УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗВУКОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области испытания звукоизоляционных материалов, а более конкретно - к устройствам для исследования и определения динамических характеристик звукоизоляционных материалов при статических нагрузках и вибрационном воздействии, и может быть использована для определения динамического модуля упругости и коэффициента потерь при разных по величине статических нагрузках.
Известно устройство для измерения динамических характеристик звуко- и виброизоляционных материалов по авт. св. СССР №538287, МПК G01N 29/00. Устройство содержит виброгенератор с силовой обмоткой и опорную плиту, которые жестко закреплены на неподвижном основании. Устройство содержит также пригруз для прижатия исследуемого образца к опорной плите. Пригруз с помощью толкателя из ферромагнитного материала связан с виброгенератором. Вокруг толкателя в опорной плите расположена дополнительная электрическая обмотка, подключенная к обмотке виброгенератора через переменный резистор и электрический вентиль. Кроме этого, на пригрузе установлен контрольный виброприемник, соединенный с осциллоскопом. За счет устранения несимметричности амплитуд возбуждаемых колебаний повышается точность измерения динамических характеристик. Недостатком является то, что измерение динамических характеристик данным устройством ограничено, поскольку статическое и динамическое воздействия на исследуемый образец взаимосвязаны, разделить их невозможно. Для изменения величины статической нагрузки необходимо замена пригруза, которая усложнена в данном устройстве.
Известны устройство для определения динамических характеристик эластомеров по патенту на полезную модель RU 158443, опубл. 10.01.2016, и устройство для реализации способа определения динамических характеристик эластомеров по патенту на изобретение RU 12557321, опубл. 10.02.2015. Оба этих устройства направлены на расширение возможностей измерения динамических характеристик материала. Такое расширение обеспечивается изменение и фиксацией угла наклона испытуемого образца к поверхности столика вибратора. Устройства, предназначенные для этих целей, содержат вибратор, на столике которого установлен исследуемый материал, расположенный между двумя металлическими пластинами и склеенный с ними. Сверху закреплен груз. Устройства имеют также приспособления для изменения и фиксации угла наклона исследуемого образца материала. Однако, для изменения статической нагрузки груз необходимо менять и заново закреплять на держателях исследуемого образца.
Стандартная методика и устройство для определения динамических характеристик звукоизоляционных материалов описана в ГОСТ 16297-80 «Материалы звукоизоляционные и звукопоглощающие. Методы испытаний». Принцип измерений основан на формировании колебательной системы с одной степенью свободы, для которой по частоте собственных колебаний определяется продольная жесткость образца исследуемого материала.
Установка для определения динамического модуля упругости и коэффициента потерь согласно п. 2.2.8 указанного ГОСТа содержит электродинамический вибратор, на столике которого установлен испытуемый образец. Сверху образца установлен груз, на котором закреплен акселерометр, второй акселерометр соединен со столиком вибратора. В состав установки входят также измерительные усилитель и генератор, усилитель мощности и виброизмеритель.
Согласно схеме испытаний, проводимых на установке, динамические характеристики звукоизоляционных материалов зависят от прикладываемой статической нагрузки. Нагрузка зависит от массы пригруза, увеличение же массы пригруза увеличивает и динамическое воздействие на исследуемый материал. Кроме того, электродинамические возбудители колебаний имеют недостаточную мощность для измерений с пригрузами большой массы. Поэтому методика испытаний материалов и сама установка требуют усовершенствования.
Известен испытательный стенд для определения динамического модуля упругости и коэффициента потерь при больших статических нагрузках (Овсянников С.Н., Скрипченко Д.С. «Исследование звукоизоляционных свойств материалов при различных статических нагрузках», УДК 699.842, «Технология текстильной промышленности», №4(364), 2016, рис. 2 с. 41-42). Этот стенд наиболее близок заявляемой установке и принят за прототип. Стенд по прототипу содержит электродинамический вибратор LDS типа V406 и прессовое оборудование (испытательный пресс). Электродинамический вибратор установлен вертикально на нижней рабочей поверхности испытательного пресса. Образцы исследуемого материала размещают под верхней рабочей плитой испытательного пресса на столике электродинамического вибратора, приводимого в движение вибровозбудителем. В состав стенда входят пригруз для исследуемого образца и два акселерометра типа 4533-В. Один акселерометр закреплен на пригрузе для исследуемого образца материала, а другой - на столике электродинамического вибратора. Установку пригруза и образцов исследуемого материала производят через упругие опорные вставки. В состав стенда входят также измерительные тракты, предназначенные для соединения акселерометров с усилителем мощности, управляющим блоком и компьютером. Стенд позволяет проводить измерения при различных статических нагрузках за счет использования прессового оборудования. Однако совместное воздействие статической нагрузки и вибрационной создает в образце вынужденные колебания и не позволяет поддерживать постоянную амплитуду виброускорения столика электродинамического возбудителя колебаний. В результате снижается точность и достоверность результатов испытаний.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, заключается в том, чтобы путем усовершенствования конструкции устройства для исследования динамических характеристик разделить статическое и динамическое воздействия на исследуемый образец, и тем самым обеспечить их независимость друг от друга.
Решение технической проблемы позволяет повысить точность и достоверность испытаний.
Проблема решена следующим образом.
Заявляемая установка для исследования динамических характеристик звукоизоляционных материалов, как и прототип, содержит испытательный пресс и электродинамический вибратор. Столик электродинамического вибратора, связанный с вибровозбудителем, как и в прототипе установлен под верхней рабочей плитой испытательного пресса. В состав установки входят также пригруз для образца исследуемого материала и два акселерометра, один из которых соединен со столиком вибратора, а другой - с пригрузом. Для соединения акселерометров с усилителем мощности, управляющим блоком и компьютером имеются измерительные тракты.
В отличие от прототипа электродинамический вибратор в заявляемой установке установлен горизонтально и последовательно с испытательным прессом, а его столик установлен непосредственно на нижней рабочей плите испытательного пресса и связан с вибровозбудителем вибратора с помощью горизонтального штока.
Поскольку электродинамический вибратор и испытательный пресс установлены отдельно друг от друга, а столик вибратора установлен между плитами испытательного пресса, исключаются вынужденные колебания, возникающие при совместном (одновременном) воздействии статической нагрузки (от испытательного пресса) и вибрационной (от вибратора). В результате повышается точность исследований.
На чертеже приведена конструктивная схема заявляемой установки.
Установка содержит электродинамический вибратор 1, установленный горизонтально и последовательно с испытательным прессом на единой платформе 2. Через прокладочный материал 3 между верхней плитой 5 и нижней плитой 6 пресса размещают исследуемый материал 4. Установка включает измерительные тракты 7, которые предназначены для соединения акселерометра 8 с усилителем мощности 9, управляющим блоком 10 и персональным компьютером 15. На пригрузе 11 установлен акселерометр 8. Второй акселерометр 12 закреплен на столике 14 вибратора 1. Акселерометры 8, 12 с помощью измерительных трактов 7 соединены с усилителем мощности 9, управляющим блоком 10 и персональным компьютером 15. Столик 14 вибратора 1 связан с вибровозбудителем вибратора 1 с помощью удлиненного горизонтального штока 13.
Испытания на заявляемой установке показаны на конкретном примере. Были исследованы образцы звукоизоляционных материалов изготовленных как местными, так и иностранными производителями. Резонансная частота для испытанных образцов установлена в диапазоне 10-200 Гц. В качестве электродинамического вибратора 1 был использован вибратор LDS V406. В качестве усилителя мощности 9 - усилитель РА100Е. Были также использованы управляющий блок (10) LASER LDS Dactron, акселерометры (8, 12) - 4533-В и прессовое оборудование - ПМ-10 МГ-4. Исследуемые образцы выдерживались в испытуемом помещении на протяжении 3 часов. Затем подготовленные образцы исследуемого материала 4 устанавливали на столик 14 вибратора 1 на равных расстояниях друг от друга и так, чтобы расстояние до края столика 14 составляло 10 мм. Затем устанавливали пригруз 11 массой М на образцы так, чтобы центр тяжести пригруза 11 совпал с геометрическим центром столика 14 вибратора 1.
Установку необходимо включать, предварительно установив на усилителе мощности 9 режим автоматического поддержания амплитуды с помощью управляющего блока 10. Устанавливают колебания столика вибратора 14 частотой 5 Гц и амплитуду виброускорения пригруза. Первое испытание выполняют с целью стабилизации внутренних напряжений в материале под заданной статической нагрузкой. Через 15 минут после проведения первого испытания проводили серию измерений одного и того же исследуемого материала 4.
По результатам испытаний определяли среднеарифметическую резонансную частоту. Используя математический аппарат, представленный ниже, определяются значения динамического модуля упругости и коэффициента потерь.
Уравнение амплитуд гармонических сил, действующих на пригруз, имеет вид:
2
где М - масса пригруза, Нс/м;
2
- амплитуда виброускорения пригруза, м/с;
2
x - амплитуда смещения пригруза, м;
1
х - амплитуда смещения платформы ЭДВ, м;
0
k=k⋅(1+jη) - продольная комплексная жесткость образцов нижнего и верхнего уровня, Н/м,
0
где k - динамическая жесткость, которая без учета потерь определяется по формуле:
и с учетом потерь:
где М - масса пригруза;
ω - циклическая частота.
η - коэффициент потерь.
Коэффициент потерь η определяют по формуле:
2
где  - амплитуда виброускорения пригруза, м/с;
2
- амплитуда виброускорения платформы, м/с;
Динамический модуль упругости материала образцов определится по формуле:
где ƒ - резонансная частота;
М - масса пригруза;
h - высота образца под нагрузкой (м),
2
F - площадь образца (м).
Результаты испытаний разных исследуемых материалов приведены в таблице.