3. Методы колебаний

3.1. Методы свободных колебаний

Методы колебаний предполагают отсутствие сильной постоянной акустической связи колеблющегося ОК с системой возбуждения и приема колебаний. Полное отсутствие связи с ОК делает невозможным возбуждение колебаний и их ана­лиз, поэтому в действительности эта связь есть, но она либо кратковременная (возбуждение ударом), либо очень слабая (воз­буждение и прием через воздух, воду).

Интегральный метод свободных колебаний используют давно при проверке стеклянной посуды, бандажей железнодорож­ных колес, ударных музыкальных инструментов и т.д. по «чистоте звона», вызываемого механическим ударом. Появле­ние колебаний дополнительных частот, например дре­безжания, – признак наличия дефектов.

В последнее время метод получил аппаратное оснащение, его применяют для контроля абразивного инструмента, твердосплавных резцов, деталей подшипников и др. На рис. 9 показана структурная схема прибора для контроля абразивных кругов. Ко­лебания ОК 2 возбуждают уда­ром молотка 1, регистрируют микрофоном 3, усиливают бло­ком 4 и подают на систему обра­ботки информации 5, задача ко­торой – измерение основной час­тоты свободных колебаний. Для этого, например, выполняют из­мерение времени , соответствую­щее определенному числу пе­риодов колебаний. По нему опре­деляют период и частоту .

Рис. 9. Структурная схема прибора для контроля абразивного инстру­мента

Частота свободных колебаний зависит от геометрии ОК и свойств его материала. Для ОК простой формы (стерж­ни, пластины) основная частота поддается теоретическому расчету. Для сложных изделий ее определяют экспериментально на доб­рокачественных образцах. По длительности колебаний судят о затуха­нии звука в материале объекта, которая сокращается под влиянием множественных мелких дефектов.

Интегральный метод свободных колебаний широко используют для испытания образцов, вырезанных из материала изделия, рис. 10. В образце 4 излучающим 3 и приемным 5 преобразо­вателями возбуждают и регистрируют продольные или крутильные колебания. ЭМА преобразователи обеспечивают практически свободные колебания образца; его крепление выполняют в узловых точках, где амплитуда смещения минимальна. При испытаниях образцов с низкой добротностью воз­буждение и прием осуществляют ПЭП. По частотам свободных колебаний определяют модули объемной упругости и сдвига. По времени уменьшения амплитуды в 2 раза или по ширине резонансной кривой определяют декремент колебаний.

Рис. 10. Структурная схема прибора для испытания образцов методом колебаний

Возможны три режима работы прибора:

1. плавное изменение частоты генератора 1 вручную и регистрация максимумов колеба­ний индикатором 7;

2. создание автоколебаний с положительной об­ратной связью усилителя 6 с генератором через регулятор ампли­туды 8;

3. автоподстройка частоты путем связи усилителей 6 и 2 через блок 8 до разности фаз колебаний на излучателе и прием­нике 0 или .

Последние два режима позволяют автоматизировать испытания, но пригодны лишь для материалов с малым затуха­нием.

Эффективное применение интегрального метода – контроль натяжения каната, стержневой и проволочной арма­туры в конструкциях из напряженного железобетона. Принцип работы основан на увеличении частоты колебаний с ростом натяжения , что применяют при настрой­ке струнных музыкальных инструментов. В первом приближении

,

где – плотность материала ОК; – длина ОК. Из­меряют частоту (период) колебаний и определяют натяжение . Более точная формула учитывает диаметр ОК и особенности закрепления его концов.

Локальный метод свободных колебаний используют для АК многослойных, неметаллических и композиционных материалов. Схема простейшего прибора для контроля этим методом показана на рис. 11.

В части ОК 3 (мно­гослойная панель) вибратором 2, питаемым от генератора 5, возбуждают колебания. Колебания принимают микрофоном 4 или ПЭП, усиливают усилителем 6 и подают на индикатор и сиг­нализатор 7. Усилитель позволяет выбрать частоту, на которой сильно изменяется амплитуда колебаний в недефектном и дефектном участках ОК, что отмечается индикатором. Вибратор и прием­ник объединены в блок преобразователя 1.

Рис. 11. Метод свободных ло­кальных

Применительно к металлам метод используют для высокоточ­ного измерения толщины изделий, в частности труб. При этом тру­бу помещают в локальную иммерсионную ванну. Согласно одному из способов, получившему название метода предеф, колебания воз­буждают импульсом. После окончания возбуждения стенка изде­лия продолжает колебаться свободно на частоте, соответствующей полуволновой толщине . По частоте свободных колебаний измеряют толщину. Для этого используют описанный ранее прием измерения интервала времени , соответствующего определенному числу периодов свободных колебаний. Тогда .

Основное достоинство этого способа – высокая точность измерения (погрешность 0,1) и слабая зависимость ре­зультатов измерения от расстояния и взаимной ориентации конт­ролируемой трубы и преобразователей. Это объясняется тем, что колебания стенки трубы практически полностью отделены от колебаний возбуждающе­го и принимающего преобразователей. Угол между осями преобразователя и трубы можно менять на 10° без изме­нения результатов измерений. Это очень существенно для конструирова­ния трубопротяжной установки, к ко­торой при других методах контроля предъявляют требование обеспечения строгой перпендикулярности осей преобразователя и трубы. Недо­статки метода – низкая помехоустойчивость, т.к. приходится улавливать и усиливать колебания малой амплитуды; невозможность контроля объектов из материалов с большим зату­ханием ультразвука.