Резонансный толщиномер

Момент М,п, изменяющийся по гармоническому закону с частотой ш, равной угловой скорости ротора, вызывает вынужденные незатухающие колебания люльки. По мере убывания угловой скорости со ротора уменьшается и частота изменения возмущающего момента МИ1. Когда эта частота станет близкой к собственной частоте колебаний системы k, возникает состояние резонанса; в это время амплитуда колебаний люльки станет наибольшей. Из теории колебаний известно, что при резонансе амплитуда А вынужденных колебаний может считаться пропорциональной амплитуде возмущающего фактора:

Если частота действия возмущающего момента совпадает с частотой свободных (собственных) колебаний, то возникает явление резонанса. При резонансе амплитуда колебаний во много раз увеличивается по сравнению с амплитудой при том же значении возмущающего момента вне резонанса. Поэтому при резонансе амплитуда может достичь больших значений даже при умеренной величине возмущающего момента.

Случай 3: о»«wo. Это есть случай резонанса. При резонансе амплитуда имеет максимальное значение, для которого из формулы (53.86) при условии Y^COO получаем

Момент МИ1, изменяющийся по гармоническому закону с частотой со, равной угловой скорости ротора, вызывает вынужденные незатухающие колебания люльки. По мере убывания угловой скорости со ротора уменьшается и частота изменения возмущающего момента МЯ1. Когда эта частота станет близкой к собственной частоте колебаний системы k, возникает состояние резонанса; в это время амплитуда колебаний люльки станет наибольшей. Из теории колебаний известно, что при резонансе амплитуда А вынужденных колебаний может считаться пропорциональной амплитуде возмущающего фактора:

пропорциональной частоте колебаний станка. Такая зависимость называется амплитудно-частотной характеристикой. Кривая / представляет собой амплитудно-частотную характеристику идеального станка, а кривая 2 — амплитудно-частотную характеристику при сопротивлении в опорах станка. Как показано на рис. 182, при резонансе амплитуда колебаний идеального станка становится равной бесконечности.

Во-вторых, при силовом резонансе амплитуда колебаний при отсутствии диссипации возрастает по линейному закону (см. п. 7), в то время как при параметрическом — по экспоненциальному.

Если учитывать сопротивление опор рамы станка (k не равно нулю), то величина шр угловой скорости, при которой наступает резонанс, получается иной. На фиг. 61 показаны зависимости амплитуды Ф от угловой скорости «в, пропорциональной частоте колебаний станка. Такая зависимость называется амплитудо-ча-стотной характеристикой. Кривая / представляет собой ампли-тудо-частотную характеристику идеального станка, а кривая 2 — амплитудо-частотную характеристику при сопротивлении в опорах станка. Как видно из фиг. 61, при резонансе амплитуда колебаний идеального станка равна бесконечности.

5. Динамический калибратор к виде балки с магнитным возбуди т е л е м для тарировки наклеиваемых тензоме тров. Датчик закрепляется на балке, вибращш которой возбуждается симметрично одним (камер тон) или двумя (балка) электромагнитами. Частота колебаний меняется с помощью масс (колебания на резонансе), амплитуда — количеством энергии, подводимой к катушкам; частота до 1000 гц и при пьезоэлектрическом возбудителе до 20 000 гц (при малой амплитуде). См. (11 и [51.

5. Динамический калибратор в виде балки с магнитным возбудителем для тарировки наклеиваемых тензометров. Датчик закрепляется на балке, вибрация которой возбуждается симметрично одним (камертон) или двумя (балка) электромагнитами. Частота колебаний меняется с помощью масс (колебания при резонансе), амплитуда — от количества энергии, подводимой к катушкам. Частота до 1000 гц и при пьезоэлектрическом возбудителе до 20 000 гц при малой амплитуде.

При резонансе амплитуда колебаний обратно пропорциональна декременту колебаний. Декремент колебаний может сильно измениться при изменении силы зажатия хвоста лопатки .Следовательно, величина и постоянство силы зажатия существенно влияют на работу лопатки. Декремент колебаний зависит, далее, от материала, его термообработки, напряжения и температуры.

Исследование качки корабля на волнении является одной из сложных динамических проблем теории корабля. Впервые она изучалась русским академиком И. Бернулли. Им и была установлена, можно сказать, решающая роль, которую играет при анализе качки отношение Г6ок: т периода собственных (свободных) колебаний судна Теок к периоду волны т; при регулярном волнении корабль совершает так называемые вынужденные колебания, период которых равен периоду волны. Бернулли впервые указал, что при равенстве Тиок=т, т. е. при резонансе, амплитуда качки достигает наибольшего значения. Одновременно работа Бернулли позволила сделать и другой вывод: корабль, обладающий относительно большим периодом собственных колебаний, не только отличается более плавной качкой, но и меньше восприимчив к ней, т. е. реже встречает на море такие волны, которые способны его раскачать.

Контактный резонансный толщиномер работает по схеме, показанной на рис. 2.42, а. Она включает генератор колебаний 1, который возбуждает преобразователь 4, контактирующий с ОК 8 через слой контактной жидкости. Частоту колебаний генератора изменяют модулятором 5. Резонансы акустических колебаний вызывают изменение режима работы колебательного контура генератора. Частотным фильтром 2 эти изменения отделяют от всех других. Они кратковременны и имеют вид пиков. Резонансные пики усиливают усилителем 3 и подают на индикатор — ЭЛТ 7.

Иммерсионный резонансный толщиномер применяют для измерения толщины непрерывно движущихся труб. Трубу протягивают через локальную иммерсионную ванну, где толщина слоя воды между нею и ПЭП составляет 40 ...50 мм. Через воду в ОК вводят ультразвуковые колебания, частоту которых варьируют. В результате в слое иммерсионной жидкости возникают резонансные колебания. Толщина слоя во много раз больше длины волны на минимальной частоте (около 3 МГц), поэтому резонансных пиков будет очень много и они близко расположены на линии развертки. Коэффициент отражения от границы иммерсионная жидкость — ОК зависит от толщины стенки ОК. На частотах, определяемых (2.51), т. е. кратных полуволновым, он имеет минимумы (см. § 1.3), в результате на этих частотах высота резонансных пиков слоя воды резко уменьшается, образуются минимумы. По частоте минимума или по частотному интервалу между минимумами измеряют толщину.

Иммерсионно-резонансный толщиномер предназначен прежде всего для слежения за изменением толщины стенки. В связи с этим измерение ведут на резонансной частоте либо соответствующей основной частоте свободных колебаний изделия (п=\ и h= =Х/2), либо на одной из низших гармоник (п—2\ 3). Повышение частоты увеличивает влияние затухания, делает резонансы более заметными.

Локальный метод вынужденных колебаний применяют для измерения малых толщин при одностороннем доступе. Контактный резонансный толщиномер, принцип действия которого показан на рис. 2.5, б, в 60-х годах был основным средством толщино-метрии. В настоящее время для ручного контроля применяют импульсные толщиномеры. Для автоматического измерения толщины стенок труб выпускают иммерсионные резонансные толщиномеры. Некоторыми преимуществами перед таким способом измерения толщины обладает локальный метод свободных колебаний (метод предеф). Главное преимущество заключается в возможности изменения угла падения ультразвука на трубу при сохранении точности измерений. Это упрощает конструкцию протяжного устройства.

Резонансный толщиномер. Локальный метод вынужденных колебаний применяют для измерения толщины и дефектоскопии тонкостенных труб и оболочек. Прибор для реализации этого метода называют резонансным толщиномером. Он основан на возбуждении в стенке изделия по толщине ультразвуковых колебаний и определении частот, на которых возникают резонансы этих колебаний. В простейшем случае, представляя изделие как пластину, поверхности которой с обеих сторон свободны, условие возбуждения упругих резонансов записывают в виде уравнения для свободных колебаний (2.26).

Когда плакирующий слой состоит из цветного или благородного металла, например серебра, то может оказаться, что Я — — h < А. В этом случае трудно обнаружить расслоение между слоями путем ввода ультразвуковых колебаний со стороны стали. Однако расслоения, соизмеримые с площадью пьезоэлемента искателя, можно обнаружить, так как на участке с расслоением путь, пройденный ультразвуковым импульсом, становится меньше, чем на участке без расслоения. И в этом случае на экране трубки дефектоскопа можно наблюдать как бы смещение донного сигнала в сторону начального (рис. 7, в). Процесс контроля сводится к измерению толщины. Предположим, что указанным способом необходимо проверить биметалл сталь—серебро, толщина которого Н = 16 мм, а Н — h — 2,5 мм. Длительность импульса ультразвукового дефектоскопа УДМ-1М на частоте 2,5 Мгц составляет 1,5 икс. Теоретическая разрешающая способность в этом случае равна 2,7 мм, т. е. сигнал от расслоения не будет «разрешаться». Однако толщина плакирующего слоя составляет около 15% от общей толщины листа, и такое изменение толщины на участке с расслоением можно определить этим дефектоскопом. Точность измерения толщин дефектоскопом УДМ-1М составляет 2—3%. Более высокую точность обеспечивает ультразвуковой резонансный толщиномер.

Контактный резонансный толщиномер [132, 249] работает по схеме, показанной на рис. 2.107. Она включает автогенератор 1, который возбуждает преобразователь 4, контактирующий с ОК 8 через тонкий слой контактной жидкости. Частоту колебаний автогенератора плавно изменяют модулятором 5.

Иммерсионный резонансный толщиномер [232, 247] применяют для измерения толщины непрерывно движущихся труб. Трубу протягивают через локальную иммерсионную ванну, где толщина слоя воды между трубой и ПЭП 40 ... 50 мм. Собственные частоты ОК при колебаниях в воздухе и воде практически одинаковы, однако вода уменьшает остроту резонан-сов.

Иммерсионно-резонансный толщиномер предназначен прежде всего для слежения за изменением толщины стенки. В связи с этим измерение ведут на основной частоте свободных колебаний изделия либо на одной из низших гармоник {п = 2; 3). Повышение частоты увеличивает влияние затухания, делает резонансы более заметными.

Непрерывные звуковые волны при поиске дефектов материала в 1940-е гг. были вытеснены ультразвуковыми импульсами, но для измерения толщины стенок они по-прежнему используются при резонансном методе (раздел 11.3.1). Этот метод основывается на зависимости резонансной частоты (собственной частоты) колебаний пластины от ее толщины. На основе патента Эрвина и Рассвайлера [418] от 1944 г., фирма «Дженерал моторз» в 1947 г. построила первый резонансный толщиномер («Sonigage»— звуковой калибр). Большее распространение получил прибор «Vidigage» (визуальный калибр) фирмы «Брен-сон инструменте инк.».

Локальный метод вынужденных колебаний применяют для измерения малых толщин при одностороннем доступе. Контактный резонансный толщиномер, принцип действия которого показан на рис. 24, б, в 60-х годах XX в. был основным средством толщинометрии. В настоящее время для ручного контроля применяют импульсные толщиномеры. Для автоматического измерения толщины стенок тонких труб лучший результат дает иммерсионный резонансный толщиномер.