствах с переменными граничными условиями. Метод исследования и диагностики базовых элементов (подшипниковых узлов и трансмиссий) на основе FFT- и вейвлет методов вибрационного спектрального анализа. В частности, предложен метод оценки размера дефекта базового элемента механизма (например, наружного кольца подшипника качения при переменной скорости вращения). Предложена адаптивная методика диагностики и быстрого поиска возможного источника отказа трансмиссионных на основе эмпирического вейвлет-преобразования. 8. Основные результаты исследований опубликованы в рейтинговых научных изданиях: в журналах Shock and Vibration, Applied Sciences, в Трудах 26th International Congress on Sound and Vibration (ICSV26). В издательстве Cambridge University Press готовится к изданию монография. Заявки на результаты интеллектуальной деятельности зарегистрированы в Федеральной службе по интеллектуальной собственности (ФИПС) России.