Методы свободных колебаний

1.Введение.

 
Методы неразрушающего контроля, основанные на измерении частоты собственных  колебаний (ЧСК), хотя и не нашли до настоящего времени такого широкого распространения, как ультразвуковая дефектоскопия, но области их применения в последние годы существенно расширились. В соответствии с общепринятой классификацией акустических методов контроля эти методы разделяются на методы свободных колебаний и методы вынужденных колебаний, которые, в свою очередь, подразделяются на локальные и интегральные методы контроля. Данная статья посвящена состоянию вопроса и перспективам развития интегральных методов контроля, основанных на использовании как свободных, так и вынужденных колебаний. 
Метод свободных колебаний является одним из самых древних методов неразрушающего контроля, когда методом простукивания по дребезжащему звуку, издаваемому керамическим изделием после нанесения по нему удара, удавалось обнаруживать гончарные изделия с трещинами и другими видами дефектов. Этот метод дожил до наших дней, и им широко пользуются продавцы посуды во всем мире. С развитием техники области применения этого метода расширялись, и наиболее широкое распространение этот метод нашел на железнодорожном транспорте. Практически на любой железнодорожной станции, где поезд стоит дольше 10 минут, выглянув в окно вагона, мы можем увидеть специалиста в области контроля с молотком, который субъективно, по только ему понятным признакам, пытается обнаружить дефекты, которые могут привести к аварийной ситуации на транспорте. Методы, основанные на измерении ЧСК, нашли также достаточно широкое распространение для определения физико-механических свойств различного рода материалов и изделий. Еще 200 лет тому назад известный ученый в области теории колебаний Юнг использовал метод вынужденных колебаний для определения динамического модуля нормальной упругости (модуля Юнга) - одной из основных характеристик, определяющих упругие свойства материала. 

 

 

 

 

 

2.Свободные колебания.

Колебания — движения, которые точно или приблизительно повторяются через определенные интервалы времени. 
Свободные колебания — колебания в системе под действием внутренних тел, после того как система выведена из положения равновесия. 
Колебания груза, подвешенного на нити, или груза, прикрепленного к пружине, — это примеры свободных колебаний. После выведения этих систем из положения равновесия создаются условия, при которых тела колеблются без воздействия внешних сил. 
Система — группа тел, движение которых мы изучаем. 
Внутренние силы — силы, действующие между телами системы. 
Внешние силы — силы, действующие на тела системы со стороны тел, не входящих в нее.

3.Условия  возникновения свободных колебаний.

1. При выведении тела из положения равновесия в системе должна возникать сила, направленная к положению равновесия и, следовательно, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия. 
   Пример: при перемещении шарика, прикрепленного к пружине, влево и при его перемещении вправо сила упругости направлена к положению равновесия.
2. Трение в системе должно быть достаточно мало. Иначе колебания быстро затухнут или вовсе не возникнут. Незатухающие колебания возможны лишь при отсутствии трения.

4.Общие сведения о методе свободных колебаний

Метод свободных  колебаний (МСК) определен в ГОСТ 23829-85 как "метод акустического неразрушающего контроля, основанный на возбуждении свободно затухающих упругих колебаний в контролируемом объекте или его части и анализе параметров этих колебаний". Различают интегральный и локальный варианты МСК. В первом используется колебания контролируемого объекта как единого целого, во втором (локальном) - только его части.

Здесь рассматривается только локальный  метод свободных колебаний, применяемый  для обнаружения зон с нарушением соединения между элементами многослойных конструкций, и дефектов (преимущественно  расслоений) в изделиях или слоях из пластиков.

В МСК информативным параметром служит изменение спектра свободных  упругих колебаний контролируемых объектов. Спектр является обобщенной характеристикой. Технически проще  использовать амплитудно-частотную  характеристику спектра, поэтому практически применяется только такой способ обработки информации.

Преимуществами МСК перед другими  низкочастотными методами являются возможность контроля изделий из материалов с малыми модулями Юнга и высокими коэффициентами затухания  упругих колебаний (резины, пенопласта и т. п.) и обнаружение дефектов на большей глубине (до 30 мм в пластиках).

Основные способы ударного возбуждения  упругих колебаний в контролируемом изделии: 1) механический (электро-механический), 2) пьезоэлектрический, 3) электромагнитно-акустический, 4) газодинамический, 5) оптический.

Наиболее применяем первый способ, в качестве возбудителя используют устройства, подвижные системы которых  приводятся в движение электромагнитными  механизмами.

В механических (электромеханических) вибраторах подвижная система соприкасается с изделием в течение промежутков времени, малых по сравнению с периодом следования импульсов.

В ударных преобразователях контролируемый объект возбуждается электромагнитным вибратором. Прием сигнала производится либо микрофоном (рис. 2.а), либо пьезоприемником (рис. 2.б). Пьезоприемник менее подвержен внешним шумам, но он является дополнительной нагрузкой на контролируемый объект. 

 

Рис. 1(а,б) Ударные преобразователи:

а) - с микрофонным приемником, б) - с пьезоэлектрическим приемником; 

1 - контролируемый объект, 2 - корпус преобразователя, 3 - электромагнит, 4 - подвижная система, 5 - микрофон, 6 - пьезоприемник. 

 

Акустический дефектоскоп АД-701 реализует как МСК так и импедансный метод. Прибор комплектуется тремя преобразователями ПИ-101, ПИ-102 и ПС-101. Преобразователь ПС-101 для контроля методом свободных колебаний содержит ударный вибратор и приемник упругих колебаний. В качестве приемника используется конденсаторный электретный микрофон

 

 

 

 

 

 

5.Теоретические основы метода.

 
В основу акустического метода неразрушающего контроля, основанного на измерении  ЧСК, положено наличие корреляционных зависимостей между упругими константами  материала, из которых изготовлено  изделие, и такими физико-механическими  свойствами, как твердость, пористость, плотность, прочность и т. п., а также эксплуатационными характеристиками изделий и параметрами их изготовления [1]. 
В процессе контроля измеряют ЧСК изделия, соответствующую определенному виду колебаний, рассчитывают по известной зависимости (1) приведенную скорость распространения акустических волн (стержневую скорость звука) Сl и по ранее найденным корреляционным зависимостями определяют необходимые физико-механические свойства.

fi=Fi*Cl, (1)

 
где fi- ЧСК определенного вида i; Fi - коэффициент формы, зависящий от формы и размеров изделия, вида возбуждаемых колебаний и коэффициента Пуассона, Cl =(Е/р)½ - приведенная скорость распространения акустических волн,Е- модуль нормальной упругости, р- плотность. Параметр Cl является весьма информативным параметром и в ряде случаев достаточно полно характеризует физико-механические свойства изделий, определяющие их поведение при эксплуатации [2]. 
Для реализации метода наиболее широкое распространение в промышленности нашли специальные измерители частот собственных колебаний типа "Звук" двух модификаций: приборы, основанные на методе свободных колебаний, - "Звук-203" (рис. 2)

рис.2 Звук-203

рис.3 Звук-107

и приборы, основанные на резонансном методе измерений, - "Звук-107" (рис.3). Приборы имеют полное метрологическое обеспечение, они прошли Госиспытания и были включены в Госреестр под N° 6542-78. Из известных зарубежных аналогов наиболее широкое применение в мировой практике нашли приборы типа "Grindo Sonic", выпускаемые бельгийской фирмой "J.W.Lemmens N.V.", действие которых, аналогично прибору "Звук-203", основано на использовании метода свободных колебаний, но с применением несколько отличающейся методики измерения и расшифровки спектра ЧСК. При этом, приборы "Grindo Sonic", также как и приборы "Звук-203", не могут быть использованы для контроля малогабаритных изделий. Единственным методом контроля подобных изделий таких как малогабаритные абразивные круги, бруски и головки, режущие пластинки из керамики и твердого сплава и т.п., является метод вынужденных колебаний с применением оригинальной методики расшифровки спектра ЧСК, реализованный в приборах "Звук-107", аналоги которых до настоящего времени широкого распространения не нашли. 
В настоящее время закончена разработка приборов "Звук" нового поколения, работающих в комплекте с современными компьютерными средствами. 
Прибор "Звук-110М" состоит из измерительной стойки и электронной платы, устанавливаемой в компьютер IBM РС/AT. Измерение производится автоматически сразу после закрепления контролируемого изделия в измерительной стойке и запуска специальной программы, по которой осуществляется анализ спектра ЧСК и необходимые расчеты. При этом результаты измерений и их обработки выводятся на экран монитора , хранятся на диске и могут быть распечатаны в удобном для пользования виде.

рис. 4		рис. 5
рис. 6		рис. 7

Прибор "Звук-203М" - это  портативный прибор, который оператор при работе легко удерживает в  руке. Прибор снабжен встроенным электретным  микрофоном для приема акустических колебаний, жидкокристаллическим дисплеем для индикации результатов измерения и пленочной клавиатурой для управления работой прибора. Практически мгновенно после нанесения удара по контролируемому изделию на дисплее высвечивается результат в одной из заданных оператором форм: ЧСК в Гц, приведенная скорость распространения акустических волн в м/с, звуковой индекс -градация этой скорости по определенной шкале или степень твердости абразивных изделий в буквенном виде (в том числе по международной шкале Нортона). Возможна индикация и других физико-механических свойств изделий, например, модуля Юнга, прочности, плотности, пористости и др. при введении в прибор соответствующих корреляционных или аналитических зависимостей. Питание прибора осуществляется от аккумуляторных батарей или от сети с одновременной подзарядкой батарей. В приборе предусмотрена возможность передачи данных на внешнее устройство по интерфейсу RS-232. 
Метод контроля, основанный на измерении ЧСК, и приборы типа "Звук" уже в настоящее время нашли достаточно широкое применение для контроля изделий из различных материалов.

6. Вывод

До последнего времени  достаточно серьезным препятствием на пути практического применения метода и снижения субъективного фактора  при контроле являлась сильная зависимость  ЧСК от формы и размеров контролируемого  изделия, однако, успехи, достигнутые в области анализа спектров ЧСК изделий различных форм и размеров, а также широкое применение компьютерной техники, позволяют в настоящее время существенно упростить процесс контроля, что приводит, в свою очередь, к расширению областей применения этого метода. 

 

 

ЛИТЕРАТУРА:

http://www.ndtest.ru/metoda.shtml 
http://www.defectoscop.ru/index.php?show_aux_page=64

http://edu.glavsprav.ru/info/svobodnye-kolebaniya/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

1.Введение.

2. Свободные колебания. 

3. Условия возникновения  свободных колебаний.

4. Общие сведенья о методе свободных колебаний.

5. Теоретические основы метода. 
6. Вывод.