Способ измерения входного механического сопротивления конструкций

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании динамических характеристик различных конструкций Цель изобретения - повышение точности измерения входного механического сопротивления конструкций за счет определения viучета при вычислениях массы части электродинамического вибратора , жестко закрепленной к точке исследуемой конструкции Это достигается тем, что модуль и фазу входного механического сопротивления вычисляют по формулам , являющимися функциями модулей и фаз векторов колебательных ускорений частей вибратора, жестко установленного нормально к поверхности исследуемой конструкции/совершающих колебательное движение относительно друг друга и их масс, предварительно определяемых перед производством измерений 4 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 Н 17 /00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фч 3 чФ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4821148/28 (22) 03.05.90 (46) 30.06,92. Бюл. ¹ 24 (72) В:В.Емельянов, А.Л.Макаров, Л.Т.Макаров и М.Я.Пекельный (53) 620.178 (088.8) (56) Исследование импедансов обливки.

НИС "Испытатель", Акустический институт.

Гос/ред. х26457. — М., 1978, с.7. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВХОДНОГО МЕХАНИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исСледовании динамических характеристик различных конструкций. Цель изобретения

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения входных импедансов различных конструкций.

Известен способ измерения входного механического сопротивления посредством датчика силы и акселерометра.

Конструкция в исследуемой точке.возбуждения механическим источником колебаний (например, электродинамическим вибратором). Между источником и.точкой

: поверхности приложения динамической силы устанавливают датчик силы. Колебательную скорость в точке возбуждения измеряют акселе рометром. Входное механическое сопротивление (импеданс) определяют по формуле

2.ех = (созЛф + jsinsh,уу) (1) „„5U„„1744510 А1 — повышение точности измерения входного механического сопротивления конструкций эа счет определения и учета при вычислениях массы части электродинамического виб- ратора, жестко закрепленной к точке исследуемой конструкции. Это достигается тем, что модуль и фазу входного механического сопротивления вычисляют.по формулам. являющимися функциями модулей и фаэ векторов колебательных ускорений частей вибратора, жестко установленного нормально к поверхности исследуемой конструкции, совершающих колебательное движение относительно. друг друга и их масс, предварительно определяемых перед производством измерений. 4 ил., 1 табл. где Е,„Г модуль векторе динам илес кои силы

Р,х. действующей в точке взаимодействия вибратора с исследуемой поверхностью;

jV8xt — модуль вектора колебательной скорости Кх, измеренной в точке взаимодействия источника с иссвледуемой поверхностью, Л р- разность фаз между векторами F» Ql и Жх вава@

Недостатком данного способа является С) необходимость использования в процессе измерений датчиков силы. Опыт работы с датчиками силы показывает, что его показа-ния при производстве измерений даже в одной точке очень нестабильны, т.е. зависят от многих сопутствующих факторов. В первую очередь следует отметить влияние на показания датчика величины его статического поджатия и температуры.

Погрешность в оценке входного механического сопротивления вследствие толь1744510 ко указанной причины.(не считая даже тех погрешностей. которые вносятся вторым регистрирующим прибором — акселерометром) могут достигать ста и более процентов.

Известен способ измерения входного механического сопротивления конструкции без использования датчика силы, включающий измерение массы подвижной части электромагнитного вибратора, установку вибратора нормалью к поверхности иссле- дуемой конструкции, возбуждение колебаиий, измерение амплитуды и фазы вектора колебательного ускорения части вибратора жестко закрепленной к поверхности исследуемой конструкции, измерение амплитуды и фазы вектора колебательного ускорения подвижной части вибратора, совершающей колебательные движения относительно закрепленной части вибратора, и определение входного механического сопротивления по формуле а1 m1 %

Z» = — ® = © — п11-, (2) аг аг где 81 — вектор колебательного ускорения подвижной части электромагнитного вибратора; аг — вектор колебательного ускорения части вибратора, закрепленной к исследуемой конструкции;

m1 — масса подвижной части электромагнитного вибратора; в — круговая частота колебаний, который являясь наиболее близким к предлагаемому способу, выбран в качестве способа-прототипа.

Способ измерения входного механического сопротивления без использования датчика силы является безусловно более точным по сравнению со способом-аналогом; так как в нем ликвидируется главный источник погрешностей таких измерений— влйяние на показания датчика силы величины его статического поджатия и температуPbl..

Однако, в силу того. что при вычислении искомой величины не учитывается масса части электромагнитного вибратора, жестко закрепленного в точке исследуемой конструкции, данный способ дает неточные значения входного механического сопротивления исследуемой конструкции, особенно с повышением частотного диапазона исследования, Действительно, механическое сопротивление исследуемой конструкции представлено в виде выражения

Ф

Сэ -вх j шп1э+ - ° + Rs (3)

j 1x) (5) ГП2 — П11 — СО$ (Pà1 Pа2 ) а1

pztx = агсщ а1

m1 sm (pa1 уг ) 35 где зг уаьх — модуль и фаза входного механического сопротивления исследуемой конструкции;

m1 — масса подвижной части вибратора (например, массивный корпус), совершаю.щий колебательное движение относительно исследуемой конструкции; п12 — масса части вибратора (например, подвижный вибростержень), жестко закрепленной к поверхности исследуемой конструк ции; а1 — амплитуда вектора à1 колебательного ускорения подвижной части вибратора, совершающей колебательное движение относительно поверхности исследуемой конструкции; аг.- амплитуда вектора аг колебательного ускорения части вибратора, жестко закрепленной к поверхности исследуемой конструкции;

ГдЕ П1э, Ra И Ca — НЕКОтОрЫЕ ЭКВИВаЛЕНтНЫЕ масса, коэффициент трения и жесткость исследуемой конструкции на частоте и колебаний.

5 Неучет массы части электродинамического вибратора, жестко связанной в точке с исследуемой конструкцией, приводит к тому, что фактически измеряется величина

+А Сэ

10 . jN . ZaX = j аах(Паг+ ГПЭ) + — + RS, (4) где m2 — масса части электродинамического вибратора, жестко закрепленная к точке исследуемой конструкции.

Цель изобретения — повышение точно15 сти измерения входного. механического сопротивления конструкций за счет учета массы части электродинамического вибратора, жестко прикрепленной к точке исследуемой конструкции, 20 Указанная цель достигается тем, что, в .отличие от прототипа, кроме предварительного определения массы .подвижной части электродинамического вибратора m1дополнительно определяют массу части электро25 динамического вибратора п12, жестко прикрепленной к точке исследуемой конструкции, а входное механическое сопротивление конструкции рассчитывают по формулам

30 fZ»/=в а1 2 2 а1

"V (٠— ) +m2 — 2 пi1 вг — cos (Pa1 айаг);

1744510

В соответствии с известными положениями теории работы электродинамическо50

Рэ1, Рэг — фазы вектоРов колебательных ускорения а1 и аг соответственно.

Необходимость измерения массы части вибратора, жестко прикрепленной к исследуемой конструкции, вытекает из следующих рассуждений. 5

Пусть электродинамический вибратор, состоящий из совершающих колебательное движение одна относительно другой, соединенных между собой при помощи упругих центрирующих мембран, жестко закреплен 10 одной из этих частей к исследуемой конструкции с входным механическим сопротивлением Евх (фиг.1).

На фиг. 1 обозначены часть 1 вибратора массой m2 (например, подвижный вибро- 15, стержень), жестко закрепленная к поверхности исследуемой конструкции, часть 2 вибратора массой m1(например, массивный корпус), совершающая колебательное движение относительно поверхности исследуе- 20 мой конструкции, упругие центрирующие мемебраны 3 вибратора, исследуемая конструкция 4 Ч входным механическим сопротивлением Евх, акселерометр 5, с помощью которого измеряют колебательное ускоре-. 25 ние на поверхности исследуемой конструкции, акселерометр 6, с помощью которого измеряют колебательное ускорение части вибратора, совершающей движение относительно части вибратора, жестко закреп- 30 ленной к поверхности исследуемой конструкции.

На фиг.2 представлена расчетная механическая схема исследуемой колебательной системы, совершающей гармонические ко- 35 лебания с круговой частотой м, где тг— масса части вибратора(например, подвижный вибростержень), закрепленной к поверхности исследуемой конструкции, в1:— масса части вибратора (например, массив- 50 н ый корпус), соверш а ющий кол ебател ьное движение относительно поверхности исследуемой конструкции. Св — вибрационная жесткость центрирующих мембран вибратора, Ra — коэффициент трения центрирующих 55 мембран вибратора, m — эквивалентная масса исследуемой конструкции, Сэ — экви- . валентная жесткость исследуемой конструкции, Йэ — эквивалентный коэффициент трения исследуемой конструкции, Х2, Ч2, а2

- вектор колебательного смещения (скорбсти, ускорения инерционных масс m2 и ma, 45

Х1, Ч1, а1 — вектор колебательного смещения (скорости, ускорения) инерционной массы

m1, Fa (Fa К ) — ЭЛЕКтРОДИНаМИЧЕСКаЯ СИЛа . вибратора. го вибратора движение механической части вибратора, установленного на поверхность исследуемой конструкции с механическим сопротивлением

Сэ

Zax = !шп1э+ Рэ

j cu описывается (фиг,1 и 2) следующей системой уравнений

I-a = Fgm1) + (сь) + ЯЬ) (6) в*= F(m2)+1 (сЬ)+ 1 (сэ)+1 (сэ)+ (в)+ F(Rb)

+ (сакэ),(7)

Fa = Fi* 8) гДЕ Fa = В1Ь; F(m1) = П1 1а1, F(ca) = Св(Ч1+

+Чг);»

F(Ra) = Ra(V2+ V1) Fm2 = Юга2

F(ma) = П1э а2 (сэ) = Сэ Чг:

Г(яэ) = Ra Чг, где  — магнитная индукция;

I — общая длина проводника катушки;

la — сила тока;

Систему уравнений (6) - (8) перепишем в виде

Г = Bl Ia =.гп1 а1 + Св(Х1+ Хг) + Вв(Ч1 +

V2); (9)

Гв = В Ив =(а2 + п1э) аг+ Св(Х1+ Х2) + Ra+1

Чг) + Сэ Х2+ Ra Ч2:

Уравнение, связывающее электрические параметры подвижной обмотки вибратора с ее движением относительно корпуса вибратора, имеет вид

d Ib — + R Ia U(t) - BI(V1 + Ч2) (10)

cl t где L — индуктивность обмотки;

R — активное сопротивление обмотки;

U(t) — переменное напряжение, подава емое на обмотку.

В установившемся режиме при U(t) =

Re(0< I I ()) будут справедливы следующие соотношения

Гв= Re(Fb el(< " ); Ч1 =

Ве(Ч1 е (" Ч1)

Ч, = Re(V е) (-Re(Iso е) " )) . (1 1)

С учетом (6) системы уравнений (4) и (5) запишем в виде

Сь

Fb = В ala = J cu m1 V1 + (— + Яв)(Ч1+

j c0

) ° (12*) Fb = В бв = J и (m2 + ma)V2 + (+ Ra)

Сь

j c0

Сэ

° °

+ Ч2)+(+ э)Ч2 (12* )е

Je

U = 0 В I + R) la+ 4+ 81(Ч1+ V2);(12***)

Пользуясь системой уравнения p), легко построить электромеханическую схему работы реального вибратора, описывающую его работу как по электрической, так и по механической части одновременно (фиг.3).

1744510

/ Zbxl В (m1 ) + П11 — 2 ГЛ1 П12 () COS (а1 Pa2 ) /

Формула изобретения

Ф 4

Х(1 =„)В,;,ОХ =JN1 1в, UR=R le, Ес=

=В!(Ч1+ V2);

Сь, Сь

Xce =, F(ce) = (V1 + VZ); Р(Яв) = в JN

=Вв(Ч1 + Vz), — X(m-1) JN1; Р(1) = J В .,1Ч1: X(m2) JN m2, F(m2) J Nm2 Ч2

Сь

Zex = J N п|э + + Ra, Fex = Zex Vz

jN

)ф г if ip b

Чг=Ч2 .B,,Ч1=V1 а,lb =Ib a

Из (фиг,3) видно, что реальный вибратор, установленный на конструкцию с входным механическим сопротивлением Zex, представляет собой сложную колебательную систему с обратной связью. Наличие электрического токаТв в электрическом контуре вибратора вызывает появления в цепи механического контура падение механичеГПг — m1 — СОЗ (pai — айаг ) а1 р .ьх = агстц а1

m1 Sin (pal т"аг ) С целью проверки работоспособности предлагаемого способа измерений входного механического сопротивления конструкции была изготовлена экспериментальная установка, блок-схема которой представлена на фиг.4.

На фиг.4 обозначены массивный корпус

1 электродинамического вибратора типа

11076 фирмы RFT, подвижный вибростержень 2 вибратора, податливая конструкция с .входным механическим сопротивлением

Zex (3 — массивная стальная плита цилиндрической формы диаметром 270 мм и толщиной 40 мм, 4 — виброизоляторы типа

Э СА-100, 5 — массивный фундамент (железобетонный пол в лаборатории), акселерометры 6 и 7 типа ДН-З, с помощью которых . производят измерения колебательных ускорений а1(аг) корпуса (вибростержня) вибра- 25 тора, датчик 8 силы типа ДС-3, усилитель 9 мощности типа LV-102 фирмы VEB, генератор 10 синусоидальных колебаний типа

1025; цифровой частотомер 11 Ч3-36, измеритель.12 вибрации и шума типа ВШВ-003. 30 переключатель 13 типа ПМФ, измеритель 14 разности фаз типа Ф2-28. ского напряжения (в. наших обозначениях механической силы) Fe, равное Fe = В (le, где  — коэффициент трансформации. С другой стороны, наличие в механическом контуре колебательной части (Ч1 + Ч2) вызывает появление в электрической части вибоатора падение напряжения (противоЭДС) Ес равное Ec = Bf (V1+ Чг). Запишем, пользУЯсь законами Кирхгофа, условия равенства механических напряжений (сил) для самого последнего контура схемы (фиг,3) -ъ» /\»

F(m1) = F(m2) + F(Zsx), (13)

Используя пояснения к схеме (фиг.3), получим

) в m1V1= JN гпг1/г+ ZoxОг (14

Решая уравнение (9) относительно Ze, получим а1

Re Zex = В m1 Sin (Pa1 Paz ), аг

im Zbx =В m1 — СОЗ (уЪ1 — 2 ) — В . mz а1

Результаты проведенных измерений входного механического сопротивления предлагаемым способом и способом-прототипом приведены в таблице.

Результаты эксперимента показывают, что предлагаемый способ измерения входного механического сопротивления конструкции позволяет увеличить точность измерения Zax po 28%.

Способ измерения входного механического сопротивления конструкций, включающий измерение массы подвижной части вибратора, жесткую установку вибратора, нормально к поверхности исследуемой конструкции, возбуждение колебаний, измерение амплитуды и фазы вектора колебательного ускорения части вибратора, жестко закрепленной на поверхности исследуемой конструкции, измерение амплитуды и фазы вектора.колебательного ускорения подвижной части вибратора, совершающей колебательное движение относительно закрепленной части вибратора, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью увеличения точности измерений. дополнительно измеряют массу части вибратора, жестко прикрепляемую к исследуемой конструкции, а входное механическое сопротивление рассчитывают по формуле

") 744510

) ь 1=т (mr )з+mi 2 т1. тг()соа(углг — угаз)(5) ° а1

rrrz — т1 — соа (l — уьг )

pzbx = агст9 а1

I п11 — з1п ((Ъ1 paZ ) а2

rn1 — масса части вибратора. совершающей колебательное движение относительно части вибратора, жестко закрепленной на поверхности исследуемой конструкции, а1, az- амплитуды векторов колебательных ускорений а1 и аг инерционных масс п11 и mz соответственно;

Р а1, P >Z - фаЗЫ ВЕКТОРОВ КОЛЕбатЕЛЬНЫХ ускорений а1 иЪ2 инерциоНных масс гп1 и п12 соответственно; а — круговая частота гармонических колебаний вибратора.

Ю М

m>m062Н

5 гдегьах)ф тах — модуль н фаза входного механического сопротивления исследуемой конструкции;

mz — масса части вибратора, жестко закрепленная на поверхности исследуемой конструкций;

m -1?,?ЗН

Гz

-1). 1002

Q a,a>m

< < -Уаг. град

Частота, Гц а г м с асчет по Формуле (2) (15) ф

- 20,6

25,9. .30,9

40,7

49,8

75,8

98,o

122,7

160,9

197,0

246,2

307,6

395,3

491,6

621,o

799,0

1006,1

1252,6

1594,9

2022,9

1,90 о,48

1,10

0,73

1,27.

3,65

2,50

2,48

2,48 г,45

2,35

2,70

2,08

2,18

2,12 г,65

2,1О г,оо

1,83

0,45

1,30

0,68

3,40

6,0о

8,00

10,ОО

5,90

5,0

5,0

4,8

4,6

4,2

4,25

4,го

3,8о

4,20

4,20

4,го

4,6

5.60

-14,3

-гг,3

-39,4

286,6

- 157,7

-175,0

183,6

181,4

"-178,4

181,5

181,1

- 1?9,9

179,2

182,0

-183,.6

1 7?,9

180,4

- i 81,9

182,7

-213,4

3354

2036

1113

551 88i

3082

4626 6780

11202

140»

22028

21552

28425, 38595

66447

70683

i8108

194о

3370.

41о1о

25070

2,6

4,9

9,1 б,о

-16,8

-8,5

-7,7

-6,6 -6, 6

-6,4

-6,4

"5 2

-6,7

-г,4 -5,9

-5,2

-6,5

-6,8

-8,1

-z7,8

1744510

Умг.2 я (сд) + 1 г/

Х(Ц

Составитель В.Емельянов

Редактор M.Êîáûëÿíñêàÿ Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Т.Палий

Заказ 2189 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101