УДК 534.08

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА РЕЗОНАНСНЫХ МОД КОЛЕБАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

В.А. Юрьев, доцент; Р.Б. Калинин, аспирант Воронежский государственный технический университет

В работе предлагается метод анализа резонансных мод колебаний элементов конструкций, основанный на применении высокодобротного перестраиваемого по частоте струнного датчика, выполняющего одновременно роль возбудителя мод упругих колебаний и сенсорного приемника отклика этих волн. Метод позволит на основе изучения резонансных, диссипативных характеристик мод колебаний обнаруживать дефекты конструкции, недоступные для обнаружения их традиционными методами.

Одним из наиболее ответственных этапов разработки изделий космической и авиационной техники, ответственных узлов приборов машиностроения, музыкальных инструментов и др. является контроль качества деталей и узлов летательных аппаратов, обеспечивающий высокую степень их надежности и долговечности. Широкое распространение получили неразрушающие методы контроля, такие как рентгеновская и ультразвуковая дефектоскопия, резонансная механическая спектроскопия. Метод механической спектроскопии, основанный на анализе спектров резонансных мод колебаний, ограничивается, как правило, анализом частотного спектра, разложением интегрального отклика изучаемого объекта на индивидуальные моды колебаний.

Повышение уровня информативности метода механической спектроскопии, его чувствительности и эффективности может быть достигнуто на пути локального возбуждения отдельных мод колебаний, определения их поляризации, изучения диссипативных характеристик (декремента колебаний, параметров резонансных кривых), энергоемкости каждого резонатора.

Впервые влияние резонансной моды колебаний на поведение струнного датчика было отмечено в работах [1-2].Путем возбуждения с помощью струнного датчика упругих колебаний элемента конструкции и анализа отклика сигнала с помощью приемника, роль

355

которого выполняет та же струна (аналог двух связанных механических контуров струна и резонирующий элемент конструкции) прецизионно определяется частота колебаний изучаемого резонатора, его демпфирующие характеристики (добротность), направление поляризации волны. Локальный анализ каждой моды колебаний, каждой резонансной частоты на основе изучения профиля резонансных кривых, добротности позволит существенно повысить чувствительность диагностического метода по выявлению дефектов конструкции. Метод диагностики на основе тонкого анализа диссипативных процессов отдельных мод колебаний особенно эффективен при контроле качества сложных по конструкции деталей и узлов изделий, недоступных для традиционных методов контроля (ультразвуковой и рентгеновской дефектоскопии). К таким изделиям можно отнести, например, сотовые панели, широко используемые в авиационной и космической технике.

Для энергоемких резонансных систем (больших конструкций) электрический сигнал струнного датчика, включенного в электрическую схему автогенератора, усиливается и далее преобразуется с помощью электромеханического устройства в монохроматическую упругую волну, распространяющуюся в исследуемом объекте. Струнный датчик, жестко закрепленный к исследуемому объекту, в отсутствии резонансной моды колебаний объекта исследований совершает гармонические колебания в установившемся динамическом режиме. В результате сканирования при достижении частоты резонансных колебаний какого-либо элемента конструкции появляется упругая волна с частотой близкой или совпадающей с частотой колебаний струны. Варьирование частоты колебаний струнного датчика в окрестности резонансной частоты колебаний исследуемого механического резонатора позволит по амплитудо–частотным характеристикам, полученным биениям провести анализ резонансных мод колебаний, с высокой степенью точности определить резонансные частоты, рассчитать декремент колебаний для каждой моды колебаний.

Устройство включает перестраиваемый по частоте вакуумный струнный датчик, электронный блок автогенератора механических колебаний, блок управления частотными и амплитудными

356

характеристиками акустических волн и блок анализа частотных и диссипативных свойств изучаемых мод колебаний.

Резонатором автогенератора механических колебаний служит помещенная в вакуум между полюсами магнита натянутая упругая металлическая нить (вольфрамовая проволока), частота колебаний которой задается (изменяется) прецизионным натяжителем. Струнный датчик, выполняющий роль высокодобротного резонатора, включается в цепь автогенератора. Сканирование по частоте производится путем изменения величины натяжения упругой струны с помощью электромеханического привода. Связь между частотой колебаний струны и приложенным к ней напряжением растяжения определяется соотношением:

f = 2nl σρ ,

где f - частота колебаний,

n - число полуволн, укладывающихся на длине струны l ,

ρ- плотность материала струны,

σ- напряжение растяжения струны.

Оценки показывают, что изменяя натяжение струны можно перекрыть частотный диапазон от нескольких герц до 30– 40 кгц. .

Добротность струнного резонатора зависит от нескольких каналов утечки энергии упругих колебаний: потери за счет внутреннего трения материала струны, потери за счет трения струны о воздух и потери за счет распространения упругих волн от мест закрепления струны. Все эти потери, отнесенные к накопленной за период колебаний струны упругой энергии, определит величину декремента колебаний. Однако накопленная в струне энергия за период колебаний определяется не произведением амплитуды переменного напряжения и соответствующей амплитуды деформации, а произведением амплитуды напряжения растяжения струны и амплитуды деформации. В связи с тем, что напряжение растяжения струны всегда больше (или значительно больше) амплитуды переменного напряжения, добротность струны оказывается значительно выше добротности свободного от напряжений резонатора, изготовленного из того же материала

357

Резонатор крепится механически к исследуемой конструкции. Сканирование частоты генератора (в пределах 20гц - 40кгц) при натяжении струны сопровождается возбуждением различных мод колебаний элементов конструкции на определенных частотах. Возникает аналог связанных электрических контуров. При совпадении частот этих контуров понижается добротность струны, что легко фиксируется и тем самым определяется резонансная частота вибрации. Если добротность контура–возбудителя значительно выше добротности исследуемого резонирующего контура, то появляется возможность путем анализа параметров резонансной кривой вторичного (изучаемого) контура или анализа биений в окрестности резонансной частоты определить также демпфирующие характеристики мод колебания исследуемой конструкции.

Литература

1.А.Т. Косилов и др. Способ измерения резонансных частот вибраций //А.с. №690322, 14 июля1979г. (опубл. в Б.И., 1979, №37)

2.А.Т. Косилов, В.Е. Калинин, В.М. Казанский, А.И. Аверьянов,

А.Н. Ивакин Способ измерения характеристик колебания механических объектов а.с. №832349, 21 января 1981г. (опубл. в Б.И., 1981, №19, с.178).

Voronezh State Technical University

DEVICE FOR ANALYSIS OF RESONANCES

MODE OF VARIABLE ELEMENTS OF STRUCTURES

V.A. Yuryev, R.B. Kalinin

The paper proposes a method for analyzing the resonant mode modes of structural elements, based on the use of a high-frequency frequency tunable tunable frequency sensor, which simultaneously plays the role of an exciter of the modes of elastic vibrations and a sensory receiver of the response of these waves.

Key words: string, oscillation, resonator

358