Методы и технические средства детектирования фонограмм акустически активных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.11, кандидат технических наук Мелуа, Анри Аркадьевич

• Мелуа, Анри Аркадьевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мелуа, Анри Аркадьевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Некоторые теоретические аспекты в проблеме разработки первичных пьзоэлектрических преобразователей

1.1. Наиболее распространенные уравнения пьезоэффекта

1.2. Колебания стержня в электрическом поле, перпендикулярном его толщине. Поперечный пьезоэффект

1.3. Основы методики расчета резонансных частот пластин, совершающих контурные колебания

1.4. Анализ некоторых элементов в упругих полях прямоугольных пьезопластин

1.5. Газоэлектрические материалы, применяемые при разработке первичных преобразователей

Выводы по разделу

2. Методы и технические средства детектирования акустически активных механических объектов

2.1. Пьезоэлектрический акселерометр на базе пьезопластины, колеблющейся по толщине

2.2. Функциональная и электрическая схемы электронного стетоскопа

2.3. Конструктивные особенности электронного стетоскопа, предназначенного для диагностики узлов автомобильного двигателя

2.4. Основы методики детектирования механических акустически активных объектов на примере узлов автомобильного двигателя

Выводы по разделу

3. Методы и технические средства детектирования акустически активных биологических объектов

3.1. Пьезоэлектрический акселерометр на базе пластин, совершающих контурные колебания и расположенных на круговой базе

3.2. Функциональная и электрическая схемы электронного стетоскопа, предназначенного для диагностики акустически активных биологических объектов

3.3. Некоторые особенности механической части стетоскопа

3.4. Основы методики аускультативной диагностики биологических объектов

Выводы по разделу

4. Программное обеспечение электронного стетоскопа, оснащенного компьютером

4.1. Характеристика цифровых методов обработки аудиоданных

4.2. Аппаратные требования к вычислительному блоку

4.3. Требования к цифровому преобразованию аналоговых сигналов

4.4. Некоторые требования к построению математической модели. Общая характеристика используемых сигналов

4.5. Алгоритмы обработки данных

4.6. Интерфейс управления и визуализации данных

4.7. Интерфейс управления программным обеспечением электронного стетоскопа

4.8. Передача данных и средства удаленного контроля. Средства и способы передачи данных

Выводы по разделу

Основные выводы и результаты диссертационной работы

Литература

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и технические средства детектирования фонограмм акустически активных объектов»

ВВЕДЕНИЕ

Контроль качества конструкций и изделий так же, как и изучение физико-механических характеристик материалов, является важной задачей в различных отраслях промышленности.

В настоящее время широко используются многочисленные методы и технические средства, которые позволяют осуществлять контроль различных материалов и изделий на всех стадиях технологических процессов [1]. Наибольшее распространение для решения указанных задач получили акустические методы и средства контроля, основанные на использовании процессов излучения, приема, распространения и отражения упругих акустических волн [2].

Акустические . методы подразделяются на активные и пассивные. Активные акустические методы используют излучение и прием упругих волн и анализ параметров, возникающих в объекте контроля или его части бегущих или стоячих акустических колебаний.

Активные методы, в которых применяются бегущие волны, подразделяют на две подгруппы: методы, основанные на прохождении или отражении упругих волн, а также методы, использующие их комбинацию [1].

Методы прохождения предполагают наличие в технических средствах измерения двух пьезоэлектрических преобразователей: излучателя и приемника и, как правило, они располагаются с разных сторон объекта контроля.

В этой группе методов широко используется амплитудно-теневой метод, основанный на регистрации изменений амплитуды прошедшей волны за счет наличия в контролируемом объекте либо дефекта (трещина, раковина), либо

отклонения от нормы физико-механических характеристик, например, локальное изменение пористости, влажности и т. п.

Одной из модификаций указанного метода является временной теневой метод, в котором измеряют время запаздывания как непрерывной, так и импульсной упругой волны, вызванного явлением дифракции на дефекте в контролируемом объекте [2]. К этой же группе методов следует отнести эхозеркальный метод, при котором анализируются сигналы, испытавшие отражение от противоположной поверхности контролируемого объекта. Применяется также реверберационный метод, основанный на анализе времени объемной реверберации [3].

К комбинационным методам относятся зеркально-теневой и эхо-теневой методы [4].

Существенно отличаются от указанных методов импедансный метод, основанный на анализе изменения акустического импеданса участка поверхности контролируемого объекта [5].

В зависимости от способа возбуждения упругих колебаний в контролируемом объекте, используемые методы могут подразделяться как на методы свободных, так и резонансных колебаний [5].

К пассивным методам относятся акустико-эмиссионные методы, базирующиеся на анализе бегущих упругих волн, распространяющиеся в контролируемом объекте в результате его внутренней динамической локальной перестройки, которая возникает за счет развития трещин, превращений в кристаллической структуре, движения скоплений дислокаций и по другим причинам. [1].

В этом случае, контактирующие с объектом контроля преобразователи принимают упругие волны и позволяют исследователю установить наличие источников эмиссии и его координаты (при использовании нескольких преобразователей) [1].

К пассивным методам относятся также вибрационно-диагностический и шумодиагностический методы. В первом случае контролируются параметры вибраций какой-нибудь отдельной детали или узла механизма (ротора, подшипника или турбинной лопатки) [4].

Во втором случае спектр шумов, работающего механизма, с помощью микрофонных приемников и приборов анализируется спектрометром [6].

В свою очередь эти методы подразделяются по частному признаку на низкочастотные (до 100 кГц) и высокочастотные (до 50 МГц). Когда источником эмиссии является динамическая локальная перестройка в материале контролируемого объекта, такой объект можно интерпретировать как нормально акустически пассивный. В случае контроля объектов вибрационно-диагностическими и шумодиагностическими методами, объекты являются нормально акустически активными.

В настоящее время трудно указать такую область техники, практически все явления окружающего нас мира, которые бы в той или иной мере не были связаны с акустически активными объектами, т. е. с колебательными процессами. Современные методы и технические средства контроля позволяют измерять самые сложные колебательные процессы, протекающие в недрах Земли при землетрясениях и при разведке полезных ископаемых, при испытаниях новых машин и сооружений, при испытаниях самолетов и ракет, при зондировании сердца, мозга и других органов человека и животных.

Не смотря на то, что виброизмерительная техника ведет начало своего развития с глубокой древности, возникающие новые задачи, объекты контроля требуют более совершенных средств виброизмерительной техники, совершенствования методов расчета и проектирования новых измерительных и индикаторных приборов. В этой связи задачи создания новых первичных преобразователей-приемников, приборов, методик контроля и диагностики акустически активных технических и биологических объектов, остаются актуальными и имеют важное научное и практическое значение.

Решаемая проблема: Повышение объективности и достоверности диагностики состояния акустически активных объектов, за счет совершенствования методов и средств контроля, автоматизации системы анализа и регистрации фонограмм.

Цель работы: Разработка вибрационно-диагностического метода и электронных стетоскопов на базе пьезоэлектрических акселерометров, автоматизированной компьютерной системы для анализа фонограмм акустически активных механических и биологических объектов. Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи.

1. Анализ методов и средств детектирования параметров акустически активных объектов.

2. Разработка способа и средств контроля параметров упругих колебаний (вибраций) на базе пьезоэлектрических приемников.

3. Оптимизация конструкций пьезоэлектрических акселерометров и создание устройств контроля вибрирующих механических объектов.

4. Анализ особенностей и разработка метода диагностики акустически активных биологических объектов в норме и патологии.

5. Создание общей концепции дистанционной диагностики, разработка обучающих средств и средств обнаружения акустически активных биологических объектов в чрезвычайных ситуациях.

6. Разработка математических и физических моделей, алгоритмов для компьютерной обработки акустических сигналов.

7. Внедрение результатов разработок в практику диагностики машин и механизмов, а также в практику аускультативной диагностики биологических объектов.

Методы исследований. Работа выполнена на основе комплексных аналитических и экспериментальных исследований. Аналитические исследования проводились на физических и математических моделях, основанных на современных знаниях в области физической акустики, теории сегнетоэлектричества, промышленной электроники, микропроцессорной и электронно-вычислительной техники, неразрушающих методов контроля, а также специфических методов медицинской диагностики.

Результаты теоретических исследований проверялись путем анализа экспериментальных результатов исследований с использованием методов статистической обработки.

Новые научные и практические результаты, выдвигаемые на

защиту

1. Новая физическая концепция» положенная в основу способа конструирования пьезоэлектрических акселерометров на базе дисковых пьезоэлементов и прямоугольных пьезопластин.

2. Методика детектирования и диагностики повреждений в механизмах в процессе их эксплуатации, а также вызванных нарушений технологии сборки.

3. Методика диагностики, дистанционного анализа и регистрации фонограмм, несущих информацию о норме и патологии в органах биологических объектов.

4. Основы методики и оптимизация средств обнаружения акустически активных биологических объектов в чрезвычайных ситуациях.

5. Математическая модель и программа обеспечения электронного фонендоскопа, оснащенного компьютерной техникой.

Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе

1. Разработаны две модификации пьезоэлектрических акселерометров на базе пьезоэлектрических дисков и одномодовых пьезокерамических пластин, расположенных на круговой базе.

2. Разработан электронный стетоскоп, содержащий в качестве приемника дисковый пьезокерамический элемент, нагруженный на цилиндрический звуковод, в котором анализирующим индикаторным устройством являются наушники, а линейный выход с усилителя напряжения позволяет использовать регистрирующие устройства типа компьютер, магнитофон или осциллограф. Техническое средство позволяет осуществлять контроль и диагностику механических акустически активных объектов.

3. Разработан электронный стетоскоп, в котором в качестве приемника используется пьезоэлектрический акселерометр на базе пьезокерамических

пластин, расположенных на круговой базе, характеризующийся минимальной поперечной чувствительностью.

Прибор предназначен для диагностики органов биологических объектов в норме и патологии, в котором в качестве индикаторного блока используется динамик с оголовьем, а в качестве измерительного устройства используется компьютер, позволяющий анализировать фонограмму на дисплее в координатах времени или частоты и передавать информацию на расстояние через систему Интернет или посредством электронной почты.

4. Разработана обучающая многоканальная система, содержащая электронный стетоскоп, линейный выход которого подключен ко входу многоканального усилителя мощности, а выходы усилителя мощности соединены с наушниками (динамиками оголовьев), что позволяет одновременно обучающему и обучающим выслушивать и анализировать фонограммы. Проверка диагностической информации осуществляется с помощью компьютера, оснащенного банком данных.

5. Разработан электронный стетоскоп, содержащий в качестве приемника набор дисковых пьезокерамических элементов, нагруженных с одной стороны на инерционную массу, а с другой стороны на звуковод в виде диэлектрического стержня. В качестве анализирующего устройства используются наушники, а сам прибор предназначен для поиска людей, оказывающихся в чрезвычайных ситуациях, например, под развалинами дома.

6. Основные результаты диссертационной работы были использованы при выполнении научно-исследовательских работ: по Межвузовской научно-технической программе МО и ПО РФ "Неразрушающий контроль и диагностика", 1992 - 1998 гг; по Межвузовской научно-технической программе МО и ПО РФ "Сварка и контроль", раздел "Оптические, радиоволновые и тепловые методы контроля". 1998 - 2000 гг.

Стетоскоп электронный рекомендован к использованию решением Комитета по здравоохранению Администрации города Санкт-Петербурга в лечебно-профилактических учреждениях и в амбулаториях. № 09 -12/10 от 07 апреля 1997 г.

Представленный проект "Разработка и изготовление пьезоэлектрического электронного стетоскопа" на конкурсе "Внедрение - 97", организованном Администрацией Санкт-Петербурга, Санкт-Петербургским Союзом ученых, Молодежным обществом друзей Нобеля в результате проведенной независимой экспертизы признан победителем конкурса, г. Санкт-Петербург, 1997 г.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

• на 3-й Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада России", Санкт-Петербург, Ладога - Онега, 1998;

• на Международной научно-практической конференции "Курорты, экология, бизнес", г. Санкт-Петербург, Лахта, 1999 г.;

• на 15-й Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", г. Москва, 1999 г.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в семи научных работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения и списка используемой литературы, включающую 36 наименований. Объем работы составляет 150 страниц машинописного текста, 1 таблицу, 33 рисунка.

Краткое содержание работы

Во введении. Обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель, научная новизна, приведены сведения о практической значимости и использовании результатов работы. Описана структура диссертации.

В первом разделе дан анализ технических средств, используемых для реализации вибрационно-диагностического метода контроля акустически активных объектов, содержащих в качестве приемников колебаний микрофоны и пьезоэлектрические преобразователи. Показано, что для контроля и анализа параметров вибраций более эффективно использовать пьезоэлектрические преобразователи ускорений, т. к. микрофоны и пьезоэлектрические преобразователи давлений, как правило, имеют характеристику

направленности в виде "кардиоды", т. е. являются ненаправленными и обладают высокой чувствительностью к сигналам - помехам, распространяющихся по воздуху.

Предложено для уменьшения поперечной чувствительности пьезоэлектрических акселерометров использовать в них пьезоэлектрические элементы в виде тонких пластин, расположенных на круговой базе, нагруженных на инерционную массу. С целью разработки способов, позволяющих достигать высоких значений продольной чувствительности, в диссертационной работе рассмотрены некоторые известные положения теории колебаний пьезоэлементов, в которых проанализирован частный случай наиболее распространенных уравнений прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов вида

сг,

- С У 8 ■) ~ е т! Е т ,

(1)

ст, - механические напряжения; е^ механические деформации; с! -модули упругости, ет, - пьезоэлектрические модули; Ет - напряженность электрического поля; 0П - электрическая индукция; - диэлектрическая проницаемость.

Проведен анализ колебаний пьезоэлектрической пластины в электрическом поле перпендикулярном ее толщине и получено решение уравнения движения для анизотропной пьезоэлектрической пластины типа:

Рп2и = -

Зст^ да

+ ■

12

(2)

5х ау

где р - плотность, П = 2п1- частота, сту - механическое напряжение,

= 1, 2, и, V - смещение вдоль осей х и у соответственно.

Определены корни уравнения при рассмотрении их как частного случая уравнения Штурма-Лиувилля. Произведен расчет частот мод колебаний пьезоэлементов в виде прямоугольных пластин и проанализирован характер

амплитудных распределений смещений. Показано, что при конструировании пьезоэлектрических преобразователей ускорений целесообразно использовать пьезопластины с кратными значениями частот мод колебаний, т.е. \2=2и, и #3=3^ и т.д.

В первом разделе проанализированы также принципы построения диагностических электронных фонендоскопов-стетоскопов на базе электретных конденсаторных микрофонов и сформулированы задачи исследований.

Во втором разделе описываются результаты исследований по разработке электронного стетоскопа, предназначенного для диагностики состояния механических акустически активных объектов на примере узлов автомобильного двигателя.

В третьем разделе приведены результаты исследований по разработке электронного стетоскопа, предназначенного для выслушивания и диагностики состояния органов акустически активных биологических объектов.

В четвертом разделе изложены принципы компьютерной обработки акустических сигналов принимаемых и анализируемых от акустически активных технических и биологических объектов. Приведено программное обеспечение электронного стетоскопа, оснащенного компьютером.

1. НЕКОТОРЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ В ПРОБЛЕМЕ РАЗРАБОТКИ ПЕРВИЧНЫХ ПЬЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1.1. Наиболее распространенные уравнения пьезоэффекта

Пьезоэлектрические уравнения выводятся непосредственно из термодинамических потенциалов (термин впервые введен Кельвином и Гиббсом и является синонимом свободной энергии).

Свободная энергия может выражаться через деформации или напряжения. В первом случае она называется первым термодинамическим потенциалом, и ее производные, взятые по компонентам упругой деформации, являются компонентами напряжения. Во втором случае - вторым термодинамическим потенциалом, и ее производные, взятые по компонентам упругого напряжения, являются компонентами упругих деформаций [7].

Дюгем и Фойгг применили термодинамические потенциалы при описании работы кристаллов. В данной работе нас будут интересовать пьезоэлектрические кристаллы, т. е. такие, которые характеризуются не только упругими, но и диэлектрическими, а также пьезоэлектрическими свойствами. Для описания указанных свойств получены соответствующие системы констант.

Существует несколько способов записи уравнений, связывающих упругие, диэлектрические и пьезоэлектрические константы. Один из них заключается в том, что за независимые переменные принимаются механические напряжения, напряженность электрического поля и температура. Тогда механические деформации, электрическая индукция и энтропия будут функциями этих переменных.

Второй, наиболее распространенный, способ состоит в том, что в качестве независимых переменных принимают механическую деформацию, электрическую индукцию и энтропию, а механические напряжения, напряженность электрического поля и температура являются зависимыми постоянными. Число зависимых постоянных можно сократить, если

рассматривать адиабатические величины (когда предполагается, что в любом элементе объема отсутствуют процессы переноса тепла).

Под процессом переноса тепла понимают отдачу его во внешнюю среду или приток из внешней среды.

Рассмотрим пьезоэлектрический кристалл как систему, обладающую упругими свойствами, и проанализируем, какими упругими константами можно охарактеризовать его. Как принято в динамической теории упругости, упругие константы могут быть определены при рассмотрении напряженного состояния тела в виде элементарного единичного объема. Упругие силы, действующие на элементарный объем, складываются из трех составляющих. Первая составляющая силы, действующие вдоль оси х, определяется нормальным напряжением, действующим на грани с1ус12 с координатами х и х + с!х:

Вторая составляющая силы, действующей в направлении оси х на грани, перпендикулярные оси у, может быть определена из выражения

И, наконец, третья составляющая, обусловленная сдвиговым напряжением на гранях, перпендикулярных оси т.

дх

(1.1.1)

да

<*ух (У + «ЭДсМг - <Тух МсМг = —

— с1хс1ус12

(1.1.2)

а^ (г + с1г)с1хс1у - а^ (г)с1хс1у = —^сМус^

гх

(1.1.3)

Определив все силы, действующие вдоль положительного направления оси х, можно записать их сумму:

=

т---г

дх

дг

dxdydz

/

а также сумму составляющих всех упругих сил, действующих вдоль положительных направлений осей у и т.

до,- бОу-^ , , ,

* +—^ + —^ dxdydz

дх ду дг

У

=

'дет»

\

дх ду дг

dxdydz

(1.1.6)

где а|к - механические напряжения, которые действуют на

элементарный объем и стремятся его деформировать; су^су^сг^ -

нормальные составляющие напряжений; ст^.а^.ст^ - касательные

составляющие напряжений.

Матрица компонент механических напряжений имеет вид

СТхх <*ху °ух °уу ®уг °гх агу

Существует закон парности касательных напряжений, согласно которому

(1.1.8)

Благодаря этому условию число компонент механических напряжений уменьшается с девяти до шести.

Помимо компонент напряжений, характеризующих напряженное состояние упругого тела, в теории упругости рассматриваются компоненты деформации, так как механические напряжения возникают в

деформированном теле. Линейные деформации, так же как и поперечные, определяются на основании соотношений

_ аи

8хх дх '

8уу ~

а\/

ду '

ау\/

дг

1.1.8)

аи 8У дУ aw аи aw

+ 8уг = аг+"ау~; 8гх = ~дг+~дх (1-1-9)

где I), V, W - компоненты смещения точки, координаты которой в неизменном состоянии х, у, г превращаются деформацией в х + и, у + v, г + \лл Компоненты вращения могут быть определены как

2\Л/ = — + • (11.Ю)

х ду дг' у дг дх ' дх ду 4 ;

Для анизотропных упругих тел связь между деформациями и напряжениями при небольших смещениях описывается законом Гука:

Стхх - С11£хх + с12еуу + С13£гг + С14£уг + С15£хг + С16£ху

ауу — С21£хх + С22£уу + С23£22 + С24Вуг + ^25£хг + С26£ху

ст22 - Сз-^ + Сззвуу + Сззб^ + с348у2 + с358Х2 + с36еху

- ау2 - с^б^ + с42еуу + с43£22 + с44еу2 + с^б^ + с46бху (1.1.11)

~ СТхг = С51£хх + С52£уу + С53£22 + С54£у2 + С55£хг + С56£ху

- СТху - С61£хх + С62£уу + С6382г + С64£уг + С65ЕХ2 + С66£ху

Уравнения (1. 1. 11) можно записать в сжатой форме:

-о, =с^,и = 1,2...,6 (1.1.12)

где су- модули упругости, которые выражают пропорциональность между

компонентами деформаций е! и напряжений а,. Знак "минус" перед

напряжением взят из условия, что положительная деформация вызывает отрицательное напряжение.

Если разрешить уравнение (1. 1. 11) по соотношению деформаций е1, то

закон Гука можно записать в виде

е, = Зуст] (1.1.13)

где в, - постоянные гибкости.

В теории упругости закон Гука предполагается справедливым для всех типов деформаций.

Помимо упругих эффектов пьезоэлектрик характеризуется электрическим и пьезоэлектрическим эффектом. Рассмотрим, как это влияет на диэлектрические свойства пьезокристаллов. Пьезопластину поместим в однородное электрическое поле так, чтобы нормаль к пластине была параллельна полю Е0. Тогда

О = К0Е0 = Е + Р (1.1.14)

где Р - электрическая индукция; Е - напряженность электрического поля; Р - поляризация. Связь между Е и Р может быть определена из уравнения

Р = г|Е (1.1.15)

где т| - диэлектрическая проницаемость.

Общая связь между полем Е и поляризацией в кристалле описывается уравнением Кельвина

Рх =т1цЕх +Л12ЕУ +Л13Е2

Ру =Л21ЕХ+Л22ЕУ +ГЬЕ2 (1.1.16)

="Пз1Ех+Лз2Еу+ЛзЗЕг

Уравнения для компонент электрического смещения могут быть записаны следующим образом:

Ох =К11ЕХ +К12Еу +К13Е2

Оу =К21Ех+К22Еу+К23Ег (1.1.17)

Ог =К31ЕХ +К32Еу +К33Ег

где К - диэлектрические постоянные.

Связь между электрическими проницаемостями и диэлектрическими постоянными описываются уравнениями

к№ = 1+л№; ки = к„=Лм; (1.1.18)

где к„„ и - прямые коэффициенты; Кы и г\ы - поперечные коэффициенты.

Энергетическое состояние пьезоэлектрических кристаллов может быть определено заданием конечного числа его внутренних и внешних параметров. В качестве таких параметров используются восемнадцать скалярных величин, таких как механические напряжения ст| (шесть независимых компонент), электрическое поле Е (три компоненты), механическая деформация е1 (шесть

независимых компонент), электрическая индукция Р (три компоненты).

Число параметров, характеризующих энергетическое состояние кристалла, указано с учетом адиабатичности процесса. В качестве независимых параметров выбирают любые девять переменных. Из второго закона термодинамики следует, что при любой комбинации существует единственная функция выбранных переменных, такая, что остальные девять величин будут производными этой функции по независимым переменным.

Рассмотрим частный случай, когда в качестве независимых переменных выбираются е]Р. Тогда функцией переменных будет величина внутренней

энергии кристалла, дифференциал которой определяется соотношением

= (1.1.19)

I

где ^ - обобщенная сила; Ц - обобщенная координата. Правая часть уравнения (1. 1. 19) определяет элементарную работу, совершаемую над системой.

Рассмотрим работу, которую совершают над кристаллом механические и электрические силы. Пусть кристалл имеет форму элементарного куба единичного объема и испытывает небольшую однородную деформацию е}, а

компонента деформации е изменяется от е^ до е^ + с^, тогда как все остальные компоненты деформации и положение центра тяжести куба остаются без изменения. Каждая грань куба, перпендикулярная оси х, сместится от центра на расстояние при этом работа будет равна нормальной компоненте силы

Аналогичным образом могут быть записаны выражения для работы при нормальных деформациях вдоль осей у и т.

А = стууабуу ; А = аг2дегг (1.1.21)

Теперь рассмотрим случай, когда единичный куб совершает деформацию сдвига таким образом, что грани, перпендикулярные оси у, смещаются в противоположных направлениях параллельно оси г. При этом деформация возросла от е^ до е^+с^. Поскольку центры граней,

перпендикулярные оси у, сместились на расстояние с1еу21 то работа,

совершаемая компонентой напряжения, может быть рассчитана из

соотношения

А = ау2аеу2 (1122)

Аналогично выводятся выражения для других сдвиговых компонент:

А = стяс1Бв ; А = о^б^ (1123)

Следовательно, элементарная работа, совершаемая механическими силами при произвольной деформации, рассчитывается из соотношения

А = (7^8, (11.24)

Рассмотрим теперь работу, которую совершают внешние источники при изменении поляризации кристалла. Пусть в некоторый момент времени разность потенциалов на обкладках конденсатора равна ф2-ф,=ф. Силы, необходимые для изменения заряда "+" на обкладке от е до е + с!е, равны

с!А = фей (1.1. 25)

Тогда с!е = Ря ; ф = Е^,

где Р - площадь электродов; расстояние между ними; я -поверхностный заряд.

Отсюда выражение (1.1. 25) перепишется в виде

с!А = Е^д = ЕУЭпдц (1.1. 26)

Поскольку О = е0Е + Р и dq = dD, то совершаемая на единицу объема работа будет равна

(ЗА = с1(е0Е2 /2) + с1Р (1.1.27)

Первое слагаемое в правой части (1. 1. 27) можно отбросить. Оно показывает изменение энергии конденсатора в случае, если бы он не был заполнен диэлектриком.

Подставляя (1.1. 24), (1. 1. 27) в (1. 1. 19) , получим выражение для дифференциала внутренней энергии кристалла:

(Л/ = СУ:С|£. +Е.с1Р. (1.1.28)

1 \ I I 4 '

Аналогичным образом могут быть получены потенциальные функции следующего типа при условии адиабатичности процесса: упругий потенциал Гиббса, или упругая энтальпия [8].

Н, = V - ст^ (1.1.29)

электрический потенциал Гиббса, или электрическая энтальпия

Н2=У-ЕД (1.1.30)

полный потенциал Гиббса, или энтальпия

Н = V - Ст|8} - Ер, (1.1.31)

Свободная энергия в случае адиабатичности процесса равна внутренней энергии: А = V.

Рассмотрим, как, используя термодинамические потенциалы, можно получить уравнения пьезоэффекта. Пусть деформация б, и напряженность

электрического поля Ет независимы. В качестве зависимых параметров или функций выберем механическое напряжение а, и электрическую индукцию Рп.

Полный дифференциал функций может быть записан в виде

, да, . Зет, с!сг, =—1сЦ +—!-с!Ет де-! дЕт

¿Ю. , дО. = —з-бв, !LdEn 5Бj 5Ет

Заключение диссертации по теме «Методы контроля и диагностика в машиностроении», Мелуа, Анри Аркадьевич

Основные выводы и результаты диссертационной работы.

В диссертационной работе обобщены результаты комплексных исследований по проблеме контроля акустически активных технических и биологических объектов с использованием вибрационно-диагностического метода.

Наиболее существенные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Предложена и экспериментально подтверждена новая концепция, положенная в основу способа конструирования пьезоэлектрических акселерометров на базе пьезокерамических прямоугольных пластин, расположенных на круговых базах, что позволило разработать пьезоэлектрические акселерометры, с малой боковой чувствительностью и высокой помехозащитностью от акустических сигналов, распространяющихся по воздуху.

2. Разработан и изготовлен электронный стетоскоп и основы методики диагностики повреждений в акустически активных механических объектах (автомобильных двигателях, насосах, котельных механизмах и т. п.) в процессе их эксплуатации, а также вызванных нарушений технологии сборки.

3. Разработан и изготовлен электронный стетоскоп и основы методики аускультативной диагностики акустически активных биологических объектов в норме и патологии. Прибор рекомендован Комитетом по здравоохранению Администрации г. Санкт-Петербурга к использованию в лечебно-профилактических учреждениях, в амбулаторной практике, в чрезвычайных и экстремальных ситуациях (дорожно-транспортных происшествиях, производственных чрезвычайных происшествиях, массовых потерях, связанных с военными действиями и т. п.).

4. Разработана и изготовлена модификация электронного стетоскопа, содержащая многоканальную акустическую систему, которая позволяет создать качественно новый учебный процесс, направленный на обучение студентов методам аускультативной диагностики, как в присутствии больного, так и при анализе фонограммы, записанной на магнитофон.

5. Разработана и изготовлена модификация электронного стетоскопа, снабженная стержневым звуководом, которая позволяет обнаруживать акустически активные биологические объекты в чрезвычайных ситуациях, например, под развалинами дома.

6. Сформулированы аппаратные требования к средствам акустического контроля, требования к созданию математической модели и программное обеспечение электронного стетоскопа, оснащенного компьютером, позволяющая при наличии банка данных о нарушениях в акустически активных механических объектах и патологиях в биологических объектах автоматизировать процесс контроля и диагностики.

7. Разработана методика записи фонометрической информации на дисплее компьютера и передача данных на средства удаленного контроля, например, на другой компьютер, лечащему врачу, в кардиологический центр, диагностическую механическую лабораторию по модему, что позволяет расширить круг пользователей и исключить ошибки в случаях затруднительной диагностики.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мелуа, Анри Аркадьевич, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА:

1. Ермолов И. HL, Алешин Н. П., Потапов А. И. Акустические методы контроля. М.: Высшая школа, 1991, 288 е.;

2. Шрайбер Д. С. Ультразвуковая дефектоскопия. М.: Машиностроение, 1968, 263 е.;

3. Бреховских Л. М.» Годин О. А. Акустика слоистых сред. М.: Наука,

1989,416 с.;

4. Гурвич А. К., Ермолов И. Н. Ультразвуковой контроль сварных швов. Киев: Техника, 1972, 460 е.;

5. Викторов И. А. Ультразвуковые поверхностные волны в твердых телах. М.: Наука, 1981, 288 е.;

6. Иванов В. И., Белов В. М. Акустоэмиссионный контроль сварки и сварных соединений. М.: Машиностроение, 1981, 284 е.;

7. Кэди У. Пьезоэлектричество и его практическое применение. М.: Иностранная литература, 1949, 717 е.;

8. Киреев В. А. Курс физической химии. М.: Химия, 1975, 775 е.;

9. Поляков В. Е., Потапов А. И., Сборовский А. К. Ультразвуковой контроль качества конструкций. Л.: Судостроение, 1978, 200с.;

10. Н. Ekstein. Free vibration of anisotropic bodies, Phys. Rev., 1944, v. 66, №5, p. 108-118;

11. Проектирование датчиков для измерения механических величин (Под ред. проф. Осадчего Е. П.). М.: Машиностроение, 1979, 479 е.;

12. Бриндли К. Измерительные преобразователи. М.: Энергоатомиздат. 1991, 143 е.;

13. Гевондян Т. А., Киселев Л. Т. Приборы для измерения и регистрации колебаний. М.: Машиностроительная литература, 1962, 468 е.;

14. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, фирма Medizintechnic, GmbH, Electronik Stetoskope, 1994;

15. Техн. паспорт стетоскопа ЭС-01 (ЭС-1Р) ИФУС 9411.001 ПС, 1994.

16. Мелуа А. А., Поляков В. Е., Потапов А. И. Диагностика состояния агрегатов автомобильного двигателя электронным стетоскопом. Материалы 15

Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", М., 1999;

17. Мелуа А. А., Поляков В. Е., Потапов А. И. К проблеме детектирования фонограмм акустически активных биологических объектов. Санкт-Петербург: Изд. МФИН, 1996, 31 е.;

18. Говорущенко Н. Я. Диагностика технического состояния автомобилей. М.: Транспорт, 1970, с. 193;

19. Мирошников Л. В., Болдин А. П., Пал В. И. Диагностирование технического состояния автомобилей на автотранспортных предприятиях. М.: Транспорт, 1977, с. 268;

20. Поляков В. Е., Потапов А. И. Способ изготовления ультразвуковых преобразователей. Авт. свид. № 360607, БИ № 36, 1973;

21. Поляков В. Е., Потапов А. И. Низкочастотный раздельно-совмещаемый пьезоэлектрический преобразователь. Авт. свид. № 530247, БИ №36,1976;

22. Поляков В. Е., Филиппов В. Л., Потапов А. И., Гусаров Г. В., Мелуа А. А. Оптимизация диагностики с помощью фонендоскопа-стетоскопа электронного (ФСЭ-1М) в различных медико-экологических условиях. Материалы 3-й Международной конференции "Экология и развитие Саверо-Запада России", СПб., 1998;

23. Мелуа А. А., Поляков В. Е., Потапов А. И. Аускультативная диагностика органов человека в норме и патологии. Материалы 15 Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика". М„ 1999;

24. Мелуа А. А., Потапов А. И., Поляков В. Е. Электронный фонендоскоп-стетоскоп и некоторые особенности его применения в курортно-оздоровительных комплексах. Российская научно-техническая конференция "Экология, курорты, бизнес", Санкт-Петербург, Лахта, 1999;

25. Мелуа А. А., Поляков В. Е., Потапов А. И. Диагностическая система в учебном процессе студентов медицинских учебных заведений. Материалы 15 Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", М., 1999;

26. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Фонендоскоп-стетоскоп электронный (ФСЭ-1М). СЗПИ. СПб., 1996;

27. Мелуа А. А. К проблеме программного обеспечения электронного стетоскопа, оснащенного компьютером // Межвузовский сборник. СЗПИ. СПб., 1999;

28. Чирейкин Л. В., Шурыгин Д. Я., Лабутин В. К. Автоматический анализ электрокардиограмм. Л.: Медицина, 1977, 248 с.

29. Л.Рабинер, Б.Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер. с английского - М.: Мир, 1978.

30. С.Л.Марпл-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с английского - М.: Мир, 1990.

31. В.В. Крюков. Цифровая обработка сигналов. Конспект лекций.

Влад.ВГУЭС. 1998.

32. Ф.Дж.Хэррис. Использование окон при гармоническом анализе методом дискретного преобразования Фурье.// ТИИЭР, 1978 г. Т 66. №1, с.60

33. R.G.BIackmen, J.W.Tukey. The measurement of power spectra frow the point of view of communication engineering.//Bell Sust. Tech. Souinal. 1958 r. №1. C.12.

34. У.М.Сиберт. Цепи, сигналы, системы: Перевод с английского - М.: Мир, 1988 г. С.252.

35. Дж.Бендат, А.Пирсол. Прикладной анализ случайных данных: Перевод с английского - М.: Мир, 1989 г. С.420.

36. Дж.Купер, К.Макчиллем. Вероятностные методы анализа сигналов и систем: Перевод с английского - М.: Мир, 1989 г. 364 с.

1. МЕТОДЫ ДЕТ

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ

ПАРАМЕТРОВ

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ПРОЦЕССА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ

Акустические методы

1 » объект контроля, 2 - приемник, 3 - усилитель, 4 - блок обработки результатов

IЫПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1 - измеряемая величина, 2 - чувствительный элемент,

3 - преобразующий элемент, 4 - входное сопротивление, 5 - выходное сопротивление, 8 - источники питания, 7 - сопротивление нагрузки, 8 - преобразователь давления, 9 - преобразователь скорости, 10 - преобразователь ускорения

2. НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ УРАВНЕНИЯ ПЬЕЗОЗФФЕКТА

ПРЯМОЙ И ОБРАТНЫЙ ПРОДОЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

ПОПЕРЕЧНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

X

вых

0| Су ет,Ет

0П ^тгД т еп]8]

£ели деформации ж напряжения направлены

вдоль оси х, тоща

^хх ~~ Сц£хх вцЕ.

£

111-X

-4- о.

'I О -I 1»-' \/ I I ЛЛ

Поле вдоль оси х, волна вдоль оси у

Уравнение движения Решение имеет вид

п =

р. = Я ст + г! Р

т

Е + с! -а-

£

УУ

+ с112Ех

Э2т] _ 1 32т] Э12 р§22 Эу2

Л ^

А^ш —у+ А2С05 V"

О

а

4; г /

У У

й

3. КОЛЕБАНИЯ ТОНКИХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ПЬЕЗОПЛАСТИН

УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ

ра2и = -[Эахх / Эх + Эаху / Эу] = -[Эа / Эх + Эа / Эу]

0! =

Е(-}

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ (••■■■■) ЗНАЧЕН ЧАСТОТ ТРЕХ МОД КОЛЕБАНИЙ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ПЛАСТИН

800 600 400 200

О

е \

%^3-я мода

V» ¿2-я мода

•X 1-й мода

X

____/

в?» ц V

1 и-- 1 «

10

20

30 Ъ,ММ

ХАРАКТЕР КОЛЕБАНИЙ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ

ПЛАСТИНЫ

1

Гг=Г!

Первая мода колебаний

и1=В1созк1х(0,9351пк,у+0,36)

у1=В,со8к!у(0.935тк1х-0,06)

Вторая мода колебаний

и2=Вгсо5к,х(0,6951пкгу-0,56)

уг=В2со5Игу(0,69Бтк,х-0,46)

Третья мода колебаний

иЗ=ВЗсо5к,х(0,22з|'пкгу+0,26)

уЗ=ВЗсозкгу(0,2251пк,х-0,94)

ХАРАКТЕРИСТИКА НАПРАВЛЕННОСТИ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

При: п>3, 6<У2

3 и

4. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

ПОДХОД К КОНСТРУИРОВАНИЮ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ

1 - основание,

2 -пьезоэлемент в виде пластины с продольным

пьезозффектом,

3 - инерционная масса,

4 - корпус,

5 - пружина.

СЗ-

1 - основание, 2 - пьезоэлемент, 3 - инерционная масса, 4 - корпус, 5 - звуковод в виде стержня

ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ДАТЧИКА

ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АКСЕЛЕРОМЕТРА

П — 1 ^м П = 0 7 пм \/ — 0 О см у = 0 см. т -/ пА г

ИЗО " ВН ----7 Ш -7 '7 > ---7 ин 7

Электрическая емкость - 40 пФ

Чувствительность в диапазоне (30-16000) Гц составляет (3-5) мВ/Па

Выходной уровень звукового давления, обусловленный собственными шумами - не более 60 Дб

Амплитудно-частотная характеристика близка к линейной в

___^ .. . /ЛЛ 5=. .

^ИаЛа«5иНс (Ои^ии'^и/ а Ц

г*

L ЭЛЕКТРОННЫЙ СТЕТОСКОП ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ АВТОМОБИЛЯ

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОННОГО

СТЕТОСКОПА

вых. вх.

А П> I I—

■I

1 - пьезоэлектрический приемник, 2 - согласующий каскад, 3 - масштабный усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, 4 и 5 - два звена полосового фильтра, 6 - усилитель мощности, 7 - наушники, 8 - интерфейс с электрическим разъемом "Вых", 9 <.г аккумуляторная батарея, 10 -устройство сенсорного включения, 11 - схема формирования средней точки (земли) питания, 12 - аналого-цифровой преобразователь, 13 - блок анализа (компьютер), 14 - блок эталонных фонограмм.

¡(□Ни 5 РУКЦИИ ЭЛЕ615 РОННОб О СI £1ОСКО! §А

¿¡и и

н

ОБЩИЙ ВИД ЭЛЕКТРОННОГО СТЕТОСКОПА

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Коэффициент усиления не менее 12 Полосы пропускания частот на уровне 3 Дб на 1 диапазоне - (30 - 5 ООО) Гц, на 2 диапазоне - (30 -10 ООО) Гц, на 3 диапазоне - (30 -16 000) Гц, Чувстивительность пьезоэлектрического

; .=. fei а и 5-2 : 5 В

рк j ¡es

Масса прибора без наушников составляет 210 г.

6. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В АВТОМОБИЛЕ ИСТОЧНИКОВ

АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Зоны контроля:

1 - зона клапанов,

2 - зона поршней,

3 - зона толкателей,

4 - зона подшипников,

5 - зона распределительных шестерен.

ВИБРОГРАММА УДАРА В ШАТУННОМ ПОДШИПНИКЕ ВАЛА

1 1 1 л\\ 1 \\ л л п ! ! 1 ! | а. -4.

ро" 1 г----*---- V" --1— I V / Ш/ IV V чо Г ^ ! ---.-- ао -- ^—>| -- :н> | :'л) ] п о 1 ! ! ---1---1-ч----1---- о» 1 --1-- -

[ е ! 1 1 1 Н !|5 1 ¡¡¡¡! 1 1

1 1 »| 1 1 ! I ! 1 1 !

о

ВИБРОГРАММЫ ПОСАДКИ КЛАПАНОВ

При снижении

ы

» в В Ъ .

СТИЧЕСКИ АКТИВНЫ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР НА БАЗЕ ПЛАСТИН С ПОПЕРЕЧНЫМ ПЬЕЗОЭФФЕКТОМ

а) схема пьезоэлектрического акселерометра со снятыми крышкой и инерционной массой

б) схема электрического включения пьезопластин к электрическим шинам 2 и 3, к плате 4 и разъему 5

в) схема пьезоэлектрического акселерометра

11 - полиуретановый протектор,

2 - корпус,

3 - пьезопластины,

4 - инерционная масса, 7 - корпус, 14 - согласующий

Остальные позиции элементы конструкции и электронной схемы.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА ИСТОЧНИКОВ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Наличие шумов в кровеносных сосудах мозга (ламинарное и

турбулентное движение крови) — г, ~ * •>

Дыхательные шумы и

Низкочастотные звуки тонов Короткова

- Ритм сердца плода беременных женщин

Частотный диапазон работы органов человека в норме и патологии составляет величину 5 $

от единиц Гц до 5000 Гц " *

9= Э

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЬМА i 1РИБОРА

ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ

ОБЩИЙ ВИД СТЕТОСКОПА

звук

усиление

4 - 5 6 Г 7

1 1 полоса частот ->

12

звук

8

контакты сенсора

тг

вых. вх.

J-t

14!

1 - пьезоэлектрический акселерометр, 2 - согласующий каскад, 3 - масштабный усилителдь, 4 и 5 - фильтры, 6 - усилитель мощности, 7 - динамик, 8 - интерфейс, 9 - питание, 10 - сенсор, 11 - "земля", 12 - оголовье. 13 - АЦП, 14 - компьютер

•v

S, дБ

£0 55 50 45 40 35 30 25

А РА ЕСТ Е Р И СIШ К Ш Ф И Л Ы Р О В

Полосы частот:

✓ < \ 4 \

/ s N s \

/ \ \ s

/ / \