ВВЕДЕНИЕ. В настоящее время в мировой практике при создании и отработке новой техники, а также для анализа функционирования машин и агрегатов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТА

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в мировой практике при создании и отработке новой техники, а также для анализа функционирования машин и агрегатов, актуальной остается проблема по обеспечению надежной их работы. Контроль и прогнозирование технического состояния объектов народного хозяйства с целью увеличения их ресурса по их фактическому состоянию является приоритетной задачей технической диагностики. Основной задачей технической диагностики это использование методов неразрушающего контроля с получением достоверной информации технического состояния объекта. Это достигается за счет повышения контролепригодности метода по оценке технического состояния объекта по его фактическому состоянию на момент проведения диагностического анализа.

Одной из задач технической диагностики является не только выявление и предупреждение отказов и неисправностей при функционировании объектов, но и поддержание нормальных условий для эксплуатационных показателей в установленных пределах их регулирования, с прогнозированием технического состояния в целях эффективного использования доремонтного и межремонтного ресурса его работы.

Теория и практика диагностирования должны развиваться на основе использования универсальных методов и средств диагностирования. В этом направлении виброакустическая диагностика, основывающая на анализе колебательных процессов, сопровождающих функционирование машин и их агрегатов, является наиболее универсальным техническим средством диагностирования, выделенная в отдельную отрасль знаний.

Основной отличительной особенностью виброакустической диагностики является использование в качестве источника информации не статические параметры, характеризующие состояние механизма (температура, давление, состояние физико-механических характеристик и пр.), а динамические нагрузки, вызывающие появление и распространение вибрационных и акустических волн, как в самом механизме, так и в окружающей среде. Форма диагностической информации, заключенная в колебательном процессе, независимо от природы его возникновения и способа регистрации, чрезвычайно многообразна. Широкие частотные и динамические диапазоны, большая скорость распространения вибрационных и акустических волн обуславливают адекватную перестройку акустического и вибрационного поля объекта на изменение его технического состояния в процессе функционирования. Система виброакустического диагностирования, имеющая малую инерционность при регистрации переходных режимов, способна выявлять, за счет изменения виброакустического поля, зарождающиеся дефекты в объекте и производить оценку его технического состояния по энергии (интенсивности или уровню). Увеличение уровня колебаний объекта за предельно допустимый уровень вибраций (энергии акустического излучения) является основным параметром в оценке возникновения аварийных ситуациях. Уровень вибрационных колебаний объекта является также оценкой остаточного ресурса его работы.

Физическим носителем информации о техническом состоянии элементов работающего механизма в виброакустической диагностике является виброакустический сигнал – собирательное понятие, включающее не только информацию об акустическом шуме механизма в окружающую среду, но и другие колебательные процессы, которые наводятся работающем механизмом в окружающей среде. Поэтому наиболее важным технологическим приемом в построении акустической интенсивности виброакустического поля механизма (объекта) является определение вектора его напряженности. То есть определение информационного канала, который мог бы позволить получить наиболее качественную информацию для построения алгоритма вибродиагностического контроля работающего механизма или осуществления технологических процессов в объектах. Осуществление измерительного процесса вибродиагностических параметров агрегата вне геометрического места действия вектора напряженности акустического поля, может приводить к искажению информации из-за реверберации (наложения) резонирующих колебательных процессов в среде, вызванных работой не только исследуемого объекта, но и различных объектов, находящихся в непосредственной близости от него.

Данная работа направлена на формирование навыков в построении алгоритма исследования акустического поля объекта, обретение практических знаний по анализу измерения акустической интенсивности и определения вектора напряженности вибрационного поля объекта, закрепления умения по выбору зон установки измерительных датчиков при проведении виброакустической диагностики механизмов и машин.

1. АНАЛИЗ ШУМОВ ОБЪЕКТА МЕТОДАМИ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ

Акустическую характеристику шума от работающего механизма или установки определяют по величине акустического давления, получаемую путем замера в зоне действия акустической волны с помощью сонометра (измерительного микрофона). Один из сложных вопросов, возникающий при использовании этого метода заключается в выборе положения измерительного микрофона. Этот микрофон должен находиться, в так называемом, «дальнем поле» относительно источника шума, т.к. параметр акустического давления претерпевает значительное изменение в «ближнем поле», которое называется «интерференционной зоной». Под «ближним полем» понимают зону с расстояние от источника, в котором укладывается одна акустическая полуволна доминирующей частоты излучения. Схема расположения измерительного микрофона приведена на рис. 1.

Ближнее Дальнее

Механизм поле поле

Измерительный микрофон

Рис. 1–Схема акустического исследования объекта

Акустическая интенсивность в измерении параметров энергетического типа работающего механизма оценивается по величине вектора напряженности акустического поля. Практически это определение направления максимальной проводимости в дальнем поле объекта по измерению величины акустического давления в направлении распространения акустической волны в измеряемой зоне пространства, окружающей механизм.

Механизм возникновения акустического излучения от любого механизма, агрегата или изделия, может быть представлен, как на схеме рис.2. Влияние акустического излучения в среде будет определяться передаточной функцией среды, которой можно пренебречь в построении вектора интенсивности акустического поля объекта.

Рис. 2–Схема возникновения акустического излучения объекта.

Связь между механическими волнами и акустической средой будет зависеть от фазовой скорости пакета вибрационных волн (дисперсионная среда ближнего поля объекта) относительно скорости акустических волн в воздушной среде (недисперсионная среда, Сзв = 340м/с).

Акустические источники вибрационных колебаний механизма будут локализоваться через определенную область их распространения в соответствии с уровнем энергии колебаний элементов механизма, т.е. сверзвуковые вибрационные волны будут локализоваться через акустическое излучение в определенном направлении их распространения.

Таким образом, акустические источники можно разделить на две большие группы:

- локализованные (независимые), которые по интегральной мощности излучения превалируют над уровнем возбужденных колебаний в любой среде;

- когерентные протяженные (зависимые), которые передают вибрационные колебания с наложением на эти колебания собственных частот, возбуждаемых этими колебаниями.

Поскольку, акустическое поле, формирующееся вокруг объекта, будет включать оба вида источника то их выделение в регистрируемом сигнале, анализирующего прибора, осуществляется путем разделения (спектральный анализ) и сопоставления спектрограмм сигналов от замеров, осуществляемых в «дальнем поле», в зоне различных положений, на одном расстоянии от объекта. Локализованный источник имеет равномерную направленность излучения во всех направлениях, поэтому амплитудно-частотные его характеристики не зависят от угла измерения, а зависят только от расстояния от источника до зоны измерения. Когерентные протяженные источники имеют направленность (тип диполя) в пространстве. Поэтому при изменении угла измерения направления распространения акустической волны, интенсивность (амплитуда колебаний) будет изменяться. Это положение позволяет разделить источники на локализованные и когерентные. Как правило, в структуре вибрационных колебаний, реализуемых в деталях и механизмах технических объектов, превалируют когерентные протяженные источники, которые и являются основными носителями информации о техническом состоянии объекта.

Таким образом, анализ шумов объекта, методами измерения акустической интенсивности предполагает определенную структуру исследований величины амплитуд акустических колебаний, порождаемых вибрационными колебаниями конструктивных элементов (деталей) и узлов объекта в дальнем поле. Механизм анализа включает исследование по выявлению локализованные и когерентные источников вибрационных и акустических колебаний объекта.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ И ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ ОБЪЕКТА

По определению – акустическая интенсивность имеет размерность плотности мощности на единицу поверхности, и выражается уравнением:

[Вт/м²], (1)

где: Р( ) - акустическое давление (Па),

V( ) – фазовая скорость (м/сек).

Параметры Р( ) и V( ) описывают звуковое давление в определенной точке пространства дальнего поля объекта. Используя операцию перевода временного представления сигнала в частотную форму, выражение акустической интенсивности переходит в уравнение:

, (2)

где Re - действительная часть,

Р( ) – преобразование Фурье сигнала по Р( ) ,

V ( ) – сопряженные преобразования Фурье сигнала V( ).

Какая бы область по «времени» или «частоте» не была бы выбрана для определения акустической интенсивности, требуется в одной и той же точке измерения одновременное определение двух величин Р( ) и V( ).

Практическое определение фазовой скорости основывается на уравнении Эйлера с учетом градиента давления при конечной разности:

, (3)

где: - плотность воздуха.

- фазовое ускорение.

Определение фазовой скорости осуществляется по градиенту изменения давления, замеренному одновременно в двух точках пространства по оси вектора распространения акустического возмущения:

(4)

На практике применяют дуплет микрофонов, величина значения скорости определяется из условия распространения звуковой волны на фиксированном расстоянии между выбранными точками измерения на линии, соединяющей измерительные микрофоны и объект. Рассчитанная скорость между двумя измерениями в точке «М» (срединная точка на отрезке между измерительными микрофонами) определяется по выражению 4. Она определяется через скорость изменения величины звукового давления между последовательно установленными микрофонами. Акустическое давление в точке «М» осуществляется простым нахождением среднего значения сигналов от двух измерения в точках фиксированного расстояния микрофонов от объекта.

. (5)

Вектор акустической интенсивности виброакустического поля источника определяется путем сравнения полученных значения акустического давления звуковых волн в пространственно-координатном распределении его по пространству.

Построение пространственно-координатного распределения акустической интенсивности объекта позволяет определить наиболее интенсивные зоны локальных усилений (ослаблений) вибрационных возмущений в механизме, а, следовательно, выбрать наиболее информативные направления регистрации вибрационных параметров для осуществления схемы построения диагностического мониторинга механизма.

Определение передаточной функции в простейшем одномерном случае линейной системы с постоянными параметрическими связями между входным возмущением и реакцией объекта на данное возмущение будет их отношение, т.е. отношение выходного сигнала к входному. Практически для определения передаточной функции системы необходимо проведение достаточно большого объема исследований. Связь между амплитудой действующего возмущения (входного сигнала) и реакцией системы на задаваемое возмущение на частоте возбуждения ω описывается амплитудно-частотной характеристикой обычного гармонического осциллятора, функция передачи которого имеет вид:

, (6)

где: - собственная частота объекта; - добротность осциллятора (передающего элемента).

Построение вектора локальной акустической интенсивности и определение передаточной функции объекта позволяет проводить достаточно широкий круг исследований объекта с целью определения количества источников возмущений в исследуемом объекте, выявления зон максимальной информативности технического состояния объекта. Кроме того, построение амплитудно-частотной передаточной функции объекта позволяет выявить влияние объекта на распространение виброакустического сигнала, как по объекту, так и за его пределами. Для многопараметрических объектов структура передаточной функции будет дополняться спектральной плотностью распределения корреляционной функции , которая связывает влияние различных параметров объекта на пути прохождения вибрационного сигнала от источника до точки его замера.

Соотношение для спектральных и взаимно-спектральных плотностей входного и выходного сигнала при определении передаточной функции можно получить путем преобразования Фурье, интегрируя значения коэффициентов корреляции во всем диапазоне частот на бесконечном временном участке:

(7)

где коэффициент корреляции.

Определение коэффициента корреляции взаимозависимых величин осуществляется по формуле:

(8)

или через отношение корреляционного момента двух величин:

(9)

Значение корреляционного момента определяется:

(10)

где М – математическое ожидание величины.

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ОБЪЕКТА И ПРИБОРНОГО ОСНАЩЕНИЯ

В качестве лабораторного объекта выбрано помещение лаборатории, в котором определенным образом установлено различное оборудование, инвентарь (шкафы, стеллажи, столы, и пр.). Данные элементы являются акустическими поглотителями (резонаторами) акустических волн, создаваемых источником (в качестве акустического источника используется акустическая динамическая головка ГД-10). На рис. 3 приведен примерный план объекта.

Источник акустических волн для проведения замеров при проведении лабораторной работы закрепляется на стойке в любом месте исследуемой зоны (имитируется работающий объект), но с определением его геометрического расположения относительно ее других элементов. Зоны акустического исследования в лаборатории выбираются из условия обеспечения замера в дальнем поле источника.

В качестве измерительной базы исследования акустической интенсивности источника, в исследуемой зоне объекта, используются измерительные комплексы типа ИШВ-2 (два шт. одновременно). Схема проведения замера приведена на рис. 4

Измерительные микрофоны М1 и М2 устанавливаются на расстоянии друг от друга 0,5 – 1,0 метра, при этом на одной линии к источнику акустических возмущений.

Для измерения вектора направленности акустического поля на расстоянии 2,5 - 3 м (см. рис. 4) строится сектор исследования. В этом случае сектор делится на 8 – 10 элементов по горизонтали и 3 – 4 элемента по вертикали. В узлах пересечения горизонтальных и вертикальных линий разбиения сектора по очереди с помощью 2–х микрофонов определяется интенсивность акустических колебаний. В качестве ориентира можно использовать нанесенную на полу (стенке) линию с разбиением ее на равные участки как по длине, так и по высоте.

Кабина испытаний

шкаф

источник стойка

зоны исследования акустического

стеллаж давления столы

шкаф

двери шкаф

лестница

Рис 3.

Схема исследования объекта

Источник М1 М2

Линии расположения

микрофонов от источник

узлы расположения

сетки

Рис. 4

Схема проведения замеров

4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

После включения задающих и регистрирующих приборов в сеть и их прогрева (15 мин) осуществляется выбор точек в пространстве для проведения замеров (см. рис.4). Для этого осуществляется составление плана расположения элементов объекта с геометрической привязкой каждого элемента (см. в качества примера рис. 3). В качестве объекта, исследовательская группа может выбрать любой механизм, функционирующий узел агрегата (электродвигатель, насос и т.п.). Основное требование к выбору объекта исследования – безопасность проведения исследований, доступность и возможность установки измерительной аппаратуры. В соответствии с выбранным объектом строится сектор исследования виброакустического поля с присвоением каждому узлу разбиения порядкового номера в матричном коде (на пример - 2,3 – это вторая горизонталь, третья вертикаль; 1,5 – это первая горизонталь, пятая вертикаль). Составляется таблица 1 измерения величины значений акустического давления в каждом узле матричного поля сектора разбиения.

Таблица 1

Значение амплитуды акустического давления в узле сектора (f=100Гц)

4.1. Определение вектора акустической интенсивности источника.

Относительно акустического источника на одном и том же расстоянии выбираются точки для осуществления замера величины акустического давления (см. рис. 4). Затем устанавливается постоянная мощность источника акустических колебаний, с помощью генератора частот задают фиксированное по частоте и мощности возмущение. Значения замеров заносят в таблицу 1. Для эксперимента предлагается диапазон частот от 50 Гц до 1000 Гц с шагом 50 – 100 Гц. После измерения величины интенсивности акустического поля в узлах сектора измерения и заполнения таблиц 1 для всего диапазона исследуемых частот определяется узел, в котором количество максимальных результатов наибольшее. Данный узел является точкой направления вектора интенсивности акустического поля для исследуемого источника.

В полученном секторе направленности вектора интенсивности акустического поля обьекта проводят исследование его спектральной характеристики. Для этого микрофоны устанавливают в зону узла (см. рис. 4) и проводят исследование заданием источником акустических колебаний (динамиком) в диапазоне задания фиксированного значения частоты и мощности от 50 до 1000Гц с шагом 50 -100 Гц. Измерительный прибор ИШВ 1 устанавливается в диапазон измерений спектра (переключатель режима из положения «линия» переводится в положение «спектр»). Результаты замера записываются в таблицу 2. В качестве примера в таблице 2 для частоты источника f = 250 Гц приведены результаты исследования при фиксированной длине от источника до микрофона М 1 L = 2500 мм, а до микрофона М 2 L = 3000 мм.

Таблица 2.

Результаты спектрального анализа измерений акустического поля (f=250 Гц)

Эксперимент повторяется не менее 5 раз для 2 – 3 точек пространства, в которых величина вектора интенсивности акустического поля равна или близка (количество испытаний выбирается для построения вероятностных оценок спектральных характеристик объекта) с заполнением таблицы 2 для каждого геометрического места измерения. Значение давления, полученное при измерении в [дВ] необходимо перевести в размерность [Па] по формуле:

Р_а = 20lq ,

где Р_а – звуковое давление в [дВ], Р – давление в [Па].

По результатам проведенных замеров строятся зависимости:

– изменения акустической интенсивности источника объекта по частоте;

– изменение максимального значения амплитуды акустического давления по углу направления измерений.

Зона сектора измерений, в котором количество максимальных значений амплитуды акустического давления в полосе задаваемых источнику частот колебаний будет наибольшее для данного диапазона измерений, являться зоной прохождения вектора максимальной акустической интенсивности источника для данного объекта. Кроме того, по формулам (1 – 5) определяется локальная акустическая интенсивность объекта, математическое ожидание частоты излучения объекта, дисперсия и коэффициент корреляции спектральной плотности акустического поля источника.

4.2. Определение передаточной функции

Для определения передаточной функции объекта необходимо выбрать на одной прямой от источника акустических возмущений три точки. Расстояние между точками должно быть одинаковое и находиться в пределах 1 – 1,5 м. Для исследования передаточной функции элемента, на пример, перегородки, стенки и т.п. точки измерения должны быть расположены непосредственно перед объектом и за ним. В случае исследования акустических характеристик аудитории одна из точек будет находиться перед дверью, а другая за дверями лаборатории. В лаборатории от источника до дверей расстояние между точками произвольное, но точки исследования должны находиться в зоне дальнего поля источника. Исследования проводятся при фиксированном значении амплитуды и частоты источника акустических возмущений объекта с определением всех параметров, как и в случае определения локальной акустической интенсивности. Результаты замера сводятся в таблицу 3, которая отличается от таблицы 2 только дополнением одного столбца с указанием расстояния до измеряемой зоны. В качестве примера в таблице 3 приведены результаты замера для расстояния от источника до микрофона М1 - l = 2500 мм.

Таблица 3

Результаты измерений акустического поля ( l = 2500, 3500,4000)

Расчет передаточной функции объекта исследования осуществляется по приведенным формулам 6- 10. Для этого необходимо провести замер в одной точке с помощью микрофона М1 и М2 не менее 5 раз для вычисления коэффициента корреляции по частотному диапазону, выбранному для проведения исследования (см. рекомендации по выбору п. 4.1.).

Собственную частоту воздушного столба в первом приближении можно рассчитать по формуле:

, (11)

где к – номер моды акустических колебаний (стоячая волна от источника до точки замера), l – расстояние от источника акустических возмущений до точки замера, а скорость звука в воздухе (в теле объекта).

Передаточная функция определяется по формуле:

(12)

где X(f) и Y(f) – входной и выходной сигналы.

В нашем случае это полученные значения амплитуд в частотном диапазоне измерений в точках перед объектом и за ним. Полученные значения передаточной функции должно иметь спектральную плотность распределения, построенную в координатах значение коэффициента усиления (ослабления) – частота. Результаты исследований оформляются отчетом, который включает:

- описание объекта исследований;

- поученные результаты исследований;

- расчетные значения математического ожидания частот акустического поля объекта, дисперсию и коэффициент корреляции в частоте собственных колебаний среды объекта;

- передаточную функцию и спектральную плотность коэффициента усиления (ослабления) среды объекта.

4.3. Контрольные вопросы

1. Что понимается под характеристикой ближнего и дальнего поля.

2. Чем характеризуется акустическое излучение среды.

3. Как связаны акустические волны и вибрационные колебания объекта.

4. Какие источники излучения в акустической среде определяют изменение технического состояния объекта..

5. Как определяется локальная акустическая интенсивность.

6. Как осуществляется практическое определение узлов стоячей акустической волны.

7. Как определить передаточную функцию объекта, среды.

Литература.

1. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. – М.: Машиностроение, 1987. – 228 с.

2. Артоболевский И.И., Бобровицкий Ю.И., Генкин М.Д. Введение в акустическую динамику машин. М.: Наука , 1979. – 296 с.

3. Виброакустические процессы в машинах и присоедененных конструкциях/ Сб. Акадении наук СССР, отд. Механики и процессов управления// М.: Наука – 1974. 154 с.

4. Приборы и системы для измерения вибраций, шума и удара, в 2-х томах /Под ред. д-ра техн. Наук проф. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение. – 1978 447 с.

Дата добавления: 2014-11-24; просмотров: 290; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!