способ моделирования акустического нагружения конструкций при испытании на усталостную прочность

Формула изобретения

1. СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ИСПЫТАНИИ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ, заключающийся в формировании шума заданной спектральной плотности звукового давления над поверхностью испытуемой конструкции, установленной в одной из стенок канала бегущей волны, с помощью электропневматического генератора звука, отличающийся тем, что, с целью приближения условий испытаний к натурным, перед установкой в канале бегущей волны испытуемой конструкции в нем устанавливают жесткую панель, при помощи электропневматического генератора звука формируют шум заданной спектральной плотности звукового давления над поверхностью панели и измеряют спектральную плотность перемещений подвижного клапана электропневматического генератора звука, а затем на испытуемой конструкции воспроизводят измеренную спектральную плотность перемещений подвижного клапана электропневматического генератора звука.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью упрощения технического осуществления способа, измеряют спектральную плотность звукового давления в канале бегущей волны на расстоянии от испытуемой конструкции в продольном направлении канала бегущей волны не менее наибольшей длины изгибной волны в испытуемой конструкции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для испытаний конструкций авиационной техники на акустическую усталостную прочность.

Известен способ моделирования акустического нагружения при испытании конструкций на усталостную прочность, основанный на воспроизведении шума заданной спектральной плотности вблизи поверхности испытуемой конструкции, расположенной в реверберационной камере. При осуществлении этого способа испытуемая конструкция подвергается воздействию диффузного звукового поля.

Указанный способ обладает тем недостатком, что для его осуществления в широком диапазоне частот (выше 50 Гц) требуется реверберационная камера больших размеров и, следовательно, большое количество акустической энергии. Недостатком является также отличие условий испытаний от натурных в связи с различием корреляционных характеристик звукового давления в лабораторных и натурных условиях.

Наиболее близким по технической сущности является способ моделирования акустического нагружения при испытании конструкций на усталостную прочность, основанный на воспроизведении шума заданной спектральной плотности над поверхностью испытуемой конструкции, установленной в одной из стенок канала бегущей волны. При осуществлении этого способа акустическая энергия концентрируется вокруг испытуемой конструкции, которая при этом подвергается воздействию бегущей звуковой волны в прямом или прямом и обратном направлениях. При этом, в качестве контрольного параметра используют звуковое давление, измеряемое в камере посредством датчиков, установленных на противоположной от конструкции стенке камеры. Однако моделирование акустического нагружения посредством воспроизведения шума заданной спектральной плотности над поверхностью испытуемой конструкции приводит к созданию напряженно-деформированного состояния конструкции, не соответствующего реальному.

При испытании конструкции в канале бегущей волны происходит излучение звуковой энергии конструкцией в канал, интенсивность излучения зависит от высоты канала. В зависимости от соотношения фаз звуковой волны, излучаемой генератором и конструкцией, суммарный уровень звукового давления может измениться в ту или другую сторону по отношению к натурным условиям (свободное поле). Уменьшение суммарного уровня звукового давления в точках, по которым производится воспроизведение акустических нагрузок, приводит к увеличению напряжений конструкции по отношению к натурным и наоборот. Вследствие этого изменяется повреждаемость конструкции при усталостных испытаниях в лабораторных условиях. Таким образом, данный способ не учитывает влияние ближнего звукового поля, излучаемого конструкцией, на спектральную плотность воспроизводимого шума и, следовательно, обеспечивает условия испытаний, недостаточно приближенные к натурным.

Целью изобретения является приближение условий испытаний к натурным.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе моделирования случайного акустического нагружения при испытании конструкций на усталостную прочность, основанном на воспроизведении шума заданной спектральной плотности звукового давления в канале бегущей волны, воспроизводят шум заданной спектральной плотности звукового давления при акустически жесткой стенке с формой поверхности, соответствующей форме поверхности испытуемой конструкции, установленной в одной из стенок канала бегущей волны, и измеряют характеристики контрольного параметра, амплитудно-частотная характеристика которого не зависит от колебаний испытуемой конструкции при воздействии на нее акустических нагрузок в канале бегущей волны. После чего воспроизводят измеренные характеристики выбранного контрольного параметра при установленной в канале бегущей волны вместо акустически жесткой стенки испытуемой конструкции. В качестве контрольного параметра выбирают звуковое давление в канале бегущей волны с однородными граничными условиями, причем точки измерения звукового давления должны располагаться до испытуемой конструкции на расстоянии не менее наибольшей длины изгибной волны испытуемой конструкции. Другим параметром может быть перемещение подвижного клапана электропневматического генератора звука, при помощи которого воспроизводят заданное случайное акустическое поле в канале бегущей волны.

Воспроизведение шума заданной спектральной плотности звукового давления при акустически жесткой стенке с формой поверхности, соответствующей форме поверхности испытуемой конструкции, установленной в одной из стенок канала бегущей волны, измерение характеристик контрольного параметра, амплитудно-частотная характеристика которого не зависит от колебаний испытуемой конструкции при воздействии на нее акустических нагрузок в канале бегущей волны, и воспроизведение измеренных характеристик контрольного параметра при установленной вместо акустически жесткой стенки в канале бегущей волны испытуемой конструкции позволило моделировать заданный случайный акустический шум в испытательной камере без внесения составляющих от колебаний конструкции и определять соответствующие параметры шума, не зависящие от колебаний испытуемой конструкции. Это позволило в процессе испытания при задании случайного акустического шума воспроизводить известные при моделировании независимые от звукового поля, излучаемого конструкцией, параметры шума и, таким образом, учесть влияние на сформированный шум геометрии канала бегущей волны. Все это приблизило условия испытаний к натурным, что привело к созданию напряженно-деформированного состояния конструкции, соответствующего реальному нагружению.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ, где: 1 - электропневматический генератор звука; 2 - датчик перемещения; 3 - согласующее звено; 4 - измерительная секция; 5 - датчики звукового давления; 6 - канал бегущей волны; 7 - приспособление для крепления испытуемой конструкции; 8 - съемная акустически жесткая стенка; 9 - датчики звукового давления; 10 - усилитель мощности; 11 - блок задающей и контрольно-измерительной аппаратуры; 12, 13 - переключатели.

На фиг.2 приведены частотные характеристики напряжения в центре панели при постоянстве звукового давления над центром панели для каналов с соотношением размеров поперечного сечения 0,1 (кривая 1) и 1,0 (кривая 2).

На фиг. 3 приведена частотная характеристика звукового давления над центром панели (кривая 1) и аналогичная характеристика, когда вместо панели в канал бегущей волны установлена съемная акустически жесткая стенка (кривая 2).

На фиг.4 приведены частотные характеристики напряжения в центре панели при моделировании акустического поля над центром панели по п.2 формулы изобретения для каналов с соотношением размеров 0,1 (кривая 1) и 1,0 (кривая 2).

На фиг.5 приведены частотные характеристики напряжения в центре панели при моделировании акустического поля над центром панели по п.3 формулы изобретения для каналов с соотношением размеров 0,1 (кривая 1) и 1,0 (кривая 2).

Устройство для моделирования акустического нагружения, реализующее способ, содержит электропневматический генератор звука 1, на подвижном клапане которого закреплен датчик перемещения 2. Датчик перемещения 2 представляет собой емкостной датчик, выполненный по дифференциальной схеме включения емкостей, чувствительные элементы датчика являются непосредственно элементами конструкции подвижного и неподвижного клапанов. Электропневматический генератор звука 1 через согласующее устройство 3, акустически соединен с измерительной секцией 4, представляющей собой прямоугольный волновод с ребрами жесткости на наружной стороне стенок. В измерительной секции закреплен датчик звукового давления 5 типа 4136 фирмы "Брюль и Кьер". Выходное отверстие измерительной секции 4 соединено с каналом бегущей волны 6, представляющей собой прямоугольный волновод с ребрами жесткости на наружной стороне стенок и глушителем шума на конце. В одной из стенок канала бегущей волны 6 выполнено отверстие и размещено приспособление 7 для крепления испытуемой конструкции, в котором установлена съемная акустически жесткая стенка 8, с формой поверхности, соответствующей форме испытуемой конструкции, и выполненная в виде стальной плиты с ребрами жесткости на внешней поверхности. На противоположной стенке канала бегущей волны закреплен датчик звукового давления 9 типа 4136 фирмы "Брюль и Кьер", электрически соединенный с блоком 11 задающей и контрольно-измерительной аппаратуры типа СУАУ (система управления акустическими установками) через переключатель 13. Датчик перемещения 2 и датчик звукового давления 4 через переключатели 12 и 13 также электрически соединены с блоком 11 задающей и контрольно-измерительной аппаратуры, выход которого через трансляционный усилитель 10 проводного вещания типа УПВ соединен с системой возбуждения электропневматического генератора звука 1.

Способ моделирования акустического нагружения при испытании конструкций на усталостную прочность заключается в следующем.

В канале бегущей волны 6 в приспособление 7 для крепления испытуемой конструкции устанавливают съемную акустическую жесткую стенку 8, производят формирование заданного случайного акустического поля в канале бегущей волны 6 при помощи электропневматического генератора звука 1. Затем измеряют характеристики одного из контрольных параметров устройства для осуществления способа, причем амплитудно-частотная характеристика контрольного параметра не должна зависеть от колебаний испытуемой конструкции при воздействии на нее акустических нагрузок. Далее вместо съемной акустически жесткой стенки в канал бегущей волны устанавливают испытуемую конструкцию, производят формирование зафиксированных (измеренных) характеристик выбранного контрольного параметра устройства. При помощи блока 11 задающей и контрольно-измерительной аппаратуры поддерживают измеренные характеристики выбранного контрольного параметра устройства.

В качестве контрольных параметров устройства при моделировании заданного акустического поля в канале бегущей волны могут быть выбраны следующие два параметра. Первый - звуковое давление в канале бегущей волны с однородными граничными условиями, причем точки измерения должны располагаться до испытуемой конструкции на расстоянии не менее наибольшей длины изгибной волны испытуемой конструкции. Техническая реализация способа испытаний в этом случае достаточна проста, однако точность моделирования случайного акустического нагружения не всегда удовлетворяет необходимым требованиям. В этом случае в качестве контрольного выбирается другой параметр устройства - перемещение подвижного клапана электропневматического генератора звука.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

Блок 11 задающей и контрольно-измерительной аппаратуры проводит настройку заданного спектра звукового давления в канале бегущей волны 6 при установленной в нем посредством приспособления 7 акустически съемной жесткой стенки 8. Для этого сигнал с датчика звукового давления 9 через переключатель 13 (положение "б") поступает на блок 11, где производится измерение спектральной функции в заданных полосах частот. Измеренная спектральная функция в блоке 11 сравнивается с заданной спектральной функцией звукового давления в канале бегущей волны. По результатам сравнения спектральных функций в блоке 11 формируется электрический сигнал, который через усилитель мощности 10 подается на вход системы возбуждения электропневматического генератора звука 1. Электропневматический генератор звука 1 осуществляет модуляцию газового потока, что приводит к возникновению импульсов давления, которые распространяются как волны звукового давления по согласующему звену 3 и измерительной секции 4 в канал бегущей волны 6, а затем в окружающую среду. После окончания настройки заданного спектра звукового давления в канале бегущей волны 6 переключатель 13 переводится в положение а и производится выбор контрольного параметра переводом переключателя 12 в положение а или б. Сигнал с выхода датчиков звукового давления 5 (положение б переключателя 12) или с датчика перемещений 2 (положение а переключателя 12) поступает на вход блока 11, где производится измерение спектральной функции в заданных полосах частот. Измеренная спектральная функция в блоке 11 запоминается как заданная.

После окончания процесса измерения характеристик контрольного параметра вместо съемной акустической жесткой стенки в канал бегущей волны 6 устанавливается испытуемая конструкция посредством приспособления 7. Блок 11 задающей и контрольно-измерительной аппаратуры в соответствии с выбранным контрольным параметром проводит настройку заданного спектра звукового давления в измерительной секции 4 или перемещений подвижного клапана электропневматического генератора звука 1. Для этого сигнал с датчиков звукового давления 5 или датчика перемещения 2 через переключатель 12 (положение б или а) и переключатель 13 (положение а) поступает на блок 11, где производится измерение спектральной функции. Измеренная спектральная функция в блоке 11 сравнивается с заданной (измеренной при акустической жесткой стенке) спектральной функцией. По результатам сравнения спектральных функций в блоке 11 формируется электрический сигнал, который через усилитель мощности 10 подается на вход системы возбуждения электропневматического генератора звука 1. В процессе проведения испытаний блок 11 задающей и контрольно-измерительной аппаратуры производит периодическую проверку и подстpойку спектральной функции контрольного параметра.

Способ моделирования акустического нагружения при испытании конструкций на усталостную прочность позволяет свести к минимуму влияние геометрии канала бегущей волны на напряженно-деформированное состояние испытуемой конструкции и, кроме того, уменьшить количество акустической энергии, необходимой для модулирования заданных акустических нагрузок на поверхности испытуемой конструкции.

При реализации способа - прототипа для уменьшения влияния конструкции канала бегущей волны на напряженно-деформированное состояние испытуемой конструкции высоту канала бегущей волны выбирают как можно больше. Но даже в этом случае при совпадении поперечных резонансных частот канала с резонансными частотами колебаний испытуемой конструкции происходит существенное изменение напряженного состояния конструкции в канале бегущей волны по сравнению с натурными условиями при одинаковых акустических нагрузках. На фиг.2 показаны амплитудно-частотные характеристики напряжения в центре панели при различных соотношениях размеров поперечного сечения канала бегущей волны (высоты к ширине). Приведенные характеристики получены экспериментальным путем при постоянстве звукового давления над центром панели. Как видно из фиг. 2, уменьшение высоты канала бегущей волны приводит не только к изменению величины резонансного пика, но и к изменению резонансных частот колебаний панели. Причем, как показали экспериментальные исследования, эти изменения могут происходить не только в сторону увеличения, но также и в сторону уменьшения. Различие напряженно-деформированного состояния испытуемой конструкции при различных соотношениях размеров поперечного сечения канала бегущей волны объясняется излучением звуковой энергии самой конструкцией в канал бегущей волны. Измерительные датчики звуковых колебаний, по которым формируется заданное акустическое поле в канале, реагируют на суммарное звуковое давление как от источника звука (генератора), так и от самой конструкции. Изменения звуковой волны, внесенные колебаниями испытуемой конструкции в канале бегущей волны, видны из характеристик звукового давления, показанных на фиг.3.

Моделирование акустического нагружения при испытании конструкций на усталостную прочность по предлагаемому способу позволяет, по сравнению со способом-прототипом, снизить влияние конструкции канала бегущей волны на напряженное состояние испытуемой конструкции. На фиг.4 приведены частотные характеристики напряжения в центре панели при различных соотношениях высоты к ширине канала бегущей волны. Приведенные характеристики получены экспериментальным путем предлагаемым способом, когда в качестве контрольного параметра выбрано звуковое давление в измерительной секции. Аналогичные характеристики, когда в качестве контрольного параметра выбрано перемещение подвижного клапана электропневматического генератора звука, приведены на фиг.5. Как видно из приведенных экспериментальных данных, предлагаемый способ модулирования акустического нагружения позволяет, по сравнению со способом - прототипом, снизить влияние конструкции канала бегущей волны на напряженное состояние испытуемой конструкции и тем самым приблизить условия испытания к натурным.

При реализации способа - прототипа соотношение высоты к ширине канала бегущей волны выбирается не менее 0,2. При реализации предлагаемого способа на высоту канала бегущей волны такие ограничения не накладываются. По крайней мере, как видно из приведенных экспериментальных данных, соотношение высоты к ширине канала бегущей волны можно выбрать равным 0,1. В этом случае акустическую мощность электропневматического генератора при моделировании заданных акустических нагрузок на поверхности испытуемой конструкции можно снизить примерно вдвое.