УСТРОЙСТВО БЕСКОНТАКТНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
DEVICE OF CONTACTLESS EXCITATION OF THE MECHANICAL VIBRATIONS

Область применения устройства бесконтактного возбуждения механических колебаний - определение основных динамических характеристик конструкций при проведении наземных частотных испытаний (НЧИ) в авиастроении, ракетостроении, транспортном машиностроении, судостроении, приборостроении и др.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для обеспечения заданного внешнего воздействия в виде гармонических, случайных, импульсных и других видов колебаний на объект испытаний и обеспечения необходимых граничных условий при измерениях динамических характеристик механических конструкций путем проведения наземных частотных испытаний (НЧИ). Главной задачей НЧИ является определение основных динамических характеристик - спектра собственных частот (в заданном частотном диапазоне), форм, коэффициентов демпфирования и обобщенных масс собственных тонов. Цель НЧИ заключается в создании частотного паспорта (свидетельства), верификации и коррекции расчетной динамической схемы испытываемой конструкции или ее агрегатов, сравнении динамических характеристик натурной конструкции и ее модели, контроль соответствия характеристик материалов и конструкций заданным требованиям (Карклэ П.Г., Малютин В.А., Мамедов О.С., Поповский В.Н., Смыслов В.И., Смотров А.В. О современных методиках наземных испытаний самолетов в аэроупругости. - Труды ЦАГИ, вып. 2708, 2012. - С. 1-34).
При проведении НЧИ специалисты исследовательских предприятий и организаций высокотехнологичного комплекса, как правило, для возбуждения колебаний используют набор возбудителей вибрации электродинамического типа с постоянным полем - набор силовозбудителей с различными значениями динамической силы. Усилие от силовозбудителя на объект испытаний передается при помощи специальной тяги с упругим шарниром, которая непосредственно крепится на испытываемой конструкции в выбранной точке (Микишев Г.Н., Рабинович Б.И. Динамика тонкостенных конструкций с отсеками, содержащими жидкость. - М.: Машиностроение, 1971. - С. 352-356; Shaker excitation tutorial. Considerations and Problems. Young Engineer's Program -IMAC 2001. - Structural Dynamics Research Laboratory. University of Cincinnati (Cincinnati, Ohio 45221-0072 USA), 2001. - C. 20, 25).
Основные недостатки методов, при которых силовозбудитель крепится на испытываемой конструкции или подвижный элемент силовозбудителя соединен с конструкцией:
- влияние присоединенной массы подвижного узла силовозбудителя, что искажает (как правило, в сторону уменьшения) значение определяемых частот собственных колебаний,
- воздействие тяги силовозбудителя на испытываемую конструкцию, которое заключается в добавочной динамической жесткости, обусловленной как жесткостью самой тяги, так и действием индукционного сопротивления электромагнитной системы силовозбудителя, включающей магнит, магнитопровод и подвижную катушку.
Эти обстоятельства накладывают ограничения не только на массогабаритные параметры объектов испытаний, но и затрудняют определение динамических характеристик нежестких конструкций.
Задача по обеспечению приемлемых граничных условий при проведении экспериментов по определению динамических характеристик малогабаритных, легких и нежестких элементов механических конструкций, в результате решения которой будут устранены влияния добавочных массы, жесткости и демпфирования от силовозбудителя, сводится к поиску конструктивных решений по бесконтактному возбуждению колебаний.
Известны основные три класса устройств бесконтактного возбуждения механических колебаний, которые кратко описанные ниже.
th
Во-первых, бесконтактные электромагнитные вибраторы, которые, например, применяют в экспериментах, где сама испытываемая конструкция или поверхностный слой ее обладают хорошей электрической проводимостью. Конструкция с проводящим поверхностным слоем размещается в области, где переменное электромагнитное поле, созданное внешней, установленной на некотором расстоянии от объекта испытаний (обычно 1,0-3,0 мм), катушкой индуктивности, приводит к возникновению механического резонанса, вызывающего колебания испытываемой конструкции (Bad М., Ferrari V., Marioli D. Contactless excitation of MEMS resonant sensors by electromagnetic driving. - Proceedings of the COMSOL Conference 2009 Milan (14-16 October 2009, Milan, Italy), 2009 [Электронный ресурс] URL: https://www.comsol.ru/paper/download/44961/Bau.pdf (дата обращения: 20.10.2017); Brennan S.M., Bronowicki A.J., Ryan P.J., Simonian S.S., Hurst W.E., McMonagle R., Sweeney R.J. (Northrop Grumman Space Technology). Control Structure Interaction Testbed: Passive Isolation, Simulation & Test. - AIAA 2006-1834. - Proceeding of 47 AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference (1-4 May 2006, Newport, Rhode Island), 2006. - C. 1-17).
Основной недостаток такой конструктивной реализации бесконтактного способа создания внешнего силового воздействия на испытываемую конструкцию - требование наличия у нее электропроводящей поверхности в месте приложения силы.
Во-вторых, пневматические возбудители механических колебаний, в которых непрерывный поток сжатого воздуха, проходящего, например, в специальной цилиндрической камере через перфорированный вращающийся диск, преобразуется в пульсирующую воздушную струю, при этом частота пульсаций этой струи регулируется угловой скоростью вращения перфорированного диска (Di Maiol D., Magil F. Endurance tests performed using contact and contactless excitation methods: application to composites components. - Dynamic environmental testing. Proceedings of ISMA2014 including USD2014, 2014. - C. 753-766 или [Электронный ресурс] URL: http://past.isma-isaac.be/downloads/isma2014/papers/isma2014_0668.pdf (дата обращения: 20.10.2017)).
Среди основных недостатков этих устройств-аналогов можно указать следующие:
- требование наличия либо магистрали сжатого воздуха в месте проведения испытаний, либо присутствия емкости, содержащей сжатый воздух - газгольдера,
- громоздкость устройства пневматического возбуждения механических колебаний,
- ограниченный сверху диапазон частот возбуждающей силы (определяется как скоростью вращения перфорированного диска, так и сжимаемостью воздуха), обычно до 100 Гц.
В-третьих, акустические возбудители колебаний, где основой является громкоговоритель. Такой подход к решению поставленной задачи по исключению влияния добавочных массы, жесткости и демпфирования от силовозбудителя на измеряемые характеристики наиболее распространен из-за кажущейся простоты технической реализации. Этот класс устройств бесконтактного возбуждения механических колебаний можно разделить на три типа по сложности практической реализации и конструктивного исполнения, то есть оснащенности источника акустического сигнала - громкоговорителя дополнительными принадлежностями, приспособлениями, устройствами, приборами и прочим (Алдошина И.А. Электродинамические громкоговорители. - М.: Радио и связь, 1989. - 272 с.; Куценко А.Н., Раскита М.А. Методическое пособие по курсу «Электроакустика и звуковое вещание». Часть 1 «Громкоговорители». - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. - 103 с.):
1) Акустические возбудители, представляющие собой собственно одиночный громкоговоритель (звукоизлучающий динамик или по ГОСТ 16122-87 - головку громкоговорителя), лицевая сторона диффузора которого размещена в непосредственной близости от поверхности испытываемой конструкции. Примером, могут служить многолетние и многочисленные эксперименты зарубежных ученых и инженеров (например, Cawley Р. Defect location in structures by vibration technique. Dissertation. - Department of Mechanical Engineering. Bristol University, 1978. - C. 30-33; Parloo E. Application of frequency-domain system identification techniques in the field of operational modal analysis. Dissertation. - Faculteit Toegepaste Wetenschappen, Vrije Universiteit Brussel, Belgium, 2003. - C. 91-95, 220-222; Stults J.A. Computational Aeroelastic Analysis of Micro Air Vehicle with Experimentally Determined Modes. Thesis. Paper AFIT/GAE/ENY/05-M23 - Department of the Air Force. Air University. Air Force institute of Technology. Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, 2005. - C. 17-25).
К недостаткам таких устройств-аналогов можно отнести следующие:
- коэффициент полезного действия (КПД) звукоизлучающего динамика составляет всего 1-2%,
- конструкция одиночного громкоговорителя не позволяет сформировать заданную характеристику направленности излучения, что может привести к невозможности возбуждения всех тонов собственных колебаний испытываемой конструкции в интересующем диапазоне,
- одиночный громкоговоритель неприспособлен конструктивно к применению в составе штатного набора оборудования и приспособлений, предназначенного для выполнения НЧИ.
2) Акустические возбудители, представляющие собой акустические системы (содержат один или несколько громкоговорителей, фильтры, корпус и другие части), предназначенные для качественного воспроизведения музыки, так называемые «звуковые колонки» (Vanwalleghem J., De Baere I., Loccu-fier M., Van Paepegem W. Practical aspects in measuring vibration damping of materials (Paper Ref: 2762). - Proceeding of 15th International Conference on Experimental Mechanics - ICEM 15 / Editors: J.F. Silva Gomes and Mario A.P. Vaz (Porto, Portugal, 22-27 July 2012), 2012. - C. 1-10; Herlufsen H.,  Operational Modal Analysis of a Wind Turbine Wing using Acoustical Excitation. - Application note BO 0500-11, 02/2002. - Denmark:  - C. 1-8;  F.,  Hagara M. Results and Experiences from the Application of Digital Image Correlation in Operational Modal Analysis. - Acta Poly-technica Hungarica, Vol. 10, No. 5, 2013. - C. 159-174).
Недостатками акустических систем как устройств бесконтактного возбуждения механических колебаний также являются: широкая направленность излучения, что приводит к возбуждению широкого спектра тонов собственных колебаний испытываемой конструкции, и не приспособленность конструкций известных акустических систем к применению в составе штатного набора оборудования и приспособлений, предназначенного для выполнения НЧИ.
st
3) Акустические возбудители, представляющие собой особым образом сконструированные устройства, источником звука в которых служит бескорпусный (одиночный громкоговоритель) или заключенный в корпус громкоговоритель (акустическая система). При этом излучаемая громкоговорителем звуковая волна, создающая внешнюю возбуждающую силу, проходит через специальное приспособление, придающее ей требуемые разработчиком свойства (Vuye С. Measurement and modeling of sound and vibration fields using a scanning laser Doppler vibrometer. - Faculteit Ingenieursweten-schappen, Vrije Universiteit Brussel, Belgium, 2011 - C. 26-27; Marquez-Chisolm D.J. Natural frequencies and mode shapes of a nonlinear, uniform cantilevered beam. Thesis. Paper AFIT/GAE/ENY/06-S06 - Department of the Air Force. Air University. Air Force Institute of Technology. Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, 2006. - C. 16-19), например, способность точечно воздействовать на выбранное место испытываемой конструкции (Garcia Lopez J.F., Knechten Т., Pluym L., Kazanci Deblauwe M.V., Tekeli A. Contactless acoustic excitation for experimental modal analysis in composite components. - Proceeding of the 21 International Congress on Sound and Vibration - ICSV21 (13-17 July 2014, Beijing, China), 2014. - C. 1-8).
Основной недостаток этих устройств - требование наличия специальной стойки, к которой крепится звукоизлучающее сопло (рупор), что затрудняет размещение бесконтактного силовозбудителя при создании испытательного стенда НЧИ, требует использования грузоподъемной техники или дополнительных специальных приспособлений, то есть указанные устройства-аналоги бесконтактного возбуждения механических колебаний не приспособлены к применению в составе штатного набора оборудования и приспособлений, предназначенного для выполнения НЧИ.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство бесконтактного возбуждения механических колебаний, обеспечивающее точечное возбуждение колебаний исследуемой конструкции (Gunawan L. Experimental Study of Nonlinear Vibrations of Thin-walled Cylindrical Shells. Proefschrift. - Faculty of Aerospace Engineering, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands, 1998. - C. 41-56). Данное устройство представляет собой громкоговоритель ∅0250 мм, снабженный рупором, представляющим собой конус длиной 490 мм с образующей линией экспоненциальной формы; к узкой части рупора присоединено цилиндрическое сопло, свободный конец которого располагается на расстоянии 25 мм от возбуждаемой поверхности испытываемой конструкции; причем рупор широкой частью закреплен на корпусе акустической системы, то есть громкоговоритель заключен в замкнутый прямоугольный деревянный корпус, изнутри выстланный виброгасящим материалом, а диффузор громкоговорителя имеет форму прямого конуса.
Основные недостатки устройства-прототипа:
- неприспособленность к применению в условиях НЧИ, например, отсутствие механического сопряжения с применяемыми в штатных НЧИ приспособлениями, предназначенными для крепления устройств возбуждения колебаний (цапфы, стойки сейсмического подвеса (так называемые «кроватки»), регулируемыми по высоте стойками для установки силовозбудителей под изделие и прочее),
- не полное акустическое согласование громкоговорителя, как резонатора, с открытым пространством выходного отверстия экспоненциального рупора, что может привести к возникновению биений и нелинейных искажений звуковой волны, которая должна возбуждать колебания испытываемой конструкции,
- нижняя граница рабочего диапазона частот (частота среза) равна 280 Гц, что не позволяет возбуждать собственные (резонансные) частоты у широкого класса элементов конструкций, например, лопастей винтов летательных аппаратов и их моделей, низшие собственные частоты которых лежат в диапазоне 5-15 Гц.
Техническим результатом предложенного изобретения является максимальная приспособленность применения (механическое сопряжение) устройства бесконтактного возбуждения механических колебаний штатному набору оборудования и приспособлений, предназначенному для выполнения НЧИ, в первую очередь - наличие возможности закрепления разработанного устройства в цапфе силовозбудителя, а также удобство транспортировки устройства (в том числе в собранном виде) и обращения с ним при сборке, наладке испытательного стенда, его демонтаже, что определяется небольшими массогабаритными параметрами разработанного устройства, сокращение затрат на испытательное оборудование и снижение трудоемкости НЧИ.
Техническим результатом также является расширение номенклатуры применяемых громкоговорителей (наличие или отсутствие у них корпуса, формы их диффузоров, размеров внешнего диаметра громкоговорителя) и снижения нижней границы рабочего диапазона рабочих частот; лучшее акустическое согласование громкоговорителя, как резонатора, с открытым пространством выходного отверстия рупора.
Технический результат достигается тем, что в устройстве бесконтактного возбуждения механических колебаний, содержащем громкоговоритель и рупор, поверхность рупора представляет собой криволинейную поверхность постоянной отрицательной кривизны с образующей линией в форме трактрисы, рупор широкой частью закреплен на корпусе громкоговорителя, узкая часть рупора плавно переходит в цилиндрическое сопло, направленное на возбуждаемую поверхность, а соотношение длины рупора к диаметру громкоговорителя находится в пределах 1,4-1,6, причем громкоговоритель закреплен на регулируемой по высоте стойке с возможностью поворота относительно вертикальной и горизонтальной осей.
Поверхность рупора представляет собой псевдосферу Лобачевского.
Сущность изобретения поясняется фигурами, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 представлен эскиз рупора, поверхность которого представляет собой криволинейную поверхность постоянной отрицательной кривизны с образующей линией в форме трактрисы.
На фиг. 2 приведено схематическое изображение основных элементов предлагаемого устройства в одном из допустимых вариантов технической реализации его закрепления на регулируемой по высоте стойке с возможностью поворота относительно вертикальной и горизонтальной осей.
На фиг. 3 показана фотография одного из возможных вариантов применения устройства бесконтактного возбуждения механических колебаний.
Для бесконтактного возбуждения колебаний испытываемой конструкции разработанное устройство (фиг. 2), например, содержащее одиночный громкоговоритель 1, закрепленный в кольцевом фиксаторе 2 болтовым соединением 3, причем кольцевой фиксатор с двух сторон снабжен валами 4, которые зажаты болтами 5 в позволяющей фиксатору с громкоговорителем поворачиваться вокруг горизонтальной оси штатной цапфе 6 силовозбудителя; цапфа может быть вывешена на грузоподъемном механизме или привинчена к площадке регулируемой по высоте стойки 7, с возможностью громкоговорителя 1, установленного в фиксаторе 2, поворачиваться вокруг вертикальной оси; штатная стойка при этом представляет собою оснащенную телескопическими 10
опорами треногу 8, снабженную регулирующим колесом 9 для подбора требуемой высоты подъема штока стойки 10, причем на лицевой стороне корпуса громкоговорителя 1 закреплен рупор 11 болтами 12. Рупор 11 широкой частью закреплен на корпусе громкоговорителя 1, узкая часть рупора 11 плавно переходит в цилиндрическое сопло, направленное на возбуждаемую поверхность. Соотношение длины рупора 11 к диаметру громкоговорителя 1 находится в пределах 1,4-1,6.
Рупор представляет собою оболочку в форме псевдосферы Лобачевского (фиг. 1), то есть криволинейную поверхность постоянной отрицательной кривизны (Игнатьев Ю.Г. Дифференциальная геометрия кривых и поверхностей в евклидовом пространстве. Учебное пособие. IV семестр. - Казань: Казанский университет, 2013. - С. 179-187; Kolbrek В. Horn Theory: An Introduction, Part 2. - AudioXpress (www.audioXpress.com), 2008. - С. 3), получающуюся при вращении трактрисы вокруг оси симметрии громкоговорителя, при этом достигается акустическое согласование громкоговорителя, как резона-тора, с открытым пространством выходного отверстия рупора, из которого звуковая волна без биений и нелинейных искажений возбуждает колебания испытываемой конструкции.
В представленном на фиг. 3 варианте применения устройства бесконтактного возбуждения механических колебаний использована штатная цапфа силовозбудителя Prodera ЕХ58 (Exciter ЕХ58. Data sheet №94/1005-b. -Vibration shakers [Электронный ресурс] URL: http://www.prodera.com/uk/amplificateur.htm (дата обращения: 26.03.2009)). При применении громкоговорителей иных размеров могут быть использованы цапфы других силовозбудителей либо изготовлены, удовлетворяющие описанным выше условиям.
При проведении НЧИ для возбуждения колебаний предлагаемое устройство располагают в непосредственной близости от испытываемой конструкции, направив сопло в выбранную точку поверхности.
В транспортном положении разработанное устройство отсоединяют от цапфы и помещают в отдельный ящик. Благодаря небольшим габаритам устройства бесконтактного возбуждения механических колебаний, такая упаковка является одним багажным местом.
Существенные особенности (отличительные признаки) заявляемого изобретения были реализованы в конкретном устройстве, эксплуатируемом в ФГУП «ЦАГИ», при помощи которого проведен ряд экспериментов по определению динамических характеристик следующих конструкций:
- силовая композитная балка пола фюзеляжа перспективного российского ближне-среднемагистрального пассажирского самолета,
- серия саблевидных лопастей модели 8-ми лопастного воздушного винта перспективного авиационного двигателя,
- конструктивно подобная модель руля изделия Х-22,
- комплект крупномасштабных моделей-демонстраторов (полноразмерных) лопастей рулевого винта вертолета.
Итогом опытной эксплуатации разработанного устройства стало подтверждение вышеуказанных технических результатов.