Использование колебаний и резонанса в задачах на измерение (обнаружение)

Собственная частота колебаний универсальная характеристика. Если любое тело заставить колебаться и при этом плавно изменять частоту, то настанет момент резонанса по этой частоте можно определить характеристики тела (массу, размеры, упругость и т.д.).

• А.с. 271051: способ измерения массы жидкости в резервуаре путем измерения резонансной частоты резервуара.
• А.с. 244690: способ измерения веса движущейся нити путем измерения резонансной частоты на участке нити между двумя роликами.
• А.с. 560563: способ определения степени опорожнения вымени коровы при машинном доении путем измерения резонансной частоты вымени.
• А.с. 1008617: способ измерения массового расхода протекающей по трубам среды путем возбуждения в каждой трубе поперечных колебаний, при котором с целью повышения точности вынужденные колебания четной трубы возбуждают с частотой, равной резонансной частоте нечетной трубы, а для нечетной наоборот.
• А.с. 647597: способ виброакустического контроля несущих поверхностей летательных аппаратов, основанный на возбуждении в несущих поверхностях синфазных резонансных колебаний, и измерение резонансных частот каждой плоскости, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности измерений и точности определения местоположения дефекта, на идентичные точки несущих поверхностей устанавливают симметрично продольной оси самолета несколько пар датчиков, сравнивают по фазе сигналы каждой пары и по разности фаз определяют величину дефекта, а по положению датчиков, с которых получены информация о дефекте, судят о местоположении дефекта.

Очень надежной должна быть работа системы контроля целостности подводных конструкций (чаще всего трубчатых) морских буровых платформ. Одна из французских фирм предложила такой способ: в трубчатые конструкции нагнетается воздух, устанавливаются датчики давления, трубы герметизируются и по падению давления в процессе эксплуатации судят о нарушении их целостности. Однако такая система требует больших затрат на поддержание своей работоспособности - компрессоры, сложную систему воздухонапорных шлангов, клапанов, редукторов и пр. Намного проще и надежнее резонансный контроль целостности конструкции. Для этого надо заранее зарегистрировать собственную частоту колебаний каждой трубы при ударе по ней (принцип ксилофона). Трещины меняют звучание трубы при ударе (как и треснувшая фарфоровая чашка), собственная частота изменяется и при попадании воды внутрь трубы ("Наука и жизнь", 1983, № 2,с. 109).

А если невозможно придать колебания объекту? Тогда о его состоянии судят по изменению собственной частоты колебаний присоединенного объекта (или внешней среды). Чаще всего к объекту "присоединен" воздух.

Например, фирма "Маркони Авионикс" разработала устройство для определения уровня угля в бункере глубиной до 80 м. В описании говорится, что оно включает радар когерентного типа, микропроцессор, дисплей, пульт управления и т.д. Очень сложно! Давно известен способ медицинской диагностики - простукивание грудной клетки человека. На похожем принципе основан универсальный способ измерения объема любых сыпучих (или жидких) материалов в емкости по объему воздуха над ними (а.с. 321687, 507781). Достаточно озвучить емкость, измерить частоту звучания воздуха и по этой характеристике определить объем воздуха, а значит, и объем материала.

Сами собственные колебания (факт их наличия или отсутствия) могут служить сигналом для обнаружения (измерения). Если амплитуда этих колебаний недостаточна, их можно усилить. Самый простой способ усиления использование резонаторов. Например, по а.с. 1175778 предложено самое простое и эффективное устройство для оповещения о приближающемся поезде: оно представляет собой корпус, стерженек, мембрану и резонатор (рупор) корпус закрепляется на рельсе и устройство во много раз усиливает его гудение.

Но не только резонанс является эффективным средством измерения систем. Практически любые изменения собственной частоты колебаний объекта могут служить надежными показателями его механического состояния и физических свойств, например: скорость затухания собственных колебаний,

а.с. 348945: способ определения содержания в яйце плотной и жидкой фракций с помощью крутильного маятника в виде диска, подвешенного на двух нитях. На диск кладется яйцо и маятник приводится в движение. Вследствие внутреннего сопротивления (вязкости) белка амплитуда колебаний быстро уменьшается. Вязкость плотной фракции белка в 10-12 раз больше, чем вязкость жидкой фракции. Чем больше плотной фракции, тем быстрее затухание и наоборот. По количеству колебаний определяют содержание фракций.

изменение величины механических потерь в объекте при изменении его собственной частоты,

а.с. 1004814: способ определения теплостойкости материалов (реактопластов) при котором постепенно повышают температура образца, воздействуют на него колебаниями, и определяют момент его размягчения по резкому изменению механических потерь на участке от источника колебаний до датчика.

изменение амплитуды собственных колебаний,

а.с. 1024227: способ определения предельно допустимого износа сверла путем измерения амплитуды колебаний, генерируемых системой инструмент-станок (сравнивают с заранее определенными параметрами допустимого износа).

спектр звуковых колебаний для определения состояния множества движущихся объектов,

а.с. ЧССР 190603: способ определения изменения состояния слоя частиц при протекании сквозь него газа или жидкости (например, частичная агломерация частиц в результате их плавления или разрушения непрочных частиц слоя) по изменению непрерывно регистрируемого спектра звуковых колебаний, возникающих при протекании потока сквозь слой частиц;
по спектру шума, издаваемого специальной "денежной" бумагой предложено даже определять подлинность банкнот ("Химия и жизнь", 1982, № 8, c. 95);

лучший товар США 1988 года: миниатюрный анализатор спектра шума работающего автомобиля для определения его технического состояния; индикатором размером с авторучку прикасаются к корпусу и выявляют скрытые повреждения, коррозию и т.п. ("Социалистическая индустрия", 21.01.89, с.3).

Если невозможно определить изменения собственной частоты системы, то используют присоединенные объекты проводят анализ изменения частоты собственных колебаний такого объекта и по нему судят об изменениях в системе.

• А.с. 616536: способ определения усилия в предварительно напряженном стержневом элементе, заключающийся в том, что на элементе в заданном сечении размещают присоединенную массу, действуют в этом сечении возбуждающей силой, замеряют частоту собственных колебаний системы и рассчитывают усилие, отличающийся тем, что с целью повышения точности определения, изменяют присоединенную массу, возбуждают колебания полученной системы, измеряют частоту собственных колебаний, а усилие рассчитывают по результатам двух измерений.
• А.с. 900178: способ неразрушающего контроля элементов конструкции, заключающийся в том, что в контролируемом элементе возбуждают изгибные колебания, измеряют его собственную частоту и по ней рассчитывают параметры состояния элементов конструкции, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения на контролируемом и соседнем с ним элементе закрепляют дополнительные сосредоточенные массы и измеряют собственную частоту совпадения собственных частот колебаний контролируемого элемента при различных значениях дополнительно сосредоточенной массы на соседнем элементе.
• А.с. 628237: способ определения целостности забиваемой сваи по изменению колебаний грунта.

Способ проверки давления в шинах автомобилей ("Изобретатель и рационализатор", 1989, № 11, МИ 0128), по которому к шине приставляют "пистолет", спускают курок и по характеру вызванных в шине колебаний определяют давление воздуха.

• А.с. 630577: способ дефектоскопии изделий, заключающийся в том, что в контролируемом изделии возбуждают упругие колебания с помощью датчика с бойком, измеряют параметры колебаний бойка и по ним судят о наличии дефектов в изделии, отличающийся тем, что с целью повышения точности контроля, в качестве параметров колебаний бойка используют амплитуду и ширину спектра его собственных колебаний.

Даже неприсоединенный, далеко расположенный, но резонирующий объем, способен помочь в задачах на измерение, обнаружение самих колебаний.

Летом 1932 года, на палубе ледокола "Таймыр" проводились запуски метеорологических шаров (зондов). Готовясь к одному из них, аэролог случайно коснулся лицом оболочки шара и... отпрянул, вскрикнув от острой боли в ушах. Пытаясь объяснить это, будущий академик В.В.Шулейкин пришел к выводу, что оболочка шара, надутого водородом, служила своеобразным резонатором, усиливавшим звуковые колебания частотой 6-12 Гц. Они-то и вызвали боль в ушах. Откуда же взялись колебания? Источником звука столь низкой частоты был, как оказалось, шторм, бушевавший за сотни миль от "Таймыра". Это открытие позволило создать со временем прибор для предсказания шторма ("Юный техник", 1988, №7).