Научная статья на тему 'Методика расчета акустических особенностей системы «Рельса - посторонний предмет»'

Методика расчета акустических особенностей системы «Рельса - посторонний предмет» Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
51
15
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РЕЙКИ / АКУСТИЧНИЙ СИГНАЛ / RAILS / ACOUSTIC SIGNAL / РЕЛЬСЫ / АКУСТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Войтенко В. П., Осенин Ю. И.

Предложена методика расчета акустических свойств системы, состоящей из железнодорожного рельса и постороннего предмета, находящегося на его поверхности. Методика позволяет рассчитать уменьшение амплитуды акустического сигнала в рельсе, вызванного появлением предмета на его поверхности, в зависимости от плотности материала предмета и скорости распространения акустических волн в материале предмета.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE METHOD OF CALCULATING THE ACOUSTIC FEATURES OF "RAIL - FOREIGN OBJECT"

A calculation technique is suggested for the system of the rail track and a foreign body on its surface. The procedure allows calculating a decrease of the intra-rail acoustic signal amplitude affected by the presence of a foreign body on the rail surface depending on the body substance density and the speed of acoustic wave propagation in the body substance.

Текст научной работы на тему «Методика расчета акустических особенностей системы «Рельса - посторонний предмет»»

УДК 629.424

В. П. ВОЙТЕНКО, Ю. I. ОСЕН1Н

(Схщноукрашський нацiональний ушверситет iM. Володимира Даля)

МЕТОДИКА РОЗРАХУНКУ АКУСТИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СИСТЕМИ «РЕЙКА - СТОРОНН1Й ПРЕДМЕТ»

Запропоновано методику розрахунку акустичних властивостей системи, що складаеться i3 зал1знично1 рейки i стороннього предмета, який знаходиться на ii поверхнi. Методика дозволяе розрахувати зменшення амплiтуди акустичного сигналу в рейщ, викликаного появою предмета на ii поверхш, залежно ввд щiльностi матерiалу предмета i швидкостi поширення акустичних хвиль у матерiалi предмета.

Предложена методика расчета акустических свойств системы, состоящей из железнодорожного рельса и постороннего предмета, находящегося на его поверхности. Методика позволяет рассчитать уменьшение амплитуды акустического сигнала в рельсе, вызванного появлением предмета на его поверхности, в зависимости от плотности материала предмета и скорости распространения акустических волн в материале предмета.

A calculation technique is suggested for the system of the rail track and a foreign body on its surface. The procedure allows calculating a decrease of the intra-rail acoustic signal amplitude affected by the presence of a foreign body on the rail surface depending on the body substance density and the speed of acoustic wave propagation in the body substance.

З упровадженням високошвидюсного руху для забезпечення надшно! роботи залiзничного транспорту усе бшьшого значення набувае контроль якосп рейковох' коли та ii техшчне обслуго-вування, зокрема, своечасне виявлення та усу-нення стороншх предмета на рейках. Особливо це стосуеться потенцшно небезпечних дшянок залiзницi, таких як тунел^ мости, переiзди, кри-волшшш д^нки коли, на яких велика iмовiр-нють виникнення небезпечноi ситуацii в результат наiзду або зiткнення транспортного засобу зi стороннiм предметом, що зростае зi збiльшенням швидкостi руху по1здв. Актуальнiсть даноi про-блеми полягае в необхщносп своечасного вияв-лення стороннiх предметiв на рейковiй коли i вiдсутнiстю пристро'в для цих цiлей.

У роботi [1] обговорювалися можливосп ф> зичних методiв щодо даноi проблеми, у роботi [2] були розглянут питання практичноi реал> зацii пристро'в для виявлення стороншх предмета на рейках, у робот [3] автори запропону-вали використовувати акустичнi методи для виявлення предмета на потенцшно небезпечних дшянках коли.

Метою даноi роботи е розробка методики розрахунку акустичних властивостей системи «рейка - стороннш предмет», що дозволяе розрахувати зменшення ампл^уди акустичного сигналу в рейщ, викликане появою предмета на ii поверхш, залежно вщ щшьносп матерiалу предмета i швидкосп поширення акустичних хвиль у матерiалi предмета.

Об'ектом дослiдження е система «рейка -стороннш предмет», умови поширення акусти-

чних хвиль у якш вiдрiзняються вщ умов 1хньо-го поширення в рейцi, що межуе з пов^рям. Наявнiсть стороннього предмета на поверхш рейки приводить до появи вщбитих вщ меж розподiлу «рейка - стороннiй предмет» i зало-млених хвиль, кути вщбиття i заломлення, а також коефщенти вiдбиття i заломлення яких залежать вiд фiзичних властивостей контакту-ючих середовищ [4].

Напрямок поширення акустичних хвиль на меж розподiлу двох середовищ буде визнача-тися акустичними властивостями матерiалiв рейки i стороннього предмета вiдповiдно до виразiв [5]

sin 91 _ sin 9г sin 9Х

(1)

де Ci, cT - швидкостi поширення поздовжшх i поперечних хвиль у матерiалi рейки щшьшс-тю р; Ci - швидкiсть поширення поздовжшх хвиль у матерiалi стороннього предмета щшь-нiстю р1; 91 - кут заломлення в друге середо-вище (матерiал стороннього предмета); 9Т -кут падiння поперечноi хвилi на межу розпод> лу двох середовищ, в^^чуваний вiд нормалi до неi; 9i - кут поширення трансформацiйноi по-здовжньо! хвилi.

Розрахуемо коефщенти вiдбиття по енергii акустичних хвиль вщ стороннiх предметiв, що знаходяться на поверхш рейки, для предмета з рiзних матерiалiв. Приймемо як початковi умови щiльнiсть стал^ з яко! виготовлено

рейку, р = 7 800 кг/м ; швидкост поширення поздовжшх i поперечних акустичних хвиль у рейщ вiдповiдно с = 5 900 м/с; ст = 3 250 м/с. Для розрахунюв i зображення результатiв у виглядi графiкiв використано математичний пакет Mathcard 11. Введемо таю позначення: с1 - швидкiсть поздовжнiх хвиль у матерiалi стороннього предмета щшьшстю pl; cL, ст -вщповщно, швидкостi поширення поздовжшх i поперечних хвиль у рейщ щшьшстю p; 91 - кут заломлення в друге середовище; ÖL -кут поширення трансформацшно! поздовж-ньо! хвилi; 9т - кут падшня хвилi на межу розподшу двох середовищ.

Задамо дiапазон змiни кута падiння акусти-чно! хвилi на межу розподiлу iз кроком 1

n = 0...90. (2)

Переведемо значення кута падiння в радiани:

2-п

0т (и ) = )

360

(3)

Задамо згщно з (1) закони змiни купв 01 i 0L :

01 (и) = arcsin jsin [0(и )]• —j;

cL • sin [01 (и)J

0L (и ) =

arcsin

c1

(4)

Уведемо позначення: Z1(n ) = р1

ZL(и) = р

c1

cos[01(и)]' cL

cos

[0L (и)]'

Zт(и) = р-

ст

cos

[0т(и)]•]

(5)

-Zт(и)• {sin[2 • 0т(и)]} }у^1(и) + +ZL (и ) • {cos [2 • 0т (и )]j2 +

+Z т(и )•{ [ 2 ^0т(и )]j2 ft, (6)

а вираз для коефщента вiдбиття з трансфор-мацieю поперечно! хвилi в поздовжню

V т1 (и ) = tg [0L (и )] • cos [ 2 • 0т (и )] х

X [1 + Vтт (и)У¡2 • {sin [0т (и)]} j. (7)

З урахуванням отриманих формул вирази для коефщешгв вiдбиття по енерги для вщпо-вiдних коефiцieнтiв вщбиття мають вигляд:

Ет1(и ) =

Етт(и) = (| Vтт (и))2 ;

[0L (и )]•(( т1(и )|)2

ст•cos

cL • cos

[0т(и)]

(8)

(9)

Вираз для сумарного коефщента вщбиття по енерги може бути отримано за формулою

Е ( и ) = Етт( и ) + Ет1( и ).

(10)

Тод^ зпдно з [6], вираз для коефщента вщбиття поперечно! хвит мае вигляд

Vтт(и) = -/^1(и) + ZL(и){cos[2-0т(и)]}2 -

Змшюючи значення кута падшня згщно з (2), (3), отримаемо значення коефiцieнтiв вщ-биття за формулами (4)-(10) для рiзних матер> алiв другого середовища (стороннього предмета на поверхш рейки).

На рис. 1 наведено ^мейство кривих для модулiв коефiцiентiв вiдбиття поперечно! хвилi jVTT (n)| вiд вiльно! поверхнi - крива 1

—3 3

(друге середовище - повггря, p1 = 1,3 -10 кг/м ,

с1 = 0,331-10 м/с) i поверхнi, навантажено! стороннiм предметом, виготовленим iз затза -крива 2 (p1 = 7 800 кг/м3, с1 = 5 850 м/с, хара-

ктеристичний iмпеданс Z = 45,6 -106 кг/м2с), з чавуна - крива 3 (p1=7200 кг/м3, с1 = 3 500 м/с,

Z = 25 -106 кг/м2с),

з бетону - крива 4 (p1 = 2400 кг/м3, с1=3000 м/с, Z=1,4-106 кг/м2с).

ivthmi

вТ(М

Рис. 1. Модуль коефщента вщбиття поперечно!' хвилг

1 - вщ вшьно! поверхш; 2 - поверхш, навантажено! предметом 1з зал1за; 3 - чавуну; 4 - бетону

KyT nagiHHa nonepeHHoi xBHni, 3a akhm Big-6uTa no3goB^Ha xBHna e HeogHopigHoro (TperiM kphthhhhh KyT), Mo^e 6yTH po3paxoBaHHH 3a ^opMynoro [6]

93k = arcsin —.

(11)

Kt = 4-

cos

(03k y

cos

(2®3k )c¡ '

(12)

IVTLlínjl

3HaneHb KyTa 9t (n) gna po3raaHyTHx BH^e MaTe-pianiB. AHani3 rpa^kiB (puc. 7) noKa3ye, ^o npu KyTi nagiHHa 9X > 63^ cyMapHHH Koe^i^eHT no eHeprii xBuni, Big6HToi Big гpaннцi po3noginy gBox cepegoBH^ 3MeHmyeTbca y pa3i 36inbmeHHi iMne-gaHcy CTopoHHboro npegMeTa.

npu Kyrax nagiHHa 9X Ha Me^y po3noginy gBox cepegoBH^, 6inbmux 3a TperiM kphthhhhh 93k, mo-gynb Koe^i^eHra Big6HTTa nonepeHHux xBunb 3i 36inbmeHH3M iMnegaHcy CTopoHHboro npegMeTa 3MeHmyeTbca. npu 9X > 93¿ Koe^i^eHT TpaHC^op-Ma^i nonepeHHux xBunb y no3goB^H e yaBHHM. flna KyriB nagiHHa 9T < 63^ 3MeHmeHHa Mogyna

Koe^i^eHTa TpaHc^opMa^i nonepeHHux xBunb y no3goB^Hi (puc. 2) npu 36inbmeHHi iMnegaHcy CTopoHHboro npegMeTa i noB'a3aHe 3 цнм 3MeH-meHHa noToKy eHeprii' aKycTHHHoi xBuni nepe-KpuBae geaKe 36inbmeHHa BunpoMrnroBaHHa b gpyre cepegoBH^e (ctopohhíh npegMeT), BHacni-goK цboгo 3pocTae Koe^i^eHT Big6HTTa nonepe-hhhx xBunb. npu 9T = 63^ ToHHe 3HaHeHHa Koe-^i^ern-a TpaHc^opMa^i nonepeHHux xBunb y no3goB^m BH3HanaeTbca Bupa3oM

8T(n)

PHC. 2. Mogynb Koe^i^eHTa Big6HTTa 3 TpaHC^opMa^ero nonepeHHoi xBuni b no3goB®Hro:

1 - Big BÍntHoi noBepxHi i noBepxHi; 2 - HaBamaxeHoi npegMeToM 3 HaByHa; 3 - 3ani3a; 4 - 6eToHy

Pe3ynbTaTH po3paxyHKiB Koe^i^eHiÍB Big6uT-Ta ETT (n) i TpaHc^opMa^i ETl (n) no eHeprii', a TaKo^ cyMapHoro Koe^i^eHTa Big6uTTa nonepeHHoi xBuni i TpaHC^opMoBaHoi b no3goB^Hro E(n) 3 ypaxyBaHHaM giHcHux 3HaneHb KyTa

9t (n) gna BinbHoi i HaBaHTa^eHoi npegMeToM i3 3ani3a, HaByHa i 6eToHy noBepxHi, HaBegeHi Ha puc. 3-6. Ha puc. 7 HaBegeHi rpa^ku, ^o xapaK-Tepu3yroTb 3MiHy cyMapHoro Koe^i^eHTa no eHeprii Big6uToi nonepeHHoi xbhhí i TpaHc^opMo-BaHoi b no3goB^HK> E(n) 3 ypaxyBaHHaM giHcHux

lili

EnOCnJ

(1) \ /

EMJ(n> o í <?) X

E0(ll) (?) / NvJ 1 1 1

80 90

Phc. 3. Кoe$iцieнтн Big6uTTa no eHeprii 3ane®Ho Big KyTa nagiHHa nonepeHHoi xBuni gna BinbHoi noBepxHi

(O

Phc. 4. Koe^^iernH Big6uTTa no eHeprii 3ane®Ho Big KyTa nagiHHa gna noBepxHi, HaBaHTa^eHoi npegMeToM 3 HaByHy

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

8x(n)

Phc. 5. Кoe$iцieнтн Big6uTTa no eHeprii 3ane®Ho Big KyTa nagiHHa gna noBepxHi, HaBaHTa^eHoi npegMeToM i3 3ani3a

Puc. 6. Koe^^ieHTH Big6uTTa no eHeprii 3ane®Ho Big KyTa nagiHHa gna noBepxHi, HaBaffra^eHoi npegMeToM 3 6eToHy

c

x

е-им

Рис. 7. Сумарнi коефiцieнти вщбиття по енерги залежно вщ кута падшня для вшьно! i навантажено! поверхонь

При вщбитн вщ вшьно! поверхш (див. рис. 3, 7) сумарний коефщент вщбиття по енерги Е (п) (крива 3) дор1внюе одинищ для вах купв 9Х. Коеф1щент Ет1 (п) для кута падшня 0Т > 03к дор1внюе нулю. Для розглянутих мате-р1ашв иредмепв коефщент Е (п) для купв падшня, вщм1нних вщ нуля, менше одинищ Це по-яснюеться вщтоком частини пружно! енерги хвил1 в стороннш предмет за рахунок збудже-но! в ньому поздовжньо! хвил1. Таким чином, поява на поверхш рейки стороннього предмета приводить до вщтоку частини енерги акустич-но! хвил1, що поширюеться в рейщ, у предмет, що викликае зменшення амплпуди акустичного сигналу, прийнятого перетворювачем.

Висновки

Запропонована методика розрахунку акус-тичних властивостей системи рейка - стороннш предмет, що враховуе вплив акустичних властивостей стороннього предмета за умови поширення пружних хвиль у матер1ал1 рейки, до-зволяе розрахувати зменшення амплпуди акус-

тичного сигналу в 3anÎ3HmH^ рейщ, викликане наявнютю стороннього предмета на ïï поверхш.

За допомогою дaноï методики можна визна-чити мaтерiaл стороннього предмета, що знахо-диться на поверхш рейки, по зменшенню амп-лпуди прийнятого акустичного сигналу.

Нaведенi розрахунки показують, що з ростом характеристичного iмпедaнсу мaтерiaлу предмета пщвищуеться нaдiйнiсть його вияв-лення на поверхш рейки.

Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК

1. Войтенко В. А. Обнаружение препятствий на железнодорожном пути / В. А. Войтенко, Ю. И. Осе-нин // Вюник Схщноукрашського нащонально-го ушверситету 1м. Володимира Даля. - 2005. -№ 3(85). - С. 54-60.

2. Войтенко В. П. Пристрш для виявлення стороншх предмепв на залзничнш коли / В. П. Войтенко, Ю. I. Осенш // Вюник Схщноукрашського нащ-онального ушверситету 1м. Володимира Даля. -2005. - № 8(90), ч. 2. - С. 118-123.

3. Войтенко В. П. Ддагностування техшчного стану рейкового шляху за допомогою акустичних метод1в / В. П. Войтенко, Ю. I. Осенш // Вюник Схщноукрашського нащонального ушверсите-ту 1м. Володимира Даля. - 2005. - № 5(87). -С. 272-278.

4. Войтенко В. П. Моделювання процесу д1агнос-тування зал1зничного рейкового шляху та ана-л1з результапв дослщження / В. П. Войтенко, Ю. I. Осенш // Вюник Схщноукрашського нащ-онального ушверситету 1м. Володимира Даля. -2005. - № 6(88). - С. 244-254.

5. Лепендин Л. Ф. Акустика. - М.: Высш. шк., 1978. - 448 с.

6. Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. -М.: Наука, 1973. - 343 с.

Надшшла до редколеги 26.10.2005.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.