Формирователь акустического поля в твердом теле



Формирователь акустического поля в твердом теле
Формирователь акустического поля в твердом теле
Формирователь акустического поля в твердом теле

 


Владельцы патента RU 2610570:

ООО "ГлобалТест" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве генератора дозированных акустических импульсов при тестировании диагностической высокочастотной датчиковой аппаратуры. Формирователь акустического поля в твердом теле содержит шары, имеющие возможность соударения с поверхностью излучателя для возбуждения в нем упругих волн, сообщающиеся между собой камеры, в одной из которых расположены металлические шары одинакового диаметра с возможностью пересыпания их в другую камеру под действием силы тяжести и воздействием на торец излучателя в виде цилиндрического волновода, который установлен соосно в каждой камере со стороны основания с возможностью перемещения вдоль ее оси, при этом другой конец волновода сопряжен с исследуемым объектом, а камеры образованы в корпусе, между которым и исследуемым объектом установлен элемент регулирования высоты смещения волновода в камере, причем отношение длины волновода к его диаметру более пяти. Достигаемым техническим результатом является возможность формирования в диагностируемом (исследуемом) объекте в нормальных, а также взрыво-пожароопасных условиях последовательных акустических импульсов дозированной амплитуды и длительности без каких-либо устройств с приводом, обеспечивающим соударение, и без каких-либо для этого источников энергии. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве генератора последовательных дозированных акустических импульсов при тестировании высокочастотной датчиковой аппаратуры.

Все существующие средства технической диагностики не являются абсолютно надежными. Поэтому предусматривают, как правило, системы их контроля, как в процессе монтажа, пуско-наладочных работ, так и на стадии планово-профилактических работ, межрегламентных проверок (см. Коллакот Р. Диагностика повреждений, пер. с англ. под ред. П.Г. Бабаевского. - М.: Мир, 1989).

Для акустических диагностических систем, например, работающих в режиме регистрации пассивного ультразвука (акустической эмиссии), актуальным является наличие системы контроля, формирующей тестовый акустический сигнал в диагностируемом объекте для оценки функционирования установленного на нем приемника акустического сигнала. При этом существенно, чтобы тестовый сигнал соответствовал природе акустической эмиссии (АЭ) - импульсному возмущению (скачку давления), образующемуся в материале объекта вследствие развития дефекта, роста трещины и т.п.

Известны электрические методы формирования периодических и импульсных механических возмущений в объекте: пьезоэлектрический, магнитострикционный, электроискровой, лазерный и др. Однако такое оборудование является достаточно сложным, требующим собственной проверки и настройки, а также не является достаточно безопасным для работы во взрыво- и пожароопасных средах.

Из неэлектрических способов формирования дозированного воздействия на объект известен способ Су-Нильсена (см. Неразрушающий контроль. Под ред. В.В. Клюева, том 7. - М. : Машиностроение, 2005), заключающийся в предварительном нажатии объекта грифелем цангового карандаша и его последующем изломе. При этом сила механического возмущения предполагаемой ступенчатой функции величиной 1…10Н зависит от диаметра грифеля.

Такой способ и устройство используют в основном для оценки электрофизических характеристик преобразователей АЭ в лабораторных условиях.

Для диагностируемого промышленного оборудования такой способ и устройство не используются из-за низкой производительности и возможного влияния на человека факторов окружающей среды (например, высокой температуры, высоких электромагнитных полей и т.п.).

Из механических методов формирования акустического поля известен патент РФ №2021857 «Устройство для получения акустических колебаний», опубликован 30.10.1994 г/, которое содержит шары, закрепленные на упругих стенках, являющихся излучателями акустических колебаний, и привод шаров. Устройство за счет столкновения шаров генерирует в рабочую среду акустические колебания упругих стенок и составных частей шаров. Устройство позволяет получать спектр акустических колебаний от нескольких тысяч герц до 3000 кГц, отличается простотой конструкции и не требует специальных элементов преобразования, используемых в устройствах для получения ультразвуковых колебаний электрическими методами.

Вышеуказанное устройство является наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и поэтому выбрано в качестве прототипа. Недостатком этого устройства является то, что оно не может функционировать без привода и подвода к нему необходимой энергии для соударения шаров, а также не обеспечивает в достаточной степени дозированных импульсных воздействий (по амплитуде и длительности).

Решаемой технической задачей является создание формирователя акустического поля в материале объекта с импульсным воздействием дозированной амплитуды и длительности, обеспечивающего возможность функционирования как в нормальных, так и в пожаро-взрывоопасных условиях.

Достигаемым техническим результатом является возможность формирования в исследуемом объекте акустических импульсов дозированной амплитуды и длительности без устройств с приводом для соударения шаров и без подвода к нему каких-либо источников энергии.

Для достижения технического результата в формирователе акустического поля, содержащем шары, имеющих возможность соударения с поверхностью излучателя для возбуждения упругих волн, новым является то, что введены сообщающиеся между собой камеры, в одной из которых находятся металлические шары одинакового диаметра с возможностью пересыпания их в другую камеру под действием силы тяжести и воздействием на один из торцов излучателя в виде цилиндрического волновода, который установлен в каждой камере со стороны ее основания с возможностью перемещения вдоль ее оси, при этом другой торец волновода сопряжен с исследуемым объектом, а камеры образованы в корпусе, между которым и исследуемым объектом установлен элемент регулирования высоты смещения волновода в камере, причем отношение длины волновода к его диаметру более пяти.

Новая совокупность существенных признаков в заявляемом устройстве позволяет за счет высыпания шаров через отверстие между камерами формировать последовательность дозированных импульсов давления в излучателе в течение времени, необходимого для проведения контрольно-технологических операций на объекте, не требует собственного контроля и калибровки, устойчиво к внешним дестабилизирующим факторам (различного рода излучениям, полям) и взрыво-пожаробезопасно.

Устройство не содержит привода для обеспечения соударения шаров, не требует подвода к нему какого-либо источника энергии.

В заявляемом устройстве происходит формирование упругих волн сжатия за счет соударения металлических (стальных) шаров с металлическим (стальным) телом излучателя. Такое соударение представляется в виде симметричного полукосинусоидального импульса, параметры которого (амплитуда и длительность) зависят от скорости соударения и массы шара (см. Глаговский Б.А., Козачок А.Г., Пеллинец B.C., Солодкин Ю.Н. Расчеты реакции линейных систем на импульсное возбуждение. - Новосибирск: Наука, 1971).

Известна зависимость скорости падающего тела от высоты:

где V - скорость соударения (м/с);

g - ускорение свободного падения (м/с2);

h - высота падения шара.

В свою очередь, длительность удара (τ) и максимальное значение осевой силы (Р), развивающейся во время соударения стального шара со стальным телом, можно оценить (см. Дейвис P.M. Волны напряжений в твердых телах, М. ИИЛ, 1981) в зависимости от скорости соударения (с учетом физико-механических характеристик стали), по следующим зависимостям:

где R - радиус шара

В таблице 1 представлены вычисленные значения длительности удара и силы для различной высоты падения стального шара различного диаметра (dш). Там же представлены максимальные значения давления (σ) для импульса, реализуемые в стальном стержне диаметром 5 мм.

Из таблицы видно, что при соударении со стальным телом стальных шариков диаметром 0,5…1,5 мм, падающих с высоты 10…50 мм, реализуется формирующий в теле волну сжатия ударный импульс длительностью ≈ 1,8…6,2 мкс.

Для сравнения на фиг. 1 представлены экспериментально зарегистрированные формы импульсов АЭ от скачка трещины в стали, взятые из различных источников (см. Kline R.A., Green R.E., Palmer С.Н. Acoustic Emission Wave Forms From Cracking Steel: Experiment and Theory // Journal of Applied Physics. 1981. V. 52. N 1.P. 141-146. Wadley H.N.G., Scruby C.B. Elastic Wave Radiation from Cleavage Crack Extension // Intern. Journal of Fracture. 1983. V. 23. N 2. P. 111-128). В частности, на фиг. 1 в) представлен импульс АЭ от скачка трещины, зарегистрированный оптическим методом.

Из сравнения видно, что при вышеуказанных соударениях шариков реализуются длительности импульсов, достаточно близкие к регистрируемым импульсам АЭ.

На фиг. 2 представлен общий вид устройства формирователя акустического поля в твердом теле.

Формирователь акустического поля в твердом теле содержит шары 5, имеющие возможность соударения с торцом излучателя 3, в результате чего в последнем формируются упругие волны сжатия, перемещающиеся вдоль оси и воздействующие на исследуемый объект 8, а также камеры 1 и 2, сообщающиеся между собой, в одной из которых изначально расположены металлические шары одинакового диаметра с возможностью пересыпания их в другую камеру под действием силы тяжести и воздействия на торец излучателя в виде цилиндрического волновода 3 (4), который установлен в каждой камере 1 (2) со стороны ее основания и имеет возможность перемещения вдоль ее оси. Другим торцом волновод 3 сопрягается с исследуемым объектом 8, при этом камеры образованы в корпусе 7, между которым и исследуемым объектом установлен элемент регулирования высоты 6 смещения волновода в камере, причем длина волновода к его диаметру выполнена в соотношении более пяти.

Формирователь акустического поля в твердом теле работает следующим образом. При установке его на объект 8 из верхней камеры 2 начинают высыпаться стальные шарики 5 в нижнюю камеру 1 и производить соударение с торцом стального волновода 3, опирающегося другим торцом на диагностируемый объект. В волноводе формируется волна давления с дозированными значениями амплитуды и длительности, т.к. диаметр и высота падения шариков остаются постоянными.

Волноводы в обеих камерах имеют возможность свободно смещаться вдоль оси в направляющей втулке 9, акустически экранирующей волновод от основания камеры. При закончившемся процессе высыпания шариков из камеры 2 достаточно повернуть корпус на 180° и установить его на элемент регулирования высоты 6 камерой 2 к объекту.

В предложенном устройстве волновод, имея возможность смещаться вдоль оси камеры, регулирует высоту падения шариков до соударения, обеспечивая, тем самым, изменение интенсивности импульсного воздействия (силы Р, длительности τ) и, соответственно, формируемого поля звуковых давлений в исследуемом объекте.

Волноводное исполнение передачи импульсного воздействия от падающих шариков к объекту при соотношении длины волновода к его диаметру более пяти выбрано для обеспечения равномерного распределения по поперечному сечению волновода напряжений и смещений в волне сжатия на его конце, сопрягаемом с объектом, и, как следствие, повышения равномерности формируемого акустического поля в объекте.

Был изготовлен образец, проведены испытания, которые подтвердили осуществимость заявляемого устройства.

Формирователь акустического поля в твердом теле, содержащий шары, имеющие возможность соударения с поверхностью излучателя для возбуждения в нем упругих волн, отличающийся тем, что введены сообщающиеся между собой камеры, в одной из которых находятся металлические шары одинакового диаметра с возможностью пересыпания их в другую камеру под действием силы тяжести и воздействием на один из торцов излучателя в виде цилиндрического волновода, который установлен в каждой камере со стороны ее основания с возможностью перемещения вдоль ее оси, при этом другой конец волновода сопряжен с исследуемым объектом, а камеры образованы в корпусе, между которым и исследуемым объектом установлен элемент регулирования высоты смещения волновода в камере, причем отношение длины волновода к его диаметру более пяти.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к учебно-наглядным пособиям и касается конструкции комплекта, предназначенного для проведения, в условиях типового кабинета физики общеобразовательных учебных учреждений, учебных опытов и демонстрационных экспериментов, посвященных основным понятиям волновых процессов, изучению распространения и отражения продольных упругих волн, знакомству с такими явлениями, как интерференция и дифракция, акустический резонанс и биения звуковых колебаний.

Изобретение относится к учебно-наглядным пособиям и касается конструкции устройства, предназначенного для проведения учебных опытов в условиях типового кабинета физики общеобразовательных учебных учреждений при изучении раздела физики «Акустика».

Изобретение относится к учебным приборам и тренажерам по акустооптике и может быть использовано для изучения методов и средств акустооптической обработки сложных радиосигналов.

Изобретение относится к способам формирования субъективного трехмерного акустического пространства при прослушивании человеком звуковых сигналов, поступающих на наушники и обеспечивающих формирование иллюзии звучания источников звука (одного или нескольких, неподвижных или движущихся) различной локализации во внешнем (независимом от наушников) пространстве, окружающем слушателя, и может быть использовано при исследовании механизмов пространственного слуха человека для диагностики нарушений функционирования слуховой системы, при тестировании и тренировке пространственной ориентации у человека-оператора, при создании акустических эффектов для музыкальных постановок или компьютерных игр.

Изобретение относится к средствам для демонстрации и излучения вопросов распространения радиоволн над земной поверхностью и позволяет повысить точность демонстрации путем :устранения интерференции прямого и 5 отраженного лучей.

Изобретение относится к средствам обучения. .

Изобретение предназначено для отделения примесей от жидкости. Способ отделения примесей от основной жидкости содержит этапы, на которых создают проточную камеру, имеющую источник акустической энергии, а на противоположной стороне проточной камеры отражатель акустической энергии, обеспечивают протекание основной жидкости через проточную камеру, применяют источник акустической энергии к основной жидкости, чтобы создать трехмерную ультразвуковую стоячую волну, причем трехмерная ультразвуковая стоячая волна приводит к образованию силы акустического излучения, имеющей осевой компонент и поперечный компонент, которые имеют один порядок величины.

Изобретение относится к испытательному оборудованию. На основании посредством по крайней мере трех виброизоляторов закреплена переборка, представляющая собой одномассовую колебательную систему массой и жесткостью соответственно m2 и c2.

Изобретение относится к испытательному оборудованию. Переборка закреплена на основании посредством по крайней мере трех виброизоляторов и представляет собой одномассовую колебательную систему массой и жесткостью соответственно m2 и c2.

Изобретение относится к вибрационным устройствам для создания линейных перемещений ползуна. Ультразвуковой двигатель содержит вибратор, ползун, который входит в контакт посредством трения с вибратором, пружину для прижатия вибратора к скользящему элементу.

Изобретение может быть использовано для безреагентной очистки промышленных отвальных, дренажных вод, в алмазодобывающей промышленности, горной промышленности и гидротехнических сооружениях для предварительной подготовки воды.

Раскрыты примеры генератора волны сжатия, сконфигурированного для генерирования в среде волн сжатия, обладающих высокой энергией. Генератор волны сжатия может содержать поддон, несущий поршень.

Настоящее изобретение относится к жесткой конструкции эксцентриковой тяги и генератору вибраций, и более конкретно к жесткой конструкции эксцентриковой тяги, генерирующей вибрации посредством вращения эксцентриковой тяги, и генератору вибраций.

Изобретение относится к акустике и предназначено для возбуждения акустических колебаний в газах и жидкостях. Сущность: излучатель содержит теплопроводящую подложку, на рабочей поверхности которой сформированы параллельно расположенные протяженные структуры в виде выступов призматической формы, имеющие легированные поверхностные слои со значительно большей электрической проводимостью, чем подложка.

Изобретение относится к ультразвуковым инструментам для деформационной обработки. Инструмент содержит корпус с ручкой и направляющими скольжения, в которых установлен с возможностью осевого возвратно-поступательного движения стакан с фланцем и насадкой.

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано в вибрационных станках для переработки отходов различных материалов во вторичное сырье, вибрационных машинах, применяемых в строительстве, транспорте, медицине, металлообработке, сельском хозяйстве, пищевой, горной и других отраслях промышленности.
Наверх