Способ определения упруго-диссипативных характеристик древесины
METHOD OF DETERMINING ELASTIC-DISSIPATIVE CHARACTERISTICS OF WOOD

Изобретение относится к области определения упругих, инерционных и диссипативных свойств древесины и может быть использовано при исследовании их физико-механических свойств. В частности, для определения модуля упругости.
Известен способ определения декремента колебаний, заключающийся в анализе свободных затухающих изгибных колебаний образцов (SU 1179159). Установка должна включать два идентичных клиновидных образца с наклеенными на них тензодатчиками и одинаково закрепленных на станине. Возбуждаются свободные колебаний в одном образце, через общую станину они передаются на другой и в момент времени, когда размах колебаний у образцов становится одинаковым, производятся измерения декремента колебаний. К недостаткам данного подхода следует отнести сложность постановки эксперимента: наличие одинаковых образцов, идентичность их закрепления, места наклейки датчиков, а также приближенность выводов о равенстве поглощенной и трансформированной энергии колебаний и соответственно результата измерений.
Известна установка для определения декремента колебаний материала при изгибных колебаниях (SU 457010). Установка содержит два свободно подвешенных груза, к которым крепится исследуемый образец, зеркало, закрепленное на одном из грузов в узле колебаний, источник света и систему регистрации отраженного луча. С целью повышения точности, установка снабжена закрепленным на другом грузе в узле колебаний дополнительным зеркалом, установленным параллельно первому. В системе регистрации отраженного луча помещен вращающийся барабан с фотобумагой, на которой фиксируется колебательный процесс в виде виброграммы. К недостаткам такого похода следует отнести высокую сложность и трудоемкость организации исследований, а также низкую точность, связанную с использованием устаревших аналитических приборов.
Известен способ (RU 2408861) определения коэффициента внутреннего рассеяния энергии в материале, заключающийся в том, что его можно определить для материалов, имеющих модуль упругости существенно ниже, чем у стали (пластмассы, резины, дерево, горные породы). Способ состоит в следующем: боек подвешивают на нерастяжимую нить в виде физического маятника, отклоняют на определенный угол и свободно отпускают, после чего он соударяется с исследуемым образцом, совершая виброударный процесс, а наблюдатель визуально фиксирует углы отклонения оси маятника. На основании величины углов отклонения рассчитывается коэффициента внутреннего рассеяния энергии. К недостаткам подхода следует отнести ограниченность использования по материалам и невысокую точность.
Известно устройство (RU 45525 U1) для определения спектра частот собственных резонансных колебаний объекта. Оно включает источник электрических колебаний, преобразователь электрических колебаний в механические, приемник - преобразователь механических колебаний в электрические и измеритель параметров колебаний. При этом источник электрических колебаний выполнен в виде генератора шума. Исследуемый объект подвешивается на двух нитях. Генератор шумов подает электрический шумовой сигнал на преобразователь электрических колебаний в механические по нити к объекту. Объект начинает совершать колебания со всеми частотами, содержащимися в электрическом шумовом сигнале, передавая через другую нить механические колебания к приемнику - преобразователю механических колебаний в электрические. Электрический сигнал от приемника - преобразователя поступает в измеритель параметров колебаний, который из всего спектра частот выделяет собственные резонансные частоты объекта и определяет параметры затухания колебаний. Несомненным достоинством этого подхода является простота выявления частотного спектра, однако, выявление параметров затухания не соответствует традиционным подходам [1, 2]. Согласно [2] для измерения параметров затухания необходимо исследование колебаний механической системы (образца) по одной из собственных форм, а в данном случае образец совершает полигармонические колебания и получаемые результаты, соответственно, не могут считаться достоверными.
r
r
1
1
a
a
Известен способ (RU 2086943 С1) определения логарифмического декремента колебаний, по которому возбуждают резонансные колебания исследуемого объекта при постоянной амплитуде вынуждающей силы и регистрируют резонансную частоту ƒ и амплитуду (ƒ) резонансных колебаний, затем производят расстройку резонанса путем изменения частоты вынуждающей силы, регистрируют амплитуду (ƒ) и соответствующую ей частоту колебаний ƒ. Логарифмический декремент определялся по формуле
Известен аналогичный способ (RU 2531844 С1) определения логарифмических декрементов колебаний по ширине симметричной расстройки резонанса. Он отличается от (RU 2086943 С1) тем, что в качестве измеряемых параметров могут использоваться не только виброперемещения, но также виброскорости и виброускорения или квадратурные составляющие частотных характеристик перемещений, ускорений или синфазных составляющих частотных характеристик скоростей на резонансных частотах. Общими недостатками указанных подходов является высокая сложность и трудоемкость подобных исследований, связанных с необходимость использования вибростенда и специального лабораторного оборудования. Следует отметить также невозможность определения логарифмического декремента для того или иного материала, а только для конкретной конструкции или его элемента с учетом рассеяния энергии колебаний в наложенных на конструкцию связях.
i
Технический результат способа определения упруго-диссипативных характеристик древесины - это возможность определения декремента для любой собственной частоты исследуемого диапазона низших и средних частот и применение для широкого спектра твердых материалов. Результат достигается возбуждением колебаний образца гармоническим воздействием в диапазоне низших и средних частот и последующей регистрацией амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), по которой выявляют спектр колебаний образца. На заданной собственной частоте спектра возбуждаются установившиеся гармонические колебания, и регистрируется кривая затухающих колебаний. Цифровая обработка этой кривой позволяет определить амплитудные значения виброперемещений (A) и декремент колебаний  для выбранной собственной частоты.
На рис. 1 представлена установка для определения упруго-диссипативных характеристик материалов. Реализация точечного крепления образца. На рис. 2 - установка для определения упруго-диссипативных характеристик материалов. Реализация консольного крепления образца. На Рис. 3 - затухающие свободные колебания образца.
i
Разработанная установка отличается доступностью для широкого круга исследователей и простотой реализации экспериментов, поскольку для ее реализации не требуется дорогостоящего лабораторного оборудования, достаточно наличия персонального компьютера снабженного полнодуплексной звуковой платой и специально изготовленного образца 1 в виде стержня диаметром 2-5 мм, длиной 50-350 мм. Кроме того, установка позволяет осуществлять исследования характеристик рассеяния энергии в широком частотном диапазоне. Для этого размеры образца, граничные условия можно менять в зависимости от номера исследуемой спектральной составляющей АЧХ. На образце закрепляется насадка 2 из «мягкой» стали с внутренним диаметром, подогнанным по диаметру образца. Торцы образца точечно фиксируются в станине прибора с помощью зажимов 3. (Зажимное приспособление при необходимости анализа влияния граничных условий или исследуемой частоты колебаний можно изменить). На электромагнитный вибратор 4 подается гармонический сигнал с выхода полнодуплексной звуковой платы персонального компьютера (ПК) 5. Определение спектра колебаний ведется путем плавного изменения частоты, подаваемой с генератора звука на вибратор 4, возбуждающий изгибные колебания исследуемого образца 1 посредством насадки 2. Снятый электромагнитным датчиком 6 сигнал поступает на вход полнодуплексной звуковой платы ПК 5 и проводится обработка данных посредством специальной программы. На экран монитора 7 выводится амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) образца. Анализ АЧХ позволяет определить спектр колебаний данного образца. На электромагнитный вибратор 4 подается гармонический сигнал заданной частоты (соответствующей исследуемой спектральной составляющей) с выхода полно дуплексной звуковой платы ПК 5. Таким образом, возбуждаются установившиеся механические колебания образца, затем прекращаем подачу сигнала и образец переходит в режим затухающих колебаний. Снятый электромагнитным датчиком 6 сигнал поступает на вход полнодуплексной звуковой платы ПК 5 и проводится обработка данных посредством специальной программы. На экран монитора 7 выводится кривая затухающих колебаний образца (рис. 3). Анализ затухающих колебаний позволяет определить амплитудные значения виброперемещений (A) и декремент колебаний  для j-ой собственной частоты [1, 2].
С целью исследования потерь энергии в опорах или невозможности реализации точечного крепления образца можно изменять граничные условия (схему закрепления образца) и повторить представленный выше алгоритм. На рис. 2 представлен образец, один конец которого защемлен с помощью специального зажимного устройства, а на другом конце закреплена насадка 2 из «мягкой» стали с внутренним диаметром, подогнанным по диаметру образца.
Данный способ реализован в лабораторных условиях. В качестве испытуемых образцов использовались цилиндрические образцы из древесины различных пород и некоторых пластмасс (оргстекло, текстолит, полистирол и др.). Сравнение экспериментально полученных логарифмических декрементов со значениями логарифмических декрементов, полученным по литературным данным, подтвердило достоверность получаемых при осуществлении изобретения результатов.
Литература
1. Вибрации в технике: Справочник в 6 т./ Колебания линейных систем/ Под редакцией Болотина В.В. - М.: Машиностроение, 1978. - Т. 1. - 352 с.
2. Курс теоретической механики: Учебник для вузов/ В.И. Дронг, В.В. Дубинин, М.М. Ильин и др.; Под общ. ред. К.С. Колесникова - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 736 с.