RU2682582C1 - Device of contactless excitation of the mechanical vibrations - Google Patents

Device of contactless excitation of the mechanical vibrations Download PDF

Info

Publication number
RU2682582C1
RU2682582C1 RU2017141960A RU2017141960A RU2682582C1 RU 2682582 C1 RU2682582 C1 RU 2682582C1 RU 2017141960 A RU2017141960 A RU 2017141960A RU 2017141960 A RU2017141960 A RU 2017141960A RU 2682582 C1 RU2682582 C1 RU 2682582C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
horn
loudspeaker
mechanical vibrations
excitation
range
Prior art date
Application number
RU2017141960A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Валерьевич Агарков
Николай Михайлович Мишаков
Светлана Александровна Смотрова
Андрей Васильевич Смотров
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ")
Priority to RU2017141960A priority Critical patent/RU2682582C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2682582C1 publication Critical patent/RU2682582C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to acoustics. Device of the contactless excitation of the mechanical vibrations contains a loudspeaker and a horn. Surface of the horn is a curvilinear surface of constant negative curvature with a forming line in the shape of a tractor, the horn is fixed by a wide part on the loudspeaker case, the narrow part of the horn smoothly passes into the cylindrical nozzle directed to the surface being excited, and the ratio of the length of the horn to the diameter of the loudspeaker is in the range of 1.4–1.6, with the loudspeaker mounted on a height-adjustable stand that can be rotated relative to the vertical and horizontal axes. Horn surface is a Lobachevsky pseudosphere.
EFFECT: technical results are expanding the range of loudspeakers used, reducing the lower limit of the operating frequency range, better acoustic matching of the loudspeaker as a resonator with the open space of the horn outlet.
1 cl, 3 dwg

Description

Область применения устройства бесконтактного возбуждения механических колебаний - определение основных динамических характеристик конструкций при проведении наземных частотных испытаний (НЧИ) в авиастроении, ракетостроении, транспортном машиностроении, судостроении, приборостроении и др.The scope of the non-contact excitation of mechanical vibrations is the determination of the basic dynamic characteristics of structures during ground frequency tests (LFI) in aircraft, rocket engineering, transport engineering, shipbuilding, instrument making, etc.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для обеспечения заданного внешнего воздействия в виде гармонических, случайных, импульсных и других видов колебаний на объект испытаний и обеспечения необходимых граничных условий при измерениях динамических характеристик механических конструкций путем проведения наземных частотных испытаний (НЧИ). Главной задачей НЧИ является определение основных динамических характеристик - спектра собственных частот (в заданном частотном диапазоне), форм, коэффициентов демпфирования и обобщенных масс собственных тонов. Цель НЧИ заключается в создании частотного паспорта (свидетельства), верификации и коррекции расчетной динамической схемы испытываемой конструкции или ее агрегатов, сравнении динамических характеристик натурной конструкции и ее модели, контроль соответствия характеристик материалов и конструкций заданным требованиям (Карклэ П.Г., Малютин В.А., Мамедов О.С., Поповский В.Н., Смыслов В.И., Смотров А.В. О современных методиках наземных испытаний самолетов в аэроупругости. - Труды ЦАГИ, вып. 2708, 2012. - С. 1-34).The invention relates to measuring technique and is intended to provide a given external impact in the form of harmonic, random, pulsed and other types of vibrations on the test object and to provide the necessary boundary conditions when measuring the dynamic characteristics of mechanical structures by conducting ground frequency tests (LFR). The main objective of the NCHI is to determine the basic dynamic characteristics - the spectrum of natural frequencies (in a given frequency range), shapes, damping coefficients and generalized masses of natural tones. The purpose of the NCHI is to create a frequency passport (certificate), verify and correct the calculated dynamic circuit of the test structure or its components, compare the dynamic characteristics of the full-scale structure and its model, control the compliance of the characteristics of materials and structures with the specified requirements (P. Karlle, V. Malyutin A., Mamedov OS, Popovsky VN, Smyslov VI, Smotrov AV On modern methods of ground testing of aircraft in aeroelasticity - Transactions of TsAGI, issue 2708, 2012. - P. 1- 34).

При проведении НЧИ специалисты исследовательских предприятий и организаций высокотехнологичного комплекса, как правило, для возбуждения колебаний используют набор возбудителей вибрации электродинамического типа с постоянным полем - набор силовозбудителей с различными значениями динамической силы. Усилие от силовозбудителя на объект испытаний передается при помощи специальной тяги с упругим шарниром, которая непосредственно крепится на испытываемой конструкции в выбранной точке (Микишев Г.Н., Рабинович Б.И. Динамика тонкостенных конструкций с отсеками, содержащими жидкость. - М.: Машиностроение, 1971. - С. 352-356; Shaker excitation tutorial. Considerations and Problems. Young Engineer's Program -IMAC 2001. - Structural Dynamics Research Laboratory. University of Cincinnati (Cincinnati, Ohio 45221-0072 USA), 2001. - C. 20, 25).When conducting an NPI, specialists of research enterprises and organizations of a high-tech complex, as a rule, use a set of electrodynamic type vibration pathogens with a constant field - a set of force exciters with different values of dynamic force, to excite vibrations. The force from the exciter to the test object is transmitted using a special rod with an elastic hinge that is directly attached to the test structure at the selected point (Mikishev G.N., Rabinovich B.I. Dynamics of thin-walled structures with compartments containing liquid. - M.: Mechanical Engineering , 1971. - S. 352-356; Shaker excitation tutorial. Considerations and Problems. Young Engineer's Program - IMAC 2001. - Structural Dynamics Research Laboratory. University of Cincinnati (Cincinnati, Ohio 45221-0072 USA), 2001. - C. 20 , 25).

Основные недостатки методов, при которых силовозбудитель крепится на испытываемой конструкции или подвижный элемент силовозбудителя соединен с конструкцией:The main disadvantages of the methods in which the exciter is mounted on the test structure or the movable element of the exciter is connected to the structure:

- влияние присоединенной массы подвижного узла силовозбудителя, что искажает (как правило, в сторону уменьшения) значение определяемых частот собственных колебаний,- the influence of the attached mass of the moving node of the exciter, which distorts (usually downward) the value of the determined frequencies of natural vibrations,

- воздействие тяги силовозбудителя на испытываемую конструкцию, которое заключается в добавочной динамической жесткости, обусловленной как жесткостью самой тяги, так и действием индукционного сопротивления электромагнитной системы силовозбудителя, включающей магнит, магнитопровод и подвижную катушку.- the impact of the exciter traction on the tested structure, which consists in additional dynamic stiffness due to both the stiffness of the traction itself and the action of the induction resistance of the exciter electromagnetic system, including a magnet, magnetic circuit and a moving coil.

Эти обстоятельства накладывают ограничения не только на массогабаритные параметры объектов испытаний, но и затрудняют определение динамических характеристик нежестких конструкций.These circumstances impose restrictions not only on the weight and size parameters of the test objects, but also make it difficult to determine the dynamic characteristics of non-rigid structures.

Задача по обеспечению приемлемых граничных условий при проведении экспериментов по определению динамических характеристик малогабаритных, легких и нежестких элементов механических конструкций, в результате решения которой будут устранены влияния добавочных массы, жесткости и демпфирования от силовозбудителя, сводится к поиску конструктивных решений по бесконтактному возбуждению колебаний.The task of providing acceptable boundary conditions when conducting experiments to determine the dynamic characteristics of small-sized, light, and non-rigid elements of mechanical structures, as a result of which the influence of additional mass, stiffness and damping from the exciter is eliminated, comes down to the search for constructive solutions for non-contact excitation of vibrations.

Известны основные три класса устройств бесконтактного возбуждения механических колебаний, которые кратко описанные ниже.The main three classes of devices for contactless excitation of mechanical vibrations are known, which are briefly described below.

Во-первых, бесконтактные электромагнитные вибраторы, которые, например, применяют в экспериментах, где сама испытываемая конструкция или поверхностный слой ее обладают хорошей электрической проводимостью. Конструкция с проводящим поверхностным слоем размещается в области, где переменное электромагнитное поле, созданное внешней, установленной на некотором расстоянии от объекта испытаний (обычно 1,0-3,0 мм), катушкой индуктивности, приводит к возникновению механического резонанса, вызывающего колебания испытываемой конструкции (Bad М., Ferrari V., Marioli D. Contactless excitation of MEMS resonant sensors by electromagnetic driving. - Proceedings of the COMSOL Conference 2009 Milan (14-16 October 2009, Milan, Italy), 2009 [Электронный ресурс] URL: https://www.comsol.ru/paper/download/44961/Bau.pdf (дата обращения: 20.10.2017); Brennan S.M., Bronowicki A.J., Ryan P.J., Simonian S.S., Hurst W.E., McMonagle R., Sweeney R.J. (Northrop Grumman Space Technology). Control Structure Interaction Testbed: Passive Isolation, Simulation & Test. - AIAA 2006-1834. - Proceeding of 47th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference (1-4 May 2006, Newport, Rhode Island), 2006. - C. 1-17).Firstly, non-contact electromagnetic vibrators, which, for example, are used in experiments where the structure under test or its surface layer have good electrical conductivity. A structure with a conductive surface layer is placed in the area where an alternating electromagnetic field created by an external inductor installed at a distance from the test object (usually 1.0-3.0 mm) leads to mechanical resonance causing vibrations of the test structure ( Bad M., Ferrari V., Marioli D. Contactless excitation of MEMS resonant sensors by electromagnetic driving. - Proceedings of the COMSOL Conference 2009 Milan (October 14-16, 2009, Milan, Italy), 2009 [Electronic resource] URL: https: //www.comsol.ru/paper/download/44961/Bau.pdf (accessed October 20, 2017); Brennan SM, Bronowicki AJ, Ryan PJ, Simonian SS, Hurst WE, Mc Monagle R., Sweeney RJ (Northrop Grumman Space Technology). Control Structure Interaction Testbed: Passive Isolation, Simulation & Test. - AIAA 2006-1834. - Proceeding of 47 th AIAA / ASME / ASCE / AHS / ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference (1-4 May 2006, Newport, Rhode Island), 2006 .-- C. 1-17).

Основной недостаток такой конструктивной реализации бесконтактного способа создания внешнего силового воздействия на испытываемую конструкцию - требование наличия у нее электропроводящей поверхности в месте приложения силы.The main disadvantage of such a constructive implementation of a non-contact method of creating an external force impact on the test structure is the requirement that it has an electrically conductive surface at the point of application of force.

Во-вторых, пневматические возбудители механических колебаний, в которых непрерывный поток сжатого воздуха, проходящего, например, в специальной цилиндрической камере через перфорированный вращающийся диск, преобразуется в пульсирующую воздушную струю, при этом частота пульсаций этой струи регулируется угловой скоростью вращения перфорированного диска (Di Maiol D., Magil F. Endurance tests performed using contact and contactless excitation methods: application to composites components. - Dynamic environmental testing. Proceedings of ISMA2014 including USD2014, 2014. - C. 753-766 или [Электронный ресурс] URL: http://past.isma-isaac.be/downloads/isma2014/papers/isma2014_0668.pdf (дата обращения: 20.10.2017)).Secondly, pneumatic exciters of mechanical vibrations, in which a continuous stream of compressed air passing, for example, in a special cylindrical chamber through a perforated rotating disk, is converted into a pulsating air stream, while the pulsation frequency of this stream is controlled by the angular velocity of rotation of the perforated disk (Di Maiol D., Magil F. Endurance tests performed using contact and contactless excitation methods: application to composites components. - Dynamic environmental testing. Proceedings of ISMA2014 including USD2014, 2014. - C. 753-766 or [Electronic resource] URL: http: / /past.isma-isaac.be/downloads/isma2014/papers/isma20 14_0668.pdf (accessed date: 10/20/2017)).

Среди основных недостатков этих устройств-аналогов можно указать следующие:Among the main disadvantages of these analog devices, you can specify the following:

- требование наличия либо магистрали сжатого воздуха в месте проведения испытаний, либо присутствия емкости, содержащей сжатый воздух - газгольдера,- the requirement for either a compressed air line at the test site or the presence of a container containing compressed air — a gas tank,

- громоздкость устройства пневматического возбуждения механических колебаний,- cumbersome device pneumatic excitation of mechanical vibrations,

- ограниченный сверху диапазон частот возбуждающей силы (определяется как скоростью вращения перфорированного диска, так и сжимаемостью воздуха), обычно до 100 Гц.- the frequency range of the exciting force limited from above (determined by both the speed of rotation of the perforated disk and the compressibility of the air), usually up to 100 Hz.

В-третьих, акустические возбудители колебаний, где основой является громкоговоритель. Такой подход к решению поставленной задачи по исключению влияния добавочных массы, жесткости и демпфирования от силовозбудителя на измеряемые характеристики наиболее распространен из-за кажущейся простоты технической реализации. Этот класс устройств бесконтактного возбуждения механических колебаний можно разделить на три типа по сложности практической реализации и конструктивного исполнения, то есть оснащенности источника акустического сигнала - громкоговорителя дополнительными принадлежностями, приспособлениями, устройствами, приборами и прочим (Алдошина И.А. Электродинамические громкоговорители. - М.: Радио и связь, 1989. - 272 с.; Куценко А.Н., Раскита М.А. Методическое пособие по курсу «Электроакустика и звуковое вещание». Часть 1 «Громкоговорители». - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. - 103 с.):Thirdly, acoustic exciters, where the basis is a loudspeaker. This approach to solving the problem of eliminating the influence of additional mass, stiffness and damping from the exciter on the measured characteristics is most common because of the apparent simplicity of the technical implementation. This class of devices for contactless excitation of mechanical vibrations can be divided into three types according to the complexity of practical implementation and design, that is, the equipment of an acoustic signal source — a loudspeaker with additional accessories, devices, devices, instruments, etc. (Aldoshina I.A. Electrodynamic loudspeakers. - M. : Radio and communications, 1989. - 272 p .; Kutsenko AN, Raskita MA Methodological manual for the course "Electroacoustics and sound broadcasting. Part 1" Loudspeakers. - Taganrog: I Health TTI SFU, 2007. - 103 p.):

1) Акустические возбудители, представляющие собой собственно одиночный громкоговоритель (звукоизлучающий динамик или по ГОСТ 16122-87 - головку громкоговорителя), лицевая сторона диффузора которого размещена в непосредственной близости от поверхности испытываемой конструкции. Примером, могут служить многолетние и многочисленные эксперименты зарубежных ученых и инженеров (например, Cawley Р. Defect location in structures by vibration technique. Dissertation. - Department of Mechanical Engineering. Bristol University, 1978. - C. 30-33; Parloo E. Application of frequency-domain system identification techniques in the field of operational modal analysis. Dissertation. - Faculteit Toegepaste Wetenschappen, Vrije Universiteit Brussel, Belgium, 2003. - C. 91-95, 220-222; Stults J.A. Computational Aeroelastic Analysis of Micro Air Vehicle with Experimentally Determined Modes. Thesis. Paper AFIT/GAE/ENY/05-M23 - Department of the Air Force. Air University. Air Force institute of Technology. Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, 2005. - C. 17-25).1) Acoustic pathogens, which are actually a single loudspeaker (a sound-emitting speaker or, according to GOST 16122-87, the loudspeaker head), the front side of which is placed in the immediate vicinity of the surface of the tested structure. An example is the long-term and numerous experiments of foreign scientists and engineers (for example, Cawley R. Defect location in structures by vibration technique. Dissertation. - Department of Mechanical Engineering. Bristol University, 1978. - C. 30-33; Parloo E. Application of frequency-domain system identification techniques in the field of operational modal analysis. Dissertation. - Faculteit Toegepaste Wetenschappen, Vrije Universiteit Brussel, Belgium, 2003 .-- C. 91-95, 220-222; Stults JA Computational Aeroelastic Analysis of Micro Air Vehicle with Experimentally Determined Modes. Thesis. Paper AFIT / GAE / ENY / 05-M23 - Department of the Air Force. Air University. Air Force institute of Technology. Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, 2005.- C. 17-25 )

К недостаткам таких устройств-аналогов можно отнести следующие:The disadvantages of such analog devices include the following:

- коэффициент полезного действия (КПД) звукоизлучающего динамика составляет всего 1-2%,- the coefficient of performance (COP) of the sound-emitting speaker is only 1-2%,

- конструкция одиночного громкоговорителя не позволяет сформировать заданную характеристику направленности излучения, что может привести к невозможности возбуждения всех тонов собственных колебаний испытываемой конструкции в интересующем диапазоне,- the design of a single loudspeaker does not allow the formation of a given radiation directivity characteristic, which may lead to the impossibility of exciting all the tones of the natural vibrations of the tested structure in the range of interest,

- одиночный громкоговоритель неприспособлен конструктивно к применению в составе штатного набора оборудования и приспособлений, предназначенного для выполнения НЧИ.- a single loudspeaker is structurally unsuitable for use as part of a standard set of equipment and devices designed to carry out low-frequency tests.

2) Акустические возбудители, представляющие собой акустические системы (содержат один или несколько громкоговорителей, фильтры, корпус и другие части), предназначенные для качественного воспроизведения музыки, так называемые «звуковые колонки» (Vanwalleghem J., De Baere I., Loccu-fier M., Van Paepegem W. Practical aspects in measuring vibration damping of materials (Paper Ref: 2762). - Proceeding of 15th International Conference on Experimental Mechanics - ICEM 15 / Editors: J.F. Silva Gomes and Mario A.P. Vaz (Porto, Portugal, 22-27 July 2012), 2012. - C. 1-10; Herlufsen H.,

Figure 00000001
Operational Modal Analysis of a Wind Turbine Wing using Acoustical Excitation. - Application note BO 0500-11, 02/2002. - Denmark:
Figure 00000002
- C. 1-8;
Figure 00000003
F.,
Figure 00000004
Figure 00000005
Hagara M. Results and Experiences from the Application of Digital Image Correlation in Operational Modal Analysis. - Acta Poly-technica Hungarica, Vol. 10, No. 5, 2013. - C. 159-174).2) Acoustic pathogens, which are acoustic systems (containing one or more loudspeakers, filters, housing and other parts), designed for high-quality reproduction of music, the so-called “speakers” (Vanwalleghem J., De Baere I., Loccu-fier M ., Van Paepegem W. Practical aspects in measuring vibration damping of materials (Paper Ref: 2762) .- Proceeding of the 15th International Conference on Experimental Mechanics - ICEM 15 / Editors: JF Silva Gomes and Mario AP Vaz (Porto, Portugal, 22- July 27, 2012), 2012 .-- C. 1-10; Herlufsen H.,
Figure 00000001
Operational Modal Analysis of a Wind Turbine Wing using Acoustical Excitation. - Application note BO 0500-11, 02/2002. - Denmark:
Figure 00000002
- C. 1-8;
Figure 00000003
F.,
Figure 00000004
Figure 00000005
Hagara M. Results and Experiences from the Application of Digital Image Correlation in Operational Modal Analysis. - Acta Poly-technica Hungarica, Vol. 10, No. 5, 2013 .-- C. 159-174).

Недостатками акустических систем как устройств бесконтактного возбуждения механических колебаний также являются: широкая направленность излучения, что приводит к возбуждению широкого спектра тонов собственных колебаний испытываемой конструкции, и не приспособленность конструкций известных акустических систем к применению в составе штатного набора оборудования и приспособлений, предназначенного для выполнения НЧИ.The disadvantages of acoustic systems as devices for non-contact excitation of mechanical vibrations are also: a wide directivity of radiation, which leads to the excitation of a wide range of tones of natural vibrations of the tested design, and the lack of adaptability of the designs of known acoustic systems to use as part of a standard set of equipment and devices designed to perform LFR.

3) Акустические возбудители, представляющие собой особым образом сконструированные устройства, источником звука в которых служит бескорпусный (одиночный громкоговоритель) или заключенный в корпус громкоговоритель (акустическая система). При этом излучаемая громкоговорителем звуковая волна, создающая внешнюю возбуждающую силу, проходит через специальное приспособление, придающее ей требуемые разработчиком свойства (Vuye С. Measurement and modeling of sound and vibration fields using a scanning laser Doppler vibrometer. - Faculteit Ingenieursweten-schappen, Vrije Universiteit Brussel, Belgium, 2011 - C. 26-27; Marquez-Chisolm D.J. Natural frequencies and mode shapes of a nonlinear, uniform cantilevered beam. Thesis. Paper AFIT/GAE/ENY/06-S06 - Department of the Air Force. Air University. Air Force Institute of Technology. Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, 2006. - C. 16-19), например, способность точечно воздействовать на выбранное место испытываемой конструкции (Garcia Lopez J.F., Knechten Т., Pluym L., Kazanci Deblauwe M.V., Tekeli A. Contactless acoustic excitation for experimental modal analysis in composite components. - Proceeding of the 21st International Congress on Sound and Vibration - ICSV21 (13-17 July 2014, Beijing, China), 2014. - C. 1-8).3) Acoustic pathogens, which are specially designed devices, the sound source of which is a frameless (single loudspeaker) or a loudspeaker enclosed in a housing (acoustic system). In this case, the sound wave emitted by the loudspeaker, which creates external exciting force, passes through a special device that gives it the properties required by the developer (Vuye C. Measurement and modeling of sound and vibration fields using a scanning laser Doppler vibrometer. - Faculteit Ingenieursweten-schappen, Vrije Universiteit Brussel , Belgium, 2011 - C. 26-27; Marquez-Chisolm DJ Natural frequencies and mode shapes of a nonlinear, uniform cantilevered beam. Thesis. Paper AFIT / GAE / ENY / 06-S06 - Department of the Air Force. Air University. Air Force Institute of Technology. Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, 2006. - C. 16-19), for example, the ability to target a selected location of a test structure (Garcia Lopez JF, Knec hten T., Pluym L., Kazanci Deblauwe MV, Tekeli A. Contactless acoustic excitation for experimental modal analysis in composite components. - Proceeding of the 21 st International Congress on Sound and Vibration - ICSV21 (13-17 July 2014, Beijing, China ), 2014 .-- C. 1-8).

Основной недостаток этих устройств - требование наличия специальной стойки, к которой крепится звукоизлучающее сопло (рупор), что затрудняет размещение бесконтактного силовозбудителя при создании испытательного стенда НЧИ, требует использования грузоподъемной техники или дополнительных специальных приспособлений, то есть указанные устройства-аналоги бесконтактного возбуждения механических колебаний не приспособлены к применению в составе штатного набора оборудования и приспособлений, предназначенного для выполнения НЧИ.The main disadvantage of these devices is the requirement for a special rack to which a sound-emitting nozzle (horn) is attached, which makes it difficult to place a contactless power exciter when creating an NCH test bench, requires the use of lifting equipment or additional special devices, that is, these analog devices without contact excitation of mechanical vibrations do not adapted for use as part of a standard set of equipment and devices designed to perform NCHI.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство бесконтактного возбуждения механических колебаний, обеспечивающее точечное возбуждение колебаний исследуемой конструкции (Gunawan L. Experimental Study of Nonlinear Vibrations of Thin-walled Cylindrical Shells. Proefschrift. - Faculty of Aerospace Engineering, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands, 1998. - C. 41-56). Данное устройство представляет собой громкоговоритель ∅0250 мм, снабженный рупором, представляющим собой конус длиной 490 мм с образующей линией экспоненциальной формы; к узкой части рупора присоединено цилиндрическое сопло, свободный конец которого располагается на расстоянии 25 мм от возбуждаемой поверхности испытываемой конструкции; причем рупор широкой частью закреплен на корпусе акустической системы, то есть громкоговоритель заключен в замкнутый прямоугольный деревянный корпус, изнутри выстланный виброгасящим материалом, а диффузор громкоговорителя имеет форму прямого конуса.The closest technical solution adopted for the prototype is a non-contact excitation device for mechanical vibrations that provides point excitation of vibrations of the studied structure (Gunawan L. Experimental Study of Nonlinear Vibrations of Thin-walled Cylindrical Shells. Proefschrift. - Faculty of Aerospace Engineering, Delft University of Technology , Delft, The Netherlands, 1998 .-- C. 41-56). This device is a ∅0250 mm loudspeaker equipped with a horn representing a 490 mm cone with a generatrix line of exponential shape; a cylindrical nozzle is attached to the narrow part of the horn, the free end of which is located at a distance of 25 mm from the excited surface of the test structure; moreover, the horn is widely attached to the speaker housing, that is, the loudspeaker is enclosed in a closed rectangular wooden case, lined with vibration-damping material from the inside, and the loudspeaker diffuser has the shape of a straight cone.

Основные недостатки устройства-прототипа:The main disadvantages of the prototype device:

- неприспособленность к применению в условиях НЧИ, например, отсутствие механического сопряжения с применяемыми в штатных НЧИ приспособлениями, предназначенными для крепления устройств возбуждения колебаний (цапфы, стойки сейсмического подвеса (так называемые «кроватки»), регулируемыми по высоте стойками для установки силовозбудителей под изделие и прочее),- inability to use in conditions of LFD, for example, the lack of mechanical interface with devices used in standard LFDs intended for mounting vibration excitation devices (trunnions, seismic suspension racks (the so-called "cribs"), height-adjustable racks for installing exciters under the product and other)

- не полное акустическое согласование громкоговорителя, как резонатора, с открытым пространством выходного отверстия экспоненциального рупора, что может привести к возникновению биений и нелинейных искажений звуковой волны, которая должна возбуждать колебания испытываемой конструкции,- incomplete acoustic matching of the loudspeaker, as a resonator, with the open space of the outlet of the exponential speaker, which can lead to beating and nonlinear distortions of the sound wave, which should excite vibrations of the tested structure,

- нижняя граница рабочего диапазона частот (частота среза) равна 280 Гц, что не позволяет возбуждать собственные (резонансные) частоты у широкого класса элементов конструкций, например, лопастей винтов летательных аппаратов и их моделей, низшие собственные частоты которых лежат в диапазоне 5-15 Гц.- the lower limit of the working frequency range (cutoff frequency) is 280 Hz, which does not allow to excite natural (resonant) frequencies in a wide class of structural elements, for example, aircraft propeller blades and their models, the lowest natural frequencies of which lie in the range of 5-15 Hz .

Техническим результатом предложенного изобретения является максимальная приспособленность применения (механическое сопряжение) устройства бесконтактного возбуждения механических колебаний штатному набору оборудования и приспособлений, предназначенному для выполнения НЧИ, в первую очередь - наличие возможности закрепления разработанного устройства в цапфе силовозбудителя, а также удобство транспортировки устройства (в том числе в собранном виде) и обращения с ним при сборке, наладке испытательного стенда, его демонтаже, что определяется небольшими массогабаритными параметрами разработанного устройства, сокращение затрат на испытательное оборудование и снижение трудоемкости НЧИ.The technical result of the proposed invention is the maximum adaptability of the application (mechanical pairing) of a non-contact excitation device for mechanical vibrations to a standard set of equipment and devices designed to perform LFD, first of all, the possibility of fixing the developed device in the axle of the exciter, as well as the convenience of transporting the device (including in assembled form) and handling it during assembly, commissioning of the test bench, its dismantling, which is determined It is due to the small weight and size parameters of the developed device, reducing the cost of testing equipment and reducing the complexity of the NCHI.

Техническим результатом также является расширение номенклатуры применяемых громкоговорителей (наличие или отсутствие у них корпуса, формы их диффузоров, размеров внешнего диаметра громкоговорителя) и снижения нижней границы рабочего диапазона рабочих частот; лучшее акустическое согласование громкоговорителя, как резонатора, с открытым пространством выходного отверстия рупора.The technical result is also the expansion of the range of speakers used (the presence or absence of their housing, the shape of their diffusers, the dimensions of the outer diameter of the speaker) and lower the lower limit of the working range of operating frequencies; better acoustic matching of the loudspeaker, as a resonator, with the open space of the mouth outlet.

Технический результат достигается тем, что в устройстве бесконтактного возбуждения механических колебаний, содержащем громкоговоритель и рупор, поверхность рупора представляет собой криволинейную поверхность постоянной отрицательной кривизны с образующей линией в форме трактрисы, рупор широкой частью закреплен на корпусе громкоговорителя, узкая часть рупора плавно переходит в цилиндрическое сопло, направленное на возбуждаемую поверхность, а соотношение длины рупора к диаметру громкоговорителя находится в пределах 1,4-1,6, причем громкоговоритель закреплен на регулируемой по высоте стойке с возможностью поворота относительно вертикальной и горизонтальной осей.The technical result is achieved by the fact that in a non-contact excitation device of mechanical vibrations containing a loudspeaker and a horn, the horn surface is a curved surface of constant negative curvature with a generatrix line in the form of a tractor, the horn is wide mounted on the loudspeaker body, the narrow part of the horn smoothly passes into a cylindrical nozzle directed to the surface to be excited, and the ratio of the length of the speaker to the diameter of the speaker is in the range 1.4-1.6, and The micro-speaker is mounted on a height-adjustable stand with the possibility of rotation relative to the vertical and horizontal axes.

Поверхность рупора представляет собой псевдосферу Лобачевского.The surface of the horn is the Lobachevsky pseudosphere.

Сущность изобретения поясняется фигурами, на которых изображено следующее.The invention is illustrated by figures, which depict the following.

На фиг. 1 представлен эскиз рупора, поверхность которого представляет собой криволинейную поверхность постоянной отрицательной кривизны с образующей линией в форме трактрисы.In FIG. 1 is a sketch of a horn whose surface is a curved surface of constant negative curvature with a generatrix line in the form of a tractor.

На фиг. 2 приведено схематическое изображение основных элементов предлагаемого устройства в одном из допустимых вариантов технической реализации его закрепления на регулируемой по высоте стойке с возможностью поворота относительно вертикальной и горизонтальной осей.In FIG. 2 shows a schematic representation of the main elements of the proposed device in one of the acceptable options for the technical implementation of its fastening on a height-adjustable stand with the possibility of rotation relative to the vertical and horizontal axes.

На фиг. 3 показана фотография одного из возможных вариантов применения устройства бесконтактного возбуждения механических колебаний.In FIG. Figure 3 shows a photograph of one of the possible applications of a non-contact excitation device for mechanical vibrations.

Для бесконтактного возбуждения колебаний испытываемой конструкции разработанное устройство (фиг. 2), например, содержащее одиночный громкоговоритель 1, закрепленный в кольцевом фиксаторе 2 болтовым соединением 3, причем кольцевой фиксатор с двух сторон снабжен валами 4, которые зажаты болтами 5 в позволяющей фиксатору с громкоговорителем поворачиваться вокруг горизонтальной оси штатной цапфе 6 силовозбудителя; цапфа может быть вывешена на грузоподъемном механизме или привинчена к площадке регулируемой по высоте стойки 7, с возможностью громкоговорителя 1, установленного в фиксаторе 2, поворачиваться вокруг вертикальной оси; штатная стойка при этом представляет собою оснащенную телескопическими 10For non-contact excitation of vibrations of the tested design, the developed device (Fig. 2), for example, containing a single loudspeaker 1, mounted in an annular latch 2 by a bolt connection 3, and the annular latch on both sides is provided with shafts 4, which are clamped by bolts 5 in which the latch with the loudspeaker rotates around the horizontal axis of the standard axle 6 of the exciter; the trunnion can be hung on a lifting mechanism or screwed to a platform of a height-adjustable stand 7, with the possibility of a loudspeaker 1 installed in the latch 2, rotate around a vertical axis; the standard rack at the same time is equipped with telescopic 10

опорами треногу 8, снабженную регулирующим колесом 9 для подбора требуемой высоты подъема штока стойки 10, причем на лицевой стороне корпуса громкоговорителя 1 закреплен рупор 11 болтами 12. Рупор 11 широкой частью закреплен на корпусе громкоговорителя 1, узкая часть рупора 11 плавно переходит в цилиндрическое сопло, направленное на возбуждаемую поверхность. Соотношение длины рупора 11 к диаметру громкоговорителя 1 находится в пределах 1,4-1,6.supports the tripod 8, equipped with a control wheel 9 for selecting the required height of the rack rod 10, and on the front side of the loudspeaker body 1 a horn 11 is fixed with bolts 12. The horn 11 is wide mounted on the loudspeaker body 1, the narrow part of the horn 11 smoothly passes into a cylindrical nozzle, directed to the surface to be excited. The ratio of the length of the speaker 11 to the diameter of the speaker 1 is in the range 1.4-1.6.

Рупор представляет собою оболочку в форме псевдосферы Лобачевского (фиг. 1), то есть криволинейную поверхность постоянной отрицательной кривизны (Игнатьев Ю.Г. Дифференциальная геометрия кривых и поверхностей в евклидовом пространстве. Учебное пособие. IV семестр. - Казань: Казанский университет, 2013. - С. 179-187; Kolbrek В. Horn Theory: An Introduction, Part 2. - AudioXpress (www.audioXpress.com), 2008. - С. 3), получающуюся при вращении трактрисы вокруг оси симметрии громкоговорителя, при этом достигается акустическое согласование громкоговорителя, как резона-тора, с открытым пространством выходного отверстия рупора, из которого звуковая волна без биений и нелинейных искажений возбуждает колебания испытываемой конструкции.The horn is a shell in the form of the Lobachevsky pseudosphere (Fig. 1), that is, a curved surface of constant negative curvature (Ignatyev Yu.G. Differential geometry of curves and surfaces in Euclidean space. Study guide. IV semester. Kazan: Kazan University, 2013. - S. 179-187; Kolbrek B. Horn Theory: An Introduction, Part 2. - AudioXpress (www.audioXpress.com), 2008. - P. 3), obtained by rotating the tractor along the axis of symmetry of the speaker, while achieving acoustic matching the loudspeaker as a resonator with open space Twomey outlet speaker from which the sound wave without beats and non-linear distortions oscillates the test structure.

В представленном на фиг. 3 варианте применения устройства бесконтактного возбуждения механических колебаний использована штатная цапфа силовозбудителя Prodera ЕХ58 (Exciter ЕХ58. Data sheet №94/1005-b. -Vibration shakers [Электронный ресурс] URL: http://www.prodera.com/uk/amplificateur.htm (дата обращения: 26.03.2009)). При применении громкоговорителей иных размеров могут быть использованы цапфы других силовозбудителей либо изготовлены, удовлетворяющие описанным выше условиям.In the embodiment of FIG. In the 3rd version of the application of the non-contact excitation device for mechanical vibrations, the standard axle of the power exciter Prodera EX58 (Exciter EX58. Data sheet No. 94/1005-b. -Vibration shakers [Electronic resource] URL: http://www.prodera.com/uk/amplificateur is used. htm (accessed date: 03/26/2009). When using loudspeakers of other sizes, trunnions of other exciters can be used or made to satisfy the conditions described above.

При проведении НЧИ для возбуждения колебаний предлагаемое устройство располагают в непосредственной близости от испытываемой конструкции, направив сопло в выбранную точку поверхности.When conducting LFD to excite oscillations, the proposed device is placed in close proximity to the test structure, directing the nozzle to a selected point on the surface.

В транспортном положении разработанное устройство отсоединяют от цапфы и помещают в отдельный ящик. Благодаря небольшим габаритам устройства бесконтактного возбуждения механических колебаний, такая упаковка является одним багажным местом.In the transport position, the developed device is disconnected from the trunnion and placed in a separate box. Due to the small dimensions of the non-contact excitation of mechanical vibrations, such a package is one baggage claim.

Существенные особенности (отличительные признаки) заявляемого изобретения были реализованы в конкретном устройстве, эксплуатируемом в ФГУП «ЦАГИ», при помощи которого проведен ряд экспериментов по определению динамических характеристик следующих конструкций:Significant features (distinguishing features) of the claimed invention were implemented in a specific device operated by TsAGI, with which a number of experiments were carried out to determine the dynamic characteristics of the following structures:

- силовая композитная балка пола фюзеляжа перспективного российского ближне-среднемагистрального пассажирского самолета,- a power composite beam of the fuselage floor of a promising Russian near-medium-haul passenger aircraft,

- серия саблевидных лопастей модели 8-ми лопастного воздушного винта перспективного авиационного двигателя,- a series of saber-shaped blades of the model of 8-bladed propeller of a promising aircraft engine,

- конструктивно подобная модель руля изделия Х-22,- structurally similar steering model of the product X-22,

- комплект крупномасштабных моделей-демонстраторов (полноразмерных) лопастей рулевого винта вертолета.- a set of large-scale demonstrator models (full-sized) helicopter tail rotor blades.

Итогом опытной эксплуатации разработанного устройства стало подтверждение вышеуказанных технических результатов.The result of the trial operation of the developed device was the confirmation of the above technical results.

Claims (2)

1. Устройство бесконтактного возбуждения механических колебаний, содержащее громкоговоритель и рупор, отличающееся тем, что поверхность рупора представляет собой криволинейную поверхность постоянной отрицательной кривизны с образующей линией в форме трактрисы, рупор широкой частью закреплен на корпусе громкоговорителя, узкая часть рупора плавно переходит в цилиндрическое сопло, направленное на возбуждаемую поверхность, а соотношение длины рупора к диаметру громкоговорителя находится в пределах 1,4-1,6, причем громкоговоритель закреплен на регулируемой по высоте стойке с возможностью поворота относительно вертикальной и горизонтальной осей.1. The device of non-contact excitation of mechanical vibrations, comprising a loudspeaker and a horn, characterized in that the horn surface is a curved surface of constant negative curvature with a generatrix line in the form of a tractor, the horn is wide mounted on the loudspeaker body, the narrow part of the horn smoothly passes into a cylindrical nozzle, directed to the surface to be excited, and the ratio of the length of the horn to the diameter of the loudspeaker is in the range 1.4-1.6, and the loudspeaker is fixed ene in a height-adjustable rack pivotable about vertical and horizontal axes. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поверхность рупора представляет собой псевдосферу Лобачевского.2. The device according to claim 1, characterized in that the surface of the horn is a Lobachevsky pseudosphere.
RU2017141960A 2017-12-01 2017-12-01 Device of contactless excitation of the mechanical vibrations RU2682582C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017141960A RU2682582C1 (en) 2017-12-01 2017-12-01 Device of contactless excitation of the mechanical vibrations

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017141960A RU2682582C1 (en) 2017-12-01 2017-12-01 Device of contactless excitation of the mechanical vibrations

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2682582C1 true RU2682582C1 (en) 2019-03-19

Family

ID=65806076

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017141960A RU2682582C1 (en) 2017-12-01 2017-12-01 Device of contactless excitation of the mechanical vibrations

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2682582C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113606469A (en) * 2021-08-11 2021-11-05 哈尔滨工程大学 Vibration exciter working frame capable of realizing hemispherical excitation
CN113653918A (en) * 2021-08-11 2021-11-16 哈尔滨工程大学 Hydraulic vibration exciter installation device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1337700A1 (en) * 1986-01-06 1987-09-15 Предприятие П/Я Г-4725 Bed for testing articles for dynamic loads
SU1741001A1 (en) * 1989-09-15 1992-06-15 Конструкторское бюро машиностроения Stand for testing articles by dynamic loads
JPH10253490A (en) * 1997-03-07 1998-09-25 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Vibrational stress measuring device
JP2004077163A (en) * 2002-08-12 2004-03-11 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Air type non-contact oscillator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1337700A1 (en) * 1986-01-06 1987-09-15 Предприятие П/Я Г-4725 Bed for testing articles for dynamic loads
SU1741001A1 (en) * 1989-09-15 1992-06-15 Конструкторское бюро машиностроения Stand for testing articles by dynamic loads
JPH10253490A (en) * 1997-03-07 1998-09-25 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Vibrational stress measuring device
JP2004077163A (en) * 2002-08-12 2004-03-11 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Air type non-contact oscillator

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Antti Hannukainen. An acoustic glottal source for vocal tract physical models // Preprint submitted to Measurement April 27, 2017. *
Gunawan L. Experimental Study of Nonlinear Vibrations of Thin-walled Cylindrical Shells. Proefschrift. - Faculty of Aerospace Engineering, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands, 1998. - C. 41-56. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113606469A (en) * 2021-08-11 2021-11-05 哈尔滨工程大学 Vibration exciter working frame capable of realizing hemispherical excitation
CN113653918A (en) * 2021-08-11 2021-11-16 哈尔滨工程大学 Hydraulic vibration exciter installation device
CN113653918B (en) * 2021-08-11 2024-05-10 哈尔滨工程大学 Hydraulic vibration exciter mounting device
CN113606469B (en) * 2021-08-11 2024-05-10 哈尔滨工程大学 Vibration exciter working frame capable of realizing hemispherical excitation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2682582C1 (en) Device of contactless excitation of the mechanical vibrations
Saadatzi et al. An electro-dynamic 3-dimensional vibration test bed for engineering testing
CN104458176A (en) Noise and vibration combined test device for blade of rotor
Saadatzi et al. AEVE 3D: Acousto electrodynamic three-dimensional vibration exciter for engineering testing
Berry et al. Similitude laws for the sound radiation of flat orthotropic flexural panels
CN106248332A (en) Test clamped Vibration of Rectangular Plates and the test-bed of acoustic radiation and method
Leader et al. Experimental investigation into sound and vibration of a torpedo-shaped structure under axial force excitation
Kaduchak et al. Novel cylindrical, air-coupled acoustic levitation/concentration devices
JP2016205838A (en) Vibrator and diagnostic device
Pan et al. Analysis of underwater vibration of a torpedo-shaped structure subjected to an axial excitation
Syam Narayanan et al. Effect of fluid-structure interaction on noise generation in MAV with fixed and flapping membrane wing
RU2610846C1 (en) Acoustic test rig for electrical and mechanical power assist system for vehicle
Liu et al. Demonstration of vibro-acoustic reciprocity including scale modeling
Gautier et al. Acoustic intensity measurement of the sound field radiated by a concert harp
RU189575U1 (en) EDUCATIONAL INSTALLATION FOR THE STUDY OF RADIAL OSCILLATIONS OF CYLINDRICAL SHELL
Salze et al. Investigation of the wall pressure wavenumber-frequency spectrum beneath a turbulent boundary layer with pressure gradient
Comesana et al. Influence of background noise on non-contact vibration measurements using particle velocity sensors
Wu et al. A method to predict sound radiation from a plate-ended cylindrical shell excited by an external force
Rapino et al. An in-plane flexible ring model for the analysis of the free and forced response of a rolling tyre
Li et al. Identification of rotor system noise source based on sound intensity measurement
Roozen et al. Vibro-acoustic radiation of rigid bodies oscillating at large amplitude and low Mach number: Modelling and experiments
Čereška et al. Investigation of effect of acoustic field to coagulation of particles in air flow
RU2616353C1 (en) Stand for impact tests of devices and equipment
Dong et al. Simulation and experimental investigation of the resonance reduction of a tire cavity lined with porous materials
CN217582325U (en) Measuring device for acoustic-solid coupling response characteristic of solid rocket engine