Методы собственных частот

Суть методов заключается в возбуждении в контролируемом изделии собственных колебаний (колебаний на СОБСТВЕННОЙ ЧАСТОТЕ), измерении частоты собственных колебаний и определении по значению этой частоты других упругих и физико-механических характеристик материала изделия. Частоту собственных колебаний по способу ее измерения часто называют также РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТОЙ.

В отличие от ультразвуковых импульсных методов МЕТОДЫ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ не предназначены для дефектоскопии изделий (кроме некоторых случаев, когда контроль ведется по специально разработан-ным методикам). Основное назначение приборов, реализующих этот метод, – определение упругих констант материала и других физико-механических свойств материала, связанных с этими константами: твердости, пористости, плотности, прочности и др.

ЧАСТОТА СОСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ (ЧСК) f зависит как от упругих характеристик материала, так и от КОЭФФИЦИЕНТА ФОРМЫ F (коэффициента, зависящего от формы и размеров изделия, от коэффициента Пуассона, а также от вида возбуждаемых колебаний). В общем виде эту зависимость можно выразить в виде

, (13)

где (14)- скорость распространения акустических волн (скорость звука),

Е – модуль нормальной упругости (модуль Юнга),

ρ – плотность,

i – тип (мода) колебаний.

Скорость Сl имеет физический смысл скорости распространения продольных упругих волн в бесконечно длинном тонком стержне, изготов-ленном из того же материала, что и контролируемое изделие (стержневая скорость звука). В дальнейшем для краткости мы будем называть этот параметр скоростью звука Сl или просто скоростью Сl.

Поскольку частота собственных колебаний изделия зависит не только от свойств материала, но и от других факторов, в качестве информативного параметра при методах контроля по ЧСК обычно используется значение СКОРОСТИ ЗВУКА Сl . Используя заранее найденные корреляционные зависимости, по скорости Сl можно определить прочностные характеристики материала, плотность, пористость и др.

В ряде случаев, например при контроле физико-механических свойств абразивных изделий, в качестве выходной характеристики контроля приняты ЗВУКОВЫЕ ИНДЕКЫ (ЗИ)-градации скорости Cl с шагов 200 м/с. В соответ-ствии с ГОСТ 25961 ЗИ обозначаются средним для данной градации значением скорости Cl, выраженным в м/с и деленным на 100. Обозначение ЗИ по ГОСТ 25961 представлено в табл. 1.

Таблица 1. Обозначения звуковых индексов

Звуковой индекс ЗИ	Интервал значений скорости Cl, м/с
19	от 1800 до 2000
21	св. 2000 до 2200
……….
75	св. 7400 до 7600

Определение упругих констант материала производится путем расчета. По значению Сl, зная или заранее вычислив коэффициент формы Fi и плотность ρ, по формуле (13) рассчитывают модуль Юнга Е. Коэффициент Пуассона рассчитывают по значениям двух измеренных собственных частот, относящихся к разным видам колебаний.

Каждое твердое тело имеет бесконечное множества частот, которые относятся к разным видам колебаний. При колебаниях на собственной частоте каждая точка изделия, кроме точек изделия, находящихся на узловой линии или плоскости (узловая линия – линия на которой колебания отсутствуют), совершает колебательные движения. Тип колебаний определяется направле-нием колебательного движения отдельных точек и количеством и видом узловых линий. По направлению колебательного движения различают следующие основные виды: ИЗГИБНЫЕ колебания (колебания отдельных точек происходят в плоскости, перпендикулярной основной плоскости изде-лия), ПРОДОЛЬНЫЕ, или ПЛОСКИЕ, (колебания отдельных точек происходят в основной плоскости изделия) и КРУТИЛЬНЫЕ колебания (крутильные колебания отдельных точек). Обычно при неразрушающем контроле стараются возбуждать и измерять наиболее низкие собственные частоты.

Измерения ЧСК и скорости звука Сl производятся с помощью специализированных приборов или систем. Отечественные приборы типа «ЗВУК», разработанные для этой цели, называются - ИЗМЕРИТЕЛЯМИ ЧАСТОТ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ. В приборах используются метод свободных колебаний или метод вынужденных колебаний (резонансный метод).

На рис. 2 приведена обобщенная блок - схема прибора, работающего с использованием МЕТОДА СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ. Прибор работает следующим образом. По контролируемому изделию 1 с помощью ударника 2 наносят механический удар, в результате которого в изделии возникают свободные колебания. Эти колебания принимаются приемником колебаний 3, в качестве которого может быть использован микрофон или пьезодатчик, и преобразуются в электрические колебания. После усиления усилителем 4, выделения с помощью фильтра 5 сигнала, соответствующего собственной частоте, и измерения его частоты частотомерным устройством 6 на индикаторном табло прибора в цифровом виде отображается значение собст-венной частоты.

Рис. 2. Блок-схема прибора, основанного на методе свободных колебаний

На рис. 3 приведена блок-схема прибора, работающего с использованием МЕТОДА ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ. Контролируемое изделие 1 помещают между двумя пьезодатчиками 2 и 3, один из которых является излучателем колебаний, а другой – приемником. Работа прибора осущест-вляется следующим образом. От генератора электрических колебаний перемен-ной частоты 4, снабженного частотомерным устройством 5, электрический сигнал поступает на излучатель, осуществляющий преобразование электри-ческих колебаний в механические. Возникающие при этом колебания контро-лируемого изделия регистрируются приемником колебаний, осуществляющим их преобразование в электрический сигнал. После усиления усилителем 6 сигнал подается на индикаторное устройство 7, которое фиксирует изменение амплитуды полученного сигнала. При совпадении частоты колебаний генератора с частотой собственных колебаний изделия амплитуда колебаний резко возрастает, наступает резонанс, который фиксируется индикаторным устройством. Показание частотомерного устройства 5 при резонансе дает значение собственной частоты изделия.

Рис. 3. Блок-схема прибора, основанного на методе

вынужденных колебаний

Современные приборы для измерения ЧСК позволяют практически мгновенно получать в цифровом виде значение ЧСК, а также значение скорости звука Сl или значения других физико-механических и упругих характеристик материала, связанных со скоростью Сl. Приборы работают в комплекте с компьютером, что позволяет автоматизировать процесс контроля, хранить и обрабатывать полученную информацию.