СПОСОБ ИНДИКАЦИИ РЕЗОНАНСНЫХ ЧАСТОТ
INDICATION METHOD FOR RESONANT FREQUENCIES

Изобретение относится к области измерительной техники, а конкретно к устройствам определения резонанса конструкции для выбора режима испытаний на вибропрочность, виброустойчивость и выбора дальнейших конструктивных решений.
Резонансной частотой конструкции является частота колебаний при условии, что частота возбуждающей системы совпадает с собственной частотой конструкции.
Классический метод определения резонансных частот заключается в установке на исследуемый объект пьезоэлектрических датчиков и анализ их сигналов по амплитуде. Недостаток этого метода заключается в том, что закрепленные датчики имеют массу, что вводит порой значительные искажения в их показания при установке на малогабаритные изделия, такие как микросхемы или транзисторы.
Известен способ определения резонансных частот конструкции (патент №US 5883715, 1999 г., патентообладатель BOSCH GMBH ROBERT), который реализуется устройством, состоящим из полупроводникового лазера, оптической системы, необходимой для формирования изучения и приема отраженного оптического сигнала. Гетеродинование отраженного сигнала с лазерным излучением и выделение разностного сигнала, пропорционального амплитуде вибрации точки, на которую падает излучение, позволяет определить критическую частоту.
К достоинствам способа следует отнести бесконтактное дистанционное измерение перемещений (вибрации) контролируемой точки поверхности, на которую падает лазерное излучение. Недостатком является очень высокая стоимость и относительно низкий динамический диапазон входного сигнала, а также большое время измерения.
1
2
1
1
1
2
Известен способ определения резонансных частот с использованием стробоскопа «Генкина М.Д. Вибрация в технике. Измерение и испытания. В 6-ти томах. Том 5. «Машиностроение», - М., 1981 г., стр. 125-126». Для решения такой проблемы существует установка, принцип действия которой основан на стробоскопическом эффекте, т.е. при циклическом перемещении объекта с частотой f в определенный момент времени происходит вспышка света с частотой f=f+4 Гц, где f - частота предполагаемого резонанса, при наличии резонанса, когда f=f оптически видны высвечиваемые стробоскопом штрихи частотой приблизительно 4 Гц. Недостаток метода заключается в том, что при небольшой амплитуде визуально трудно определить момент возникновения резонанса и оценить его характер.
Наиболее близким, взятым в качестве прототипа, является способ определения резонансных частот (патент №2377509, 2008 г., патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет), заключающийся в закреплении объекта контроля на подвижной части вибростенда, которая приводится в колебательное движение с переменной частотой, и направлении на него излучения от источника света. Момент резонанса фиксируется по максимальной величине ширины линии, отраженной от объекта контроля. Недостатком известного способа является недостаточная точность и сложность используемой конструкции, которая должна иметь отражательную способность.
Задачей предлагаемого способа является повышение точности определения резонансных частот конструкции за счет улучшения разрешающей способности метода определения резонансных частот конструкции.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе измерения резонансных частот, заключающемся в закреплении объекта контроля на подвижной части вибростенда, которая приводится в колебательное движение с переменной частотой, и направлении на него излучения от источника света, согласно заявленному решению, на объект контроля направляют излучение от трех источников света: красного, синего и зеленого, с образованием при их смешении белого света, которым освещается объект контроля, причем один источник света, например зеленый, подключают к источнику постоянного тока, а на остальные источники света подают стробирующие импульсы, затем, изменяя частоту вибрации подвижной части вибростенда, визуально фиксируют момент резонанса по появлению на объекте контроля разноцветных полос.
Технический результат заявленного решения достигается за счет того, что в стробоскопическом свете, направленном на объект контроля от источников разного цвета, при совпадении резонансной частоты объекта контроля и частоты механических колебаний вибростенда, наблюдается разделение одной полосы белого цвета на три полосы разных цветов: красного, синего и зеленого. Визуально наблюдаемые оптические эффекты, представляющие устойчивые разноцветные полосы, позволяют с большой точностью фиксировать момент резонанса.
Заявленное решение характеризуется высокой разрешающей способностью определения резонансных частот конструкции и низкой стоимостью по сравнению с известными методами.
Заявленное решение поясняется графическими материалами, где:
На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства, реализующего заявленный способ.
В качестве дополнительных материалов, иллюстрирующих заявленное решение, представлены фотографии проведенного эксперимента.
На фиг. 2 показан начальный период измерений.
На фиг. 3 показан момент резонанса.
На фиг. 4 показан экран осциллографа.
Установка для реализации способа содержит вибростенд 1 и систему управления вибростендом 2. На подвижной части вибростенда 1 закреплен исследуемый объект 3 (объект контроля). Перед объектом контроля 3 установлены три светодиода: светодиод красного цвета 4, светодиод синего цвета 5 и светодиод зеленого цвета 6. Светодиод красного цвета 4 соединен с генератором стробирующих импульсов 7, светодиод синего цвета 5 соединен с генератором стробирующих импульсов 8, а светодиод зеленого цвета 6 соединен с источником постоянного тока 9. Установка содержит 4-канальный цифровой осциллограф 10, по входам соединенный с системой управления вибростендом 2, с генератором стробирующих импульсов 7 и с генератором стробирующих импульсов 8.
Предложенный способ измерения резонансных частот заключается в следующем: объект контроля 3 закрепляется на подвижной части вибростенда 1, которая приводится в колебательное движение с переменной частотой. На объект контроля 3 направляют излучения от трех источников света: светодиода красного цвета 4, светодиода синего цвета 5 и светодиод зеленого цвета 6. В начале работы все три источника света настраиваются таким образом, чтобы при смешении трех цветов исследуемый объект подсвечивался белым цветом. При этом светодиод зеленого цвета 6 подключают к источнику постоянного тока 9, и он горит постоянно, а на светодиод красного цвета 4 и на светодиод синего цвета 5 подают стробирующие импульсы длительностью примерно 1/20 от периода сигнала, подаваемого на вибростенд 1. Затем начинают повышать частоту вибрации подвижной части вибростенда 1. При вхождении конструкции в резонанс на объекте контроля появляются красные, синие и зеленые полосы. За счет разницы цветов более четко видна амплитуда перемещения. Момент резонанса визуально фиксируют по появлению на объекте контроля разноцветных полос.
Для эксперимента на вибростенде 1 консольно закрепляется отрезок медного провода, после чего установка включается в режиме сканирования по частоте. При этом генератором можно подстраивать стробирующие импульсы под сигнал, подаваемый на вибростенд 1 и наблюдать их на осциллографе 10.
Для оценки пригодности использования заявленного дистробоскопического метода произведена оценка погрешности определения резонансной частоты. Для этого теоретически рассчитывают первую собственную частоту консольного прямолинейного жесткого стержня с жесткой заделкой левого конца. Для расчета используют формулу (1). Форма колебаний для этого случая представлена на фиг. 2.
Формула для определения первой собственной частоты консольного прямолинейного жесткого цилиндрического стержня с жесткой заделкой левого конца:
ст
где L=98 мм - длина стержня;
ст
D=1,3 мм - диаметр стержня;
Е=110 ГПа- модуль Юнга для меди;
3
ρ=8,92 г/см - плотность меди.
<mrow><msubsup><mtext>f</mtext><mtext>p</mtext><mtext>I</mtext></msubsup><mo>=</mo><mn>66</mn><mtext> Гц</mtext></mrow>
Расчетное значение резонансной частоты
.
<mrow><msubsup><mtext>f</mtext><mtext>и</mtext><mtext>I</mtext></msubsup><mo>=</mo><mn>60</mn><mtext> Гц</mtext></mrow>
Измеренное значение составляет
.
Далее определяют относительную погрешность измерения [4] первой собственной частоты по формуле (2)
Из расчетов видно, что дистробоскопический метод имеет большие преимущества и низкую стоимость по сравнению с другими методами, представленными в ГОСТ 20.57.406-81. Очень интересным представляется вариант объединения данного метода с распространенными пакетами компьютерного моделирования. В этом случае становится возможным сравнивать экспериментально полученные значения собственных частот различных конструкций и рассчитанные в программе, например, методом конечных элементов. На основе проведенного сравнения можно выбирать наиболее устойчивую к вибрации конструкцию того или иного узла. Также метод, при соответствующей модернизации, может быть использован для поиска слабых мест в уже изготовленных изделиях, так как наличие резонанса и его вид будет определятся по изменению цвета исследуемой области, что очень легко зафиксировать.
Заявленный способ определения резонансных частот конструкции обладает высокой разрешающей способностью, прост в применении и имеет низкую стоимость по сравнению с другими методами.