CC BY
52
УДК 621.034:778.38
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗВУКОИЗЛУЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДАМИ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
© 2001 Д.С. Еленевский, Ю.Н. Шапошников
Самарский научно-инженерный центр автоматизации прочностных испытаний и диагностики машин
Разработан метод исследования процесса звукоизлучеиия машин и механизмов, позволяющий с помощью электронной спекл-интерферометрии визуализировать поле амплитуд колебаний конструкции. Проведены виброакустические исследования дисковых тормозных механизмов автомобилей ВАЗ, направленные на выявление источника повышенного шума в процессе торможения.
Динамическое взаимодействие кинематических пар и узлов механизмов и машин порождает колебательную энергию, которая распространяется по конструкции и излучается в окружающую среду с образованием акустического поля. Акустический шум, излучаемый работающими машинами и механизмами, оказывает отрицательное физиологическое и раздражающее воздействие на человека, создает помехи при передаче и восприятии информации, а также приводит к возбуждению вынужденных и резонансных колебаний окружающих предметов, включая элементы самой конструкции. Спектральный состав акустических шумов машин очень разнообразен, и в большинстве случаев представляет собой смесь случайных и периодических колебаний [1].
Решение задач минимизации виброаку-стической активности машин, в том числе на стадии проектирования, предполагает создание математических моделей колебаний конструкций и звукоизлучения, уточненных по результатам экспериментальных исследований. С этой целью проводятся измерения акустических шумов в ближнем и дальнем звуковых полях. Однако, эти измерения не позволяют детально исследовать процесс образования и распространения шума.
Перспективным экспериментальным направлением исследования виброакусти-ческих параметров конструкций машин является применение методов визуализации вибрационных полей упругих структур, таких как голографическая интерферометрия [2, 3]. Так, например, с помощью голографической ин-
терферометрии установлено, что основным источником шума узлов настройки металлорежущих станков являются собственные из-гибные колебания дисков зубчатых колес [4]. Тем не менее, число работ посвященных применению методов голографической интерферометрии для исследования процессов зву-коизлучения крайне ограничено. В то же время методы голографической интерферометрии широко используются в процессе виброп-рочностной доводки высоконагруженных конструкций, например, газотурбинных двигателей [5, 6].
Основным преимуществом голографической интерферометрии является возможность бесконтактного получения полной картины вибрационного поля исследуемого объекта. Однако, методы голографической интерферометрии имеют существенный недостаток, во многом ограничивающий области их применения, связанный с трудоемкостью получения голографических интерфе-рограмм и неоперативностью. Результаты голографических исследований доступны экспериментатору только после длительного фотохимического процесса обработки голограмм.
Альтернативными голографическим являются методы электронной спекл-интерфе-рометрии, развитые в последнее время и свободные от их недостатков [7]. Например, электронный спекл-интерферометр с компьютерной регистрацией интерферограмм, описанный в [8], позволяет в реальном времени наблюдать на экране монитора спекл-изображение вибрирующего объекта и реги-
стрировать интерферограмму за время не превышающее нескольких миллисекунд. Такой спекл-интерферометр с успехом может быть применен для решения задач акустики машин и исследования процессов шумообразования.
Ниже описывается разработанная методика исследования процессов звукоизлучения конструкций, основанная на визуализации поля амплитуд колебаний звукоизлучающей поверхности с помощью электронной спекл-интерферометрии.
В качестве объекта для разработки методики исследований использовалась шестерня коробки приводов авиационного двигателя НК-93. Для проведения исследований шестерня по оси жестко крепилась на массивном угольнике и устанавливалась на платформе виброизолированного интерферометри-ческого стола. Оптическая схема спекл-ин-терферометра подробно описана в [8].
Первоначально исследовался спектр акустического шума шестерни. С этой целью шестерня возбуждалась с помощью генератора белого шума. Схема возбуждения и регистрации шума шестерни представлена на рис.1.
Сигнал от генератора белого шума 1 через широкополосный усилитель 2 подавался на пьезоэлектрический возбудитель колебаний 3, точка контакта которого с шестерней располагалась на ободе вблизи периферии шестерни. Возбудитель поджимался к ободу шестерни в осевом направлении практичес-
1 —► 2 3 —► 4
—►
5
I
10 9 8
* *— -
А
7
Рис. 1. Схема возбуждения и регистрации шума: 1 - генератор белого шума; 2- усилитель;
3 - пьезоэлектрический возбудитель;
4 - исследуемый объект; 5 - микрофон;
6 - шумометр; 7 - осциллограф; 8 - магнитограф; 9 - анализатор спектра; 10 - самописец
ки без усилия, с тем, чтобы прилагаемое усилие не изменило жесткостных характеристик объекта и тем самым не повлияло на результат исследования. Измерительный микрофон
5, установленный на расстоянии 0,6м от шестерни, регистрировал акустический сигнал отклика, который подавался на шумомер 6. Сигнал с шумомера контролировался осциллографом 7 и записывался магнитографом 8. Шумомер при этом работал в режиме "характеристика А". Воспроизведенный с магнитографа сигнал поступал на анализатор спектра 9. Сигнал обрабатывался и выводился на самописец 10. Спектрограммы отклика регистрировались в диапазоне частот до 20 кГц. На рис.2 приведена спектрограмма, полученная в диапазоне частот 0-5000 Гц. На спектрограмме можно определить частоты максимальной акустической реакции шестерни на широкополосное возбуждающее усилие в этом диапазоне частот.
Далее исследовались резонансные колебания шестерни. Резонансные частоты определялись при возбуждении колебаний шестерни звуковым генератором. На рис.3 показана схема возбуждения и регистрации резонансных частот колебаний.
Шестерня 5 возбуждалась звуковым генератором 1, сигнал от которого усиливался и поступал на пьезоэлектрический вибратор 4. Частота возбуждения фиксировалась по цифровому табло частотомера 3. Акустический сигнал отклика от микрофона 6 фильтровался третьоктавными фильтрами и фиксировался на индикаторе уровня шумомера 7. Отфильтрованный сигнал отклика подавался на вход электронного осциллографа 8, на второй вход которого одновременно поступал сигнал от звукового генератора, возбуждающего колебания. На экране осциллографа наблюдалась фигура Лиссажу. При сканировании частоты возбуждения в момент резонанса резко возрастал уровень сигнала отклика, а на экране монитора спекл-интерферометра наблюдалось исчезновение спекл-картины по всему полю изображения объекта, за исключением узловых областей формы колебаний. На каждой резонансной частоте в памяти компьютера формировалась спекл-интерферог-рамма.
дБ
120 Ч
60 -
Т
2 3 4
Рис. 2. Спектрограмма шума шестерни
т
5
кГц
Сравнение определенных таким образом частот со спектрограммами показывает совпадение резонансных частот шестерни с частотами максимального уровня акустического отклика при широкополосном возбуждении. На рис.2 приведены зарегистрированные интерферограммы, соответствующие частотам максимального акустического отклика в диапазоне до 5 кГц.
Необходимо отметить, что не все максимальные отклики соответствуют резонансным частотам. Некоторые могут представлять отклик объекта на частотах, кратных резонансным. Является ли частота резонансной или нет, можно установить с помощью фигуры Лиссажу. Микрофон при этом должен работать в линейном режиме (система третьок-тавных фильтров должна быть отключена).
Если резонансные частоты близки, возможно одновременное возбуждение двух форм колебаний. При смещении частоты возбуждения в ту или иную сторону, одна из форм проявляется сильнее до полного исчезновения другой, когда частота возбуждения выходит за полосу ее частотного возбуждения. При смещении частоты в другую сторону, соответственно будет выделена другая форма. Эти изменения проявляются в смещении и перестройке узловых линий, наблюдаемых в реальном времени на экране монитора спекл-интерферометра.
Интерференционные картины, записанные на каждой резонансной частоте, позволяют рассчитать поля амплитуд колебаний,
соответствующие частотам максимального акустического отклика объекта на широкополосное возбуждающее усилие. По результатам расчета можно легко установить связь между уровнем шума и полем амплитуд колебания шестерни.
Разработанная методика была с успехом применена для исследования звукоизлучения таких сложных объектов, как дисковые тормозные механизмы автомобилей ВАЗ. Исследования проводились в связи с проявлением в процессе торможения дефекта - "писк". В момент торможения у автомобилей ВАЗ 2108(09) и 2110 наблюдается резкое повышения уровня шума. Этот дефект - "писк" тормозов существенно снижает потребительские качества автомобиля.
Исследованиям механизма торможения посвящено много работ [9, 10]. Результаты всех исследований сходятся в том, что "писк" снижается или устраняется при соответствующем подборе фрикционных материалов и изменении конструкции основных элементов тормозного механизма. При этом, естественно, возникает проблема проверки эффективности проводимых мероприятий по устранению дефекта. Ряд работ, проведенных фирмой "Фольксваген", показывает, что голографическая интерферометрия может быть эффективным средством оценки качества проводимых мероприятий по устранения "писка" тормозов [11].
На рис.4 приведен обобщенный спектр шума торможения дискового тормоза ВАЗ
2108(09), зарегистрированного при длительных трековых испытаниях автомобиля. Шум регистрировался в моменты торможения при различных скоростях движения перед торможением (20 - 40 км/ч) и различных тормозных усилиях (давление в тормозной системе изменялось в диапазоне 10-50 кГ/см2). Характер спектра шума при этом существенно не изменялся. Анализ спектра показывает, что повышенный уровень шума - "писк" тормозов наблюдается на частоте вблизи 1 кГц.
При интерферометрических виброакус-тических испытаниях исследовался как тормозной механизм в сборе, так и отдельные его элементы - диск, колодка и суппорт.
Дисковый тормоз в сборе жестко крепился на интерферометрическом столе по штатным крепежным отверстиям поворотного кулака. В систему торможения подавалось давление, которое в процессе исследований изменялось в пределах, соответствующих давлению при трековых испытаниях. С целью оценки влияния тормозного момента на акустические характеристики к ступице диска прикладывался вращающий момент, величина которого контролировалась динамомет-
3
1 ► 2 4
►
I
5
т
00 -Д 6
Рис. 3. Схема возбуждения и регистрации резонансных колебаний:
1 - звуковой генератор; 2- усилитель;
3 - частотомер; 4 - вибратор;
5 - исследуемый объект; 6 - микрофон;
7 - шумометр; 8 - осциллограф
Рис. 4. Спектр шума тормозного механизма
ром. Резонансные колебания в тормозной системе возбуждались пьезоэлектрическим возбудителем, точка приложения контакта которого в процессе исследования неоднократно изменялась с тем, чтобы избежать возможного пропуска отдельных форм колебаний из-за неудачного расположения возбудителя. Направление действия возбуждающего усилия прикладывалось как в осевом, так и в радиальном направлениях. Возбуждение и регистрация резонансных частот осуществлялись в соответствие со схемой, приведенной на рис.3. На каждой резонансной частоте фиксировалась спекл-интерферограмма.
Исследования проводились при отсутствии давления в тормозной системе, а также при давлении равном 50 и 20 кГ/см2 и вращающем моменте равном нулю либо 10 кГм. На рис.5а в качестве иллюстрации приведены некоторые из зарегистрированных интерферограмм. Эти интерферограммы характерны тем, что совпадают с максимально выраженными пиками частот шума на спектрограмме трековых испытаний. Установлено, что формы колебаний практически не претерпевают изменений в связи с изменением давления в тормозной системе и приложением тормозного момента. Частоты соответствующих форм возрастают с появлением тормозного момента. Величина этого изменения различна для различных форм. Максимум изменения наблюдался у высокочастотной формы. Влияние давления в системе на частоты соответствующих форм неодноз-
начно. Некоторые частоты снизились, другие возросли. Однако, эти изменения лежат в пределах распределения частот на обобщенном спектре, приведенном на рис.4. В частности, интерферограммы колебаний тормоза в сборе, приведенные на рис.5, зарещих форм неоднозначно. Некоторые частоты снизились, другие возросли. Однако, эти изменения лежат в С целью обнаружения элементов конструкции тормозного механизма, ответственных за возбуждение колебаний системы на частоте писка, исследовались колебания ее отдельных элементов: диска, суппорта и колодок.
Диск исследовался в условиях его крепления в тормозном механизме, но тормозные колодки и суппорт из системы были изъяты. Установлено, что резонансные частоты диска незначительно отличаются от частот колебаний всей системы в целом. Таким образом, колебания тормозного механизма в целом определяются колебаниями его основного элемента - диска. Исследования колебаний суппорта показали, что суппорт практически
не участвует в колебаниях системы в сборе, это подтверждают интерферограммы колебаний механизма, приведенные на рис.5а. Суппорт не возбуждался как при приложении возбуждающего усилия к диску, колодкам, направляющим колодок, так и непосредственно к самому суппорту. В свободном состоянии колебания суппорта удалось возбудить, но они отличались весьма низким уровнем (рис.5б).
Колебания тормозных колодок исследовались при двух вариантах крепления: штатном в составе тормозного механизма и в свободном состоянии. Результаты исследований показали, что резонансные частоты колодки существенно изменяются в зависимости от способа ее крепления. Однако, форма колебания с одним узловым диаметром, частота возбуждения которой в свободном состоянии 920 Гц (рис.5в), легко возбуждается и в составе системы (рис.5а) на близкой частоте 970 Гц. Именно эта частота ответственна за повышенный уровень шума механизма в момент торможения.
Рис. 5. Интерферограммы колебаний тормозного механизма в сборе (а), суппорта (б) и колодки в свободном состоянии (в)
Таким образом, было установлено, что собственные колебания колодки ответственны за "писк" при торможении. Результатом проведенных исследований явилась выдача рекомендаций по изменению конструкции дискового тормозного механизма, направленных на устранение дефекта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тэйлор Р. Шум. М.: Мир, 1978.
2. Оптическая голография. Под редакцией КолфилдаГ.М. М.: Мир, 1982. Т.2.
3. Вест Ч. Голографическая интерферометрия. М.: Мир, 1982
4. Панов С.Н., Еленевский Д.С., Шапошников Ю.Н. Применение голографической интерферометрии в исследованиях процессов звукоизлучения металлорежущих станков и методов снижения виброакус-тической активности / Новые разработки в области оптической голографии. Л.: ЛДНТП, 1979.
5. Роберт К. Эрф. Голографические неразрушающие исследования. М.: Машиностроение, 1979.
6. Еленевский Д. С. Поузловая отработка вибропрочности лопаток турбины ГТД / Вибрационная прочность и надежность двигателей и систем летательных аппаратов. КуАИ, 1981. Вып.8.
7. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. М.: Мир,1986.
8. Еленевский Д.С., Шапошников Ю.Н. Лазерно-компьютерная система анализа спекл-интерферограмм вибрирующих объектов // Известия Самарского научного центра РАН, 1999. №1.
9. Шумовые явления в тормозах. Тех перевод ВЦПНТ ЛД. №Ц-19563.
10. Tarten J.H. Disc Brake Squeal. SAE Techn. Pap. Ser. 1983. №830530.
11. Felske A., Hoppe G., MatthaiH. Oscillations in Squealing Disc Brakes Analysis of Vibration Modes by Holographic Interferometry. SAE Techn. Pap. Ser. 1978. №780333.
INVESTIGATION OF ACOUSTIC EMISSION PROCESSION OF THE STRUCTURES THROUGH ELECTRONIC SPECKLE INTERFEROMETRY METHODS
© 2001 D.S. Yelenevsky, Yu.N. Shaposhnikov
Samara Scientific-Engineering Centre of Automated Strenght Tests and Diagnostics of Machines
Technique of investigation machinery acoustic emission is developed. It affords to visualize amplitude field of structure vibrations through application of electronic speckle interferometry. Vibroacoustic investigations of VAS (Volzhsky Automobile Plant) automobile disk braking gears aimed at revealing increased noise source in the process of braking were performed.
