книги из ГПНТБ / Борьба с шумом в черной металлургии

/0 — резонансная частота колебаний системы, гц; т) — коэф­ фициент потерь; Ѳ — логарифмический декремент зату­ хания.

Для большинства механических, акустических и элект­ рических систем частота затухающих, колебаний практи­ чески совпадает с резонансной частотой системы. Учитывая

Существенная часть упругой энергии теряется в мате­ риале, из которого изготовлены отдельные детали и вся конструкция. Подобный вид потерь определяется внутрен­ ним трением Q - 1 . Учитывая из всех видов потерь только потери, обусловленные внутренним трением, для деталей любой конфигурации получают следующую формулу ско­ рости затухания звука:

Таким образом, внутреннее трение и скорость затухания звука связаны прямо пропорциональной зависимостью.

Величину Ь0 в формуле (105) для пластины можно опре­ делить экспериментально либо из эмпирически получен­ ного соотношения между моментом удара и первоначальной величиной звукового давления [140]:

где Кі и /С2 — коэффициенты, определяемые эксперименталь­ но, значения которых зависят от частоты. В низкочастот­ ной области /<і= 1.

Учитывая формулы (103), (104), (105) и (109), получают

153

ты, значения которых зависят от частоты; m, п — значения, определяющие количество полуволн, укладывающихся в пластине в двух направлениях (m, « = 1 , 2 , 3...).

Рассматривая теоретически полученную формулу (ПО), можно сделать вывод, что скорость затухания звуковых колебаний пластин зависит также от количества движения, предела текучести, размеров пластин и ударника, модуля Юнга, коэффициента Пуассона.

Если время между отдельными ударами не слишком мало, то при высокой скорости затухания звука можно достичь существенного снижения среднего уровня звуково­ го давления, а также сократить продолжительность шума. Следовательно, для изготовления деталей и узлов обору­ дования выбор металлов и сплавов, способствующих сни­ жению шума, необходимо осуществлять с учетом связи между продолжительностью звучания сплавов Т0 и час­ тотой приложения возбуждающей силы ѵ. Наиболее эффек­ тивного снижения среднего уровня звукового давления и продолжительности шума можно достичь, если частота приложения силы

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗВУКОИЗЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Звукоизлучение механической системы можно вызвать, сообщая системе начальную кинетическую энергию (на­ пример, воздействуя на систему импульсом силы) либо начальную потенциальную энергию (например, мгновенным снятием демпфирующей связи). Возникающие под воздейст­ вием возбуждающей силы колебания механической системы могут быть свободными и вынужденными. В связи с этим частотный спектр шума слагается из двух групп состав­ ляющих: вынужденных, частоты которых совпадают с час­ тотой возбуждающей силы и ее гармоник, и свободных, кото­ рые, хотя и возбуждаются теми же силами, но происходят на собственных резонансных частотах механических систем.

Рассмотрение методов, использующих звукоизлучение в качестве критерия при определении различных свойств

164

и характеристик металлов и сплавов, позволяет выявить взаимосвязь характеристик звукоизлучения металлов с не­ которыми их свойствами.

Акустическим способом произведено определение дина­ мического модуля упругости [114]. Расхождение получен­ ных результатов с данными для модуля упругости, найден­ ными механическим способом, оказалось незначительным.

Модуль упругости с точностью до 0,1% относительно просто можно определить следующим способом [12]. Цилин­ дрические стержни из исследуемого металла закрепля­ ют "в узловых точках. Звукоизлучение вызывают ударом деревянного молотка по стержню. Высоту тона излучае­ мого звука определяют настройкой в унисон со стальной струной монохорда, колебание которой вызывают электро­ магнитом. Струна натягивается грузами. Градуирование частоты колебаний проводят путем сравнения с выверен­ ными камертонами и строят кривую зависимости частоты колебаний от массы груза. Генерируемая частота совпала с собственной частотой колебаний струны. Модуль упру­

Предложенный в работе [54] акустический способ опре­ деления модуля нормальной упругости основан на измере­ нии частоты основного тона звука, излучаемого образцом при возбуждении собственных колебаний. Для пластины прямоугольного сечения, выбранной в качестве образца,

рабочая длина образца, см; g — ускорение силы тяжести,

см /сек2.

В работах [12, 54, 114] совпадение контрольного и излу­ чаемого образцами звуковых сигналов определялось субъек­ тивно, что значительно уменьшает точность результатов.

155

При этом ne исключена возможность проникновения по­ сторонних звуковых сигналов.

Для анализа межкристаллитной коррозии в нержавею­ щих сталях [128] используют образцы в виде стержней и трубочек, подвешенных иа нитях. Возбуждают образцы ударом шара, падающего с определенной высоты. Затуха­ ние звука определяют при помощи микрофона и осцилло­ графа. Время полного затухания оказалось обратно про­ порциональным времени корродирования. Была обнару­ жена также связь между результатами микроскопического

тоты радиальных и осевых колебаний колец, возбужденных ударами деревянного молотка. Излучаемый звук воспри­ нимался микрофоном, усиливался, и с помощью стробоско­ пического частотомера регистрировалась частота акустиче­ ских колебаний. Кольца подвешивали либо устанавливали горизонтально на иглах. Измеренные частоты совпали с тео­ ретическими, подсчитанными по формулам. Основной тон хорошо возбуждался, если диаметр не больше чем в 16 раз превышал Ширину кольца.

Во всех рассмотренных работах не учитывалось влия­ ние контактных явлений при соударении на продолжитель­ ность звучания и частотный спектр звукоизлучення.

В работах [115, 116J приведены результаты исследования акустических свойств стальных и бронзовых колоколов: частоты собственных колебаний, относительной амплитуды основного тона и длительности его затухания. Звукоизлу­ чение вызывалось ударом, а также с помощью электро­ магнитного преобразователя. Звук воспринимался микрофо­ ном. После микрофонного усилителя напряжение поступало наламповый вольтметр и самописец. Совпадение между возбуждаемой и излучаемой частотами регистрировалось при наличии эллипса на экране катодно-лучевого осцил­ лографа. Частота возбуждения задавалась частотомером.

Амплитуда основного тона зависит также от металла, массы образца, высоты падения и материала ударника. На уровень звукового давления и частотный спектр оказывает влияние и продолжительность контакта соударяемых ме­ таллов. Повышение модуля упругости материала ударника вызывает уменьшение времени контакта при ударе и воз-

156

растание амплитудных составляющих высокочастотного диапазона спектра.

Акустические методы дефектоскопии основаны на исполь­ зовании звукоизлучения металлов и сплавов при упругих (обычно изгибных) колебаниях [83]. Параметры звука, излучаемого различными деталями при возбуждении соб­ ственных колебаний, являются критерием при измерении или определении длины детали, ширины, диаметра, толщи­ ны, модуля упругости, коэффициента Пуассона, плотности, модуля разрыва, трещин, затухания, модуля сдвига и др. [58].

Для контроля и оценки качества чугунных отливок при­ меняют устройство, в котором воспринимаемые микрофоном звуковые колебания преобразуются в напряжение. После усилителя и выпрямителя оно поступает на ряд парал­ лельных цепей с регулируемыми сопротивлениями и за­ тем— на соответствующее электронное устройство. Каждое электронное устройство приводит в действие релейный пере­ ключатель, и подключенный отметчик времени регистри­ рует продолжительность затухания звука, излучаемого де­ талью, что и является критерием при исследовании. Помимо этого, по резонансной частоте на основе простого соотноше­ ния определяют модуль нормальной упругости отливок. Установлено также соотношение между резонансной час­

поверхностью [138—140]. Пластины различных размеров были изготовлены из стали, стекла и дерева. Измерения проводились при различных условиях удара, т. е. ударники были сделаны из стали, резины, различались по весу и форме контактной поверхности для каждого материала. Скорость удара также регулировалась.

Задачей исследования являлось не только определение взаимосвязи параметров звука и вибрации, но и выяв­ ление факторов, влияющих на уровень звукового давления и частотный спектр шума при ударном возбуждении. Звуко­ вое давление воспринималось микрофоном, расположенным на расстоянии 10 см от поверхности пластины. Вибра­ ции регистрировались акселерометром. Снимаемые с мик­ рофона и акселерометра напряжения одновременно запи­ сывались на двухканальный магнитофон. Воспроизводи­ мая магнитофоном запись анализировалась третьоктавным

157

анализатором и полученная таким образом частота спектра регистрировалась самописцем уровня. Синхроскоп исполь­ зовался для наблюдений волновых форм звука и вибраций, продолжительности контакта ударника с поверхностью пластины, вида волны импульсной силы.

Принцип работы измерителя звучания камертона осно­ ван на измерении промежутка времени, за который сигнал, получаемый от колеблющегося камертона, ослабляется в е раз (е — 2,72) [15J. Колебания камертона, укрепленного на. электромагните, возбуждают в катушках приемника электромагнитного типа экспоненциально затухающий сиг­ нал, поступающий на усилитель и далее на детектор. Сиг­ нал с детектора подается на схему, содержащую два тират­ рона. Тиратронная схема выполнена таким образом, что при некоторой определенной величине затухающего детек­ тированного сигнала происходит погасание одного из тират­ ронов и с помощью реле включается цепь зарядки накопи­ тельной емкости в сеточной цепи лампового вольтметра. Показания стрелочного прибора лампового вольтметра при этом начинают расти пропорционально времени. Когда величина сигнала достигает уровня погасания второго тира­ трона, реле, размыкая контакты, разрывает цепь накопи­ тельной емкости. С помощью потенциометра отношение амплитуд сигнала установлено равным е = 2,72, благодаря чему показание стрелочного прибора пропорционально постоянной времени камертона.

Исследование спектра и энергии звукового излучения (акустической эмиссии) при движении быстрой трещины в стали приведено в работе [87]. Образцы из стали 65Г в виде пластин с надрезом разрывали на испытательной машине. Предварительно их подвергали закалке с 840° С в масле и отпуску при 200—700° С. Параллельно разрываемой плас­ тине на уровне надреза (на расстоянии 3 см от образца) на­ ходился пьезоэлектрический датчик давления (титанат бария). Электрический сигнал датчика, возбуждаемый удар­ ным звуковымимпульсом, записывался осциллографом. Для измерения скорости движения трещины на образец наклеивали фигурную полоску алюминиевой фольги, обра­ зующую конденсатор образец—полоска, разрыв которой способствует запуску схемы.

Приведенное описание методов исследования характе­ ристик звука, излучаемого металлами и сплавами, показы­ вает, что стабильная методика исследования отсутствует.

158

Даже при определении одного и того же параметра, на­ пример модуля упругости, исследуемые образцы имеют различную форму и размеры, что исключает сопостави­ мость результатов. Условия проведения исследований, спо­ собы возбуждения колебаний разнообразны. Часто поль­ зуются не записью колебаний, а субъективным восприятием звука, точность же субъективных оценок в значительной мере зависит от опыта и состояния слуха наблюдателя. Частотный спектр излучаемого звука в большинстве слу­ чаев не исследовался. Не учитывалось влияние контакт­ ных явлений при соударении металлических поверхностей, а также потери звуковой энергии в среде и поглощение зву­ ка ограждающими поверхностями на результаты экспери­ ментов. Не исключалось влияние звуковых помех.

МЕТОД МИСиС ИССЛЕДОВАНИЯ ЗВУКОИЗЛУЧЕНИЯ

Для исследования звукоизлучения металлов и сплавов в лаборатории кафедры охраны труда Московского инсти­ тута стали и сплавов разработана установка, позволяющая устранить повторные соударения, уменьшить потери энер­ гии колебаний в местах крепления образца, ограничить влияние звуковых помех. При этом способ возбуждения -звукоизлучения исключает вынужденные колебания образ­ ца, что позволяет получить зависимость параметров излу­ чаемого звука от свойств металла. Звукоизлучение образ­ ца вызывается единичным ударом, в результате чего обра­ зец совершает свободные колебания. Поведение образца при свободных колебаниях характеризует его динамиче­ скую индивидуальность.

Исследуемый образец во избежание повторных соуда­ рений подвешивают вертикально на металлических нитях диаметром 20 мкм, что дает возможность уменьшить потери энергии колебаний в местах крепления (рис* 77) [26].

На массивном прямоугольном основании 2, имеющем регулирующие ножки /, с помощью которых производят регулировку по уровню, смонтирован корпус 3 из листового металла, покрытого войлоком 4 толщиной 10 мм. Корпус разделен горизонтальной перегородкой 14 на две части: нижнюю 5 и верхнюю 18, что предотвращает проникнове­ ние посторонних шумов. В верхней части корпуса располо­ жены вертикально перемещающаяся площадка 15, на кото­ рой с" помощью гаек' 16 укреплена труба 19 с ударными

159

шарами 20, механизм отсекателя со штифтами 17 и элек­ тромагнитный контактор 22. В нижней части установки расположены изготовленный из жесткой резины отра­ жатель 25, горизонтальное и вертикальное перемещение которого осуществляется соответственно с помощью при­ способления 29 и конической пары 26, и приемник шаров 32. Вертикально перемещающаяся площадка 15 и основа­ ние отражателя 27 подвижно соединены с рейкой 31, жестко укрепленной на основании установки.

На лицевой стороне установки расположены массивные диски 7 и 13 устройства 6 для крепления образцов на метал­ лических нитях И и патрубок 9 для установки микрофона. С целью предотвращения возникновения корпусного шума

ивибрации в местах контакта дисков 7 и 13, диска 13 с ниж­ ней лицевой частью корпуса, а также между микрофоном

ипатрубком установлены прокладки 12 и 8 из листовой резины.

Звукоизлучение образца 10, изготовленного в виде плас­

тины размером 50 X 50 X 4 мм, вызывается ударом шара 20 по геометрическому центру пластины. Масса шара іщ выбрана с учетом условия [109]

т1 < 4,6р//г2,

где р — плотность материала пластины, г/см3; t — расстоя­ ние от точки приложения удара до ближайшего края плас­ тины, см; h — толщина пластины, см.

Диаметр шара 10 мм, масса 4,5 г. Силу удара можно менять, регулируя маховиком 21 по шкале 23 положение подвижной площадки 15 и, следовательно, высоту падения шара. Настройка центрального удара осуществляется по шкалам вертикального 24 и горизонтального 30 смещений отражателя с помощью маховиков 28.

Шары поступают по трубе 19 к штифтам отсекателя 17, регулирующего возвратно-поступательным движением в го­ ризонтальной плоскости поочередное падение шаров. Штифты отсекателя приводятся в движение контактором 22. Свободно падая из трубы на отражатель 25, шар, отра­ жаясь, ударяет по центру пластины 10 и под действием соб­ ственного веса падает в приемное устройство. Возникающий в результате соударения с пластиной звук воспринимается микрофоном, установленным в патрубке 9 и затем поступа­ ет в приемно-регистрирующий тракт.

Для измерения шума ударного характера рекомендует­ ся блок-схема приемного тракта с применением быстродей­ ствующего регистратора уровня. Производя самописцем запись среднеквадратичного значения уровня, а также зная скорость записи огибающей акустического процесса, можно судить как о мощности сигнала в разные моменты времени,

ми, представлена на рис. 77, б. С помощью этой схемы реги­ стрируют уровни звукового давления в третьоктавных по­ лосах со среднегеометрическими частотами от 40 до 10000 гц, а также скорость затухания общего уровня и затухание звука в полосе частот, на которой зарегистрирован макси­ мальный уровень звукового давления.

Приемный тракт состоит из измерительного микрофона типа МД-38.Ш, шумомера типа Щ-63 ИРПА, третьоктавного анализатора спектра типа АШ-2М ЛИОТ, самописца уровня электрических колебаний типа Н-ПО.Для управления про­ цессами возбуждения звука и одновременной записи его пара­ метров необходимые элементы смонтированы на панели 6.

При измерении уровней звукового давления в полосах пропускания анализатора тумблеры Т 2 и Т4 на панели

152