2.3. Вибропреобразователь

Вибропреобразователь (ВП) предназначен для восприятия механических колебаний лопатки и преобразования их в электрический сигнал.

Устройство пьезокристаллического ВП показано на рис. 3.

Рис. 3. Пьезокристаллический

вибропреобразователь:

1 – игла–щуп;

2 – корпус;

3 – пружинная гайка;

4 – инерционная масса;

5 – пьезоэлементы;

6 – электрический вывод

ВП работает следующим образом.

При наложении иглы-щупа 1 на исследуемое тело (лопатку) колебания тела передаются через иглу и корпус 2 инерционной массе 4, прижатой пружинной гайкой 3 к пьезокристаллическим элементам 5.

Таким образом, на пьезоэлементы действует сила , где m - инерционная масса, а - ее ускорение (виброускорение). Пьезоэлементы вырабатывают электрические заряды, пропорциональные величине силы.

ЭДС вибропреобразователя линейно связана с виброускорением: , где К - коэффициент преобразования. Для вибропреобразователя ДН3: К = 10 мВ/(м/с²). Для вибропреобразователя 1ПА9: К = 30 мВ/(м/с²).

Если тело испытывает колебания с перемещениями и, соответственно, с виброускорениями , то вибропреобразователь вырабатывает переменную ЭДС (знак опущен) .

Измеряя указанную ЭДС и зная частоту колебаний, можно определить виброперемещение и виброускорение тела. При подаче сигнала вибропреобразователя на осциллограф можно наблюдать характер изменения параметров колебаний лопатки.

2.4. Работа аппаратуры

После закрепления лопатки (рис. 1) в зажимном приспособлении 2, установленном на плите 3, вибратор 4 присоединяют к лопатке с помощью штока 5. На вибратор подают постоянный ток от выпрямителя 6 и ток регулируемой частоты от генератора 7.

Колебания подвижной рамки вибратора через шток передаются лопатке. Лопатка испытывает вынужденные колебания. Наложенный на лопатку вибропреобразователь вырабатывает сигнал, пропорциональный амплитуде и частоте колебаний лопатки. Частота изменения сигнала равна частоте колебаний рамки, т. е. частоте тока, подаваемого от генератора. Регулируя силу и частоту изменения тока, вырабатываемого генератором, можно получить различные колебательные состояния лопатки. Параметры этих колебаний можно исследовать, наблюдая характер сигнала вибропреобразователя на экране осциллографа 8. Данный сигнал имеет вид синусоиды, период которой Т = 1 / f, где f - частота изменения тока, выра-батываемого генератором.

3. Методика проведения работы

3.1. Определение спектра собственных частот лопатки

Из теории вынужденных колебаний известно, что при совпадении частоты изменения возбуждающей силы и частоты собственных колебаний лопатки возникает резонансное состояние, характеризуемое увеличением амплитуды колебаний. Экспериментально это можно наблюдать по увеличению размаха сигнала вибропреобразователя на экране осцил-лографа. Однако "всплески" амплитуды возможны и при кратностях резонансных частот. Достоверным признаком истинных резонансных состояний является сдвиг во времени фазы колебаний лопатки относительно колебаний возбуждающей силы на . Наиболее наглядно эти процессы можно наблюдать, используя метод фигур Лис-сажу (см. лабораторную работу № 1). В данной лабораторной работе этот метод реализуется следующим образом.

При возбуждении лопатки вибратором на него подается от генератора ток с частотой . Лопатка испытывает колебания с той же частотой, а наложенный на нее вибропреобразователь вырабатывает сигнал, меняющийся также с частотой . Если подать на вход "X" осциллографа сигнал от генератора, а на вход "У" – сигнал от вибропреобразователя, то на экране возникает фигура Лиссажу. Поскольку частоты сигналов по обоим входам одинаковы, то это будет эллипс, большая ось которого наклонена к горизонтальной оси.

В состоянии резонанса амплитуда колебаний лопатки усиливается и при этом возникает сдвиг фазы колебаний лопатки относительно фазы возбуждающей силы. Рост амплитуды проявляется в увеличении сигнала по входу "У" (эллипс вытягивается), а сдвиг фазы – в повороте эллипса против часовой стрелки на 90°. После прохождения резонанса положение и размеры эллипса возвращаются примерно к исходному состоянию.

Варьируя частоту тока, подаваемого с генератора на вибратор, и фиксируя частоты, при которых отмечаются описанные состояния, можно определить спектр собственных частот колебаний лопатки.

Частоты могут быть определены либо по показаниям частотомера, либо по верньеру генератора.