Способ определения упруго-диссипативных характеристик древесины

Изобретение относится к области определения упругих, инерционных и диссипативных свойств древесины и может быть использовано при исследовании их физико-механических свойств. В частности, для определения модуля упругости.

Известен способ определения декремента колебаний, заключающийся в анализе свободных затухающих изгибных колебаний образцов (SU 1179159). Установка должна включать два идентичных клиновидных образца с наклеенными на них тензодатчиками и одинаково закрепленных на станине. Возбуждаются свободные колебаний в одном образце, через общую станину они передаются на другой и в момент времени, когда размах колебаний у образцов становится одинаковым, производятся измерения декремента колебаний. К недостаткам данного подхода следует отнести сложность постановки эксперимента: наличие одинаковых образцов, идентичность их закрепления, места наклейки датчиков, а также приближенность выводов о равенстве поглощенной и трансформированной энергии колебаний и соответственно результата измерений.

Известна установка для определения декремента колебаний материала при изгибных колебаниях (SU 457010). Установка содержит два свободно подвешенных груза, к которым крепится исследуемый образец, зеркало, закрепленное на одном из грузов в узле колебаний, источник света и систему регистрации отраженного луча. С целью повышения точности, установка снабжена закрепленным на другом грузе в узле колебаний дополнительным зеркалом, установленным параллельно первому. В системе регистрации отраженного луча помещен вращающийся барабан с фотобумагой, на которой фиксируется колебательный процесс в виде виброграммы. К недостаткам такого похода следует отнести высокую сложность и трудоемкость организации исследований, а также низкую точность, связанную с использованием устаревших аналитических приборов.

Известен способ (RU 2408861) определения коэффициента внутреннего рассеяния энергии в материале, заключающийся в том, что его можно определить для материалов, имеющих модуль упругости существенно ниже, чем у стали (пластмассы, резины, дерево, горные породы). Способ состоит в следующем: боек подвешивают на нерастяжимую нить в виде физического маятника, отклоняют на определенный угол и свободно отпускают, после чего он соударяется с исследуемым образцом, совершая виброударный процесс, а наблюдатель визуально фиксирует углы отклонения оси маятника. На основании величины углов отклонения рассчитывается коэффициента внутреннего рассеяния энергии. К недостаткам подхода следует отнести ограниченность использования по материалам и невысокую точность.

Известно устройство (RU 45525 U1) для определения спектра частот собственных резонансных колебаний объекта. Оно включает источник электрических колебаний, преобразователь электрических колебаний в механические, приемник - преобразователь механических колебаний в электрические и измеритель параметров колебаний. При этом источник электрических колебаний выполнен в виде генератора шума. Исследуемый объект подвешивается на двух нитях. Генератор шумов подает электрический шумовой сигнал на преобразователь электрических колебаний в механические по нити к объекту. Объект начинает совершать колебания со всеми частотами, содержащимися в электрическом шумовом сигнале, передавая через другую нить механические колебания к приемнику - преобразователю механических колебаний в электрические. Электрический сигнал от приемника - преобразователя поступает в измеритель параметров колебаний, который из всего спектра частот выделяет собственные резонансные частоты объекта и определяет параметры затухания колебаний. Несомненным достоинством этого подхода является простота выявления частотного спектра, однако, выявление параметров затухания не соответствует традиционным подходам [1, 2]. Согласно [2] для измерения параметров затухания необходимо исследование колебаний механической системы (образца) по одной из собственных форм, а в данном случае образец совершает полигармонические колебания и получаемые результаты, соответственно, не могут считаться достоверными.

Известен способ (RU 2086943 С1) определения логарифмического декремента колебаний, по которому возбуждают резонансные колебания исследуемого объекта при постоянной амплитуде вынуждающей силы и регистрируют резонансную частоту ƒ_r и амплитуду a(ƒ_r) резонансных колебаний, затем производят расстройку резонанса путем изменения частоты вынуждающей силы, регистрируют амплитуду a(ƒ₁) и соответствующую ей частоту колебаний ƒ₁. Логарифмический декремент определялся по формуле

Известен аналогичный способ (RU 2531844 С1) определения логарифмических декрементов колебаний по ширине симметричной расстройки резонанса. Он отличается от (RU 2086943 С1) тем, что в качестве измеряемых параметров могут использоваться не только виброперемещения, но также виброскорости и виброускорения или квадратурные составляющие частотных характеристик перемещений, ускорений или синфазных составляющих частотных характеристик скоростей на резонансных частотах. Общими недостатками указанных подходов является высокая сложность и трудоемкость подобных исследований, связанных с необходимость использования вибростенда и специального лабораторного оборудования. Следует отметить также невозможность определения логарифмического декремента для того или иного материала, а только для конкретной конструкции или его элемента с учетом рассеяния энергии колебаний в наложенных на конструкцию связях.

Технический результат способа определения упруго-диссипативных характеристик древесины - это возможность определения декремента для любой собственной частоты исследуемого диапазона низших и средних частот и применение для широкого спектра твердых материалов. Результат достигается возбуждением колебаний образца гармоническим воздействием в диапазоне низших и средних частот и последующей регистрацией амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), по которой выявляют спектр колебаний образца. На заданной собственной частоте спектра возбуждаются установившиеся гармонические колебания, и регистрируется кривая затухающих колебаний. Цифровая обработка этой кривой позволяет определить амплитудные значения виброперемещений (A_i) и декремент колебаний для выбранной собственной частоты.

На рис. 1 представлена установка для определения упруго-диссипативных характеристик материалов. Реализация точечного крепления образца. На рис. 2 - установка для определения упруго-диссипативных характеристик материалов. Реализация консольного крепления образца. На Рис. 3 - затухающие свободные колебания образца.

Разработанная установка отличается доступностью для широкого круга исследователей и простотой реализации экспериментов, поскольку для ее реализации не требуется дорогостоящего лабораторного оборудования, достаточно наличия персонального компьютера снабженного полнодуплексной звуковой платой и специально изготовленного образца 1 в виде стержня диаметром 2-5 мм, длиной 50-350 мм. Кроме того, установка позволяет осуществлять исследования характеристик рассеяния энергии в широком частотном диапазоне. Для этого размеры образца, граничные условия можно менять в зависимости от номера исследуемой спектральной составляющей АЧХ. На образце закрепляется насадка 2 из «мягкой» стали с внутренним диаметром, подогнанным по диаметру образца. Торцы образца точечно фиксируются в станине прибора с помощью зажимов 3. (Зажимное приспособление при необходимости анализа влияния граничных условий или исследуемой частоты колебаний можно изменить). На электромагнитный вибратор 4 подается гармонический сигнал с выхода полнодуплексной звуковой платы персонального компьютера (ПК) 5. Определение спектра колебаний ведется путем плавного изменения частоты, подаваемой с генератора звука на вибратор 4, возбуждающий изгибные колебания исследуемого образца 1 посредством насадки 2. Снятый электромагнитным датчиком 6 сигнал поступает на вход полнодуплексной звуковой платы ПК 5 и проводится обработка данных посредством специальной программы. На экран монитора 7 выводится амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) образца. Анализ АЧХ позволяет определить спектр колебаний данного образца. На электромагнитный вибратор 4 подается гармонический сигнал заданной частоты (соответствующей исследуемой спектральной составляющей) с выхода полно дуплексной звуковой платы ПК 5. Таким образом, возбуждаются установившиеся механические колебания образца, затем прекращаем подачу сигнала и образец переходит в режим затухающих колебаний. Снятый электромагнитным датчиком 6 сигнал поступает на вход полнодуплексной звуковой платы ПК 5 и проводится обработка данных посредством специальной программы. На экран монитора 7 выводится кривая затухающих колебаний образца (рис. 3). Анализ затухающих колебаний позволяет определить амплитудные значения виброперемещений (A_i) и декремент колебаний для j-ой собственной частоты [1, 2].

С целью исследования потерь энергии в опорах или невозможности реализации точечного крепления образца можно изменять граничные условия (схему закрепления образца) и повторить представленный выше алгоритм. На рис. 2 представлен образец, один конец которого защемлен с помощью специального зажимного устройства, а на другом конце закреплена насадка 2 из «мягкой» стали с внутренним диаметром, подогнанным по диаметру образца.

Данный способ реализован в лабораторных условиях. В качестве испытуемых образцов использовались цилиндрические образцы из древесины различных пород и некоторых пластмасс (оргстекло, текстолит, полистирол и др.). Сравнение экспериментально полученных логарифмических декрементов со значениями логарифмических декрементов, полученным по литературным данным, подтвердило достоверность получаемых при осуществлении изобретения результатов.

Литература

1. Вибрации в технике: Справочник в 6 т./ Колебания линейных систем/ Под редакцией Болотина В.В. - М.: Машиностроение, 1978. - Т. 1. - 352 с.

2. Курс теоретической механики: Учебник для вузов/ В.И. Дронг, В.В. Дубинин, М.М. Ильин и др.; Под общ. ред. К.С. Колесникова - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 736 с.