Современные подходы и технологии виброакустических

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ
ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ И
ДОВОДКИ ОБОРУДОВАНИЯ
Панов С.Н.
ООО «Компания ОКТАВА+», Москва
spanov@octava.ru
В докладе приводится обзор современных подходов и технологии
экспериментальной доводки оборудования с целью снижения шума и
вибрации.
Общий подход к процессу разработке новой машины описывается V –
образной диаграммой (рис.1). Проектирование
предполагает
каскадирование целевых параметров подсистем и отдельных узлов
(нисходящая ветвь) с последующей (восходящая ветвь) разработкой
виртуальных моделей узлов и подсистем до их интегрирования в модель
машины, которые уточняются по результатам физических испытаний
прототипов. Модели применяются для виброакустической доводки изделия
с использованием многопараметрической оптимизации.
Рис.1 .V –образная диаграмма процесса проектирования
В настоящее время при акустическом проектировании используются
модели МКЭ, МГЭ, реализованные в таких программных комплексах,
таких как LMS Vitrual.Lab Acoustics (SYSNOISE).
Для испытаний на шум и вибрацию разработаны и широко
используются различные технологии, которые рассмотрены ниже.
Основными областями являются (рис.2.) - акустические испытания,
структурные вибрационные испытания, исследования шума и вибрации
роторного оборудования, испытания на эксплуатационных режимах в
реальных условиях.
Рис.2 Области виброакустических испытаний
Акустическая локализация шума
Акустическая
локализация
источников
выполняется
путем
использования средств измерения характеристик акустического поля в
одной точке и во многих точках. Первые предполагают использование
зондов акустической интенсивности (p-p, p-v) и розетки микрофонов. При
этом визуализация звуковых полей осуществляется путем сканирования и
предполагает стационарность звукового поля .
Вторые включают
микрофонные решетки различных конфигураций, которые обеспечивают
локализацию внешнего шума и используют различные алгоритмы
обработки сигналов, полученных в точках ближнем и дальнего поля и их
комбинации (Beamforming (B)+Focalization(F)+NAH). Так применение в
традиционной системе акустической голографии NAH дополнительного
алгоритма фокализации расширяет частотный диапазон (рис.3).
Для локализации источников внутреннего шума используются
микрофонные решетки в виде акустических сфер.
Рис.3 Расширение
пространственного разрешения и
частотного локализации источников шума за счет
комбинации алгоритмов локализации.
Анализ путей передачи (TPA)
Определение путей распространения структурного и воздушного
шума от источников до приемников
и их количественная оценка
выполняется технологией анализа путей передачи (Transfer Path Analysis
(TPA) (рис.4).
TPA
использует
передаточные функции между приемником и
действующими силами на всех рассматриваемых путях передачи и
комбинирует их с оценками сил, действующими на рассматриваемые пути
в рабочих условиях. Эти рабочие силы получают экспериментально или
определяют непрямыми методами в случае невозможности использования
традиционных датчиков.
TPA дает ответы на вопросы: какова проблема - структурного или
воздушного шума, - в источнике или в системе, какой источник является
доминирующим, какое соединение и путь передачи дает наибольший
энергетический вклад, как разные пути передачи взаимодействуют друг с
другом и др.
Результаты TPA дают понимание корневых причин повышенного
шума и вибрации и снижают время на поиск источников шума и вибрации.
TPA может быть использован на разных этапах процесса разработки
изделия, например, как инструмент для установки целевых значений.
Рис.4 . Анализ путей передачи
TPA также дает данные о рабочих нагрузках, которые могут быть
использованы при моделировании. Примером является применение TPA
для определения сил, действующих на подшипники редуктора или
двигателя, которые могут применяться для предсказания вибрационного
отклика поверхности и для визуализации рабочих форм колебаний (ODS)
или для расчета акустического излучения.
Модальный анализ колебаний
Применяется для определения вибрационных модальных параметров
(собственных частот, форм колебаний и демпфирования) конструкций с
использованием экспериментального модального анализа (МА) (рис.5) при
искусственном возбуждении вибраторами (при синусоидальном,
широкополосном и др. сигналах возбуждения) или динамометрическими
молотками и модельного анализа в рабочих условиях (ОМА) при реальных
эксплуатационных нагрузках и граничных условиях.
Рис.5. Модальный анализ диска и ротора турбины
Гибридное моделирование
Гибридное моделирование
–
направление инженерных расчетов,
предполагающее
создание гибридной численной модели машины,
конструкции (рис.6.) на основе комбинации моделей узлов и подсистем,
полученных расчетными методами (МКЭ, МГЭ и др.)
и моделей
основанных на экспериментальны данных (МА, передаточные
характеристики), при этом нагрузки рассчитываются
численно или
получаются измерением из эксперимента.
Рис.6. Гибридное моделирование
Оптические методы измерения колебаний конструкций
Применяются для бесконтактного определения форм колебаний
конструкций, совершающих резонансные колебания.
Существуют точечные измерения и по всей поверхности структуры.
Для измерения форм колебаний конструкции в случае стационарного
случайной вибрации используется сканирующий лазерный допплеровский
виброметр, обеспечивающий последовательное измерение вибрации в
токах излучающей конструкции.
Одновременная регистрация всего вибрационного поля достигается –
системами основанными на методе электронной спекл - интерферометрии
(ESPI) (микро перемещения) или на методе цифровой корреляции
изображений (DIC) (рис.7). Применение высокоскоростных камер
позволяет
получить
пространственно-временную
реализацию
вибрационного поля конструкции. Полученные данные используются для
модального анализа
колебаний.
Рис.7. Оптическая система цифровой корреляции изображений
Оптические методы исследования шумообразования на основе
визуализации потоков жидкости и газа
Для изучения шумообразования в воздухе и жидкости применяют
различные
оптические методы и технологии: велосиметрию образов
частиц (PIV - Particle Image Velocimetry) для получения3-х мерных
векторных полей скоростей потока (рис.8), лазерная допплеровская
анемометрия для измерения величины и спектрального состава скоростей
потока в точке. Технология PIV с разрешением во времени (TR-PIV)
позволяет получить визуализацию (анимацию) изменения полей скоростей
потока во времени.
Рис.8.
Векторное поле скоростей воздушного потока полученное
методом PIV
Следящий анализ роторного оборудования
Применяется для идентификации роторных гармоник и резонансов в шуме
и вибрации, полученных в стационарных рабочих условиях и на разгоне
и выбеге. Современные системы сбора данных обеспечивают сбор данных
с фиксированной частотой дискретизации и порядковое слежение, когда
частота дискретизации меняется пропорционально частоте вращения
ротора (рис.9.).
Рис.9. Следящий анализ шума и вибрации
Частотно-временной анализ шума и вибрации
Применяется для анализа шума и вибрации имеющих переменный
характер, позволяя отслеживать изменение частотного состава во времени
(от оборотов) (рис.10).
Рис.10. Частотно-временной анализ
Проездные испытания на шум транспортных средств
Методы испытания на шум при проезде (Pass-By) транспортного
средства с заданными скоростными характеристиками с регистрацией
режимов и шумовых характеристик снаружи и внутри транспортного
средства позволяют определить в реальных рабочих условиях режимы,
имеющие повышенный шум и выявить его источники.
Современные системы сбора данных шума и вибрации
Основой реализации описанных технологий испытаний на шум и
вибрацию являются современные программно-аппаратные комплексы на
основе многоканальных систем сбора данных, имеющих следующие
характеристики: большой динамический диапазон измерений до 24 Бит,
параллельность сбора данных по каналам, частотный диапазон до 200 кГц,
количество каналов от 8 до 2000, наличие на каждый канал цифрового
согласующего усилителя
и ∑∆ АЦП, управление от компьютера,
возможность параллельной регистрации временных сигналов, спектров,
данных порядкового анализа и др., вход тахосигнала с возможностью
следящего анализа, выход генератора сигналов для модального анализа,
наличие обратной связи синала возбуждения от сигналов с измерительных
каналов, встроенной CompactFlash – памяти, возможность дистанционного
управления от портативного PDA компьютера, и др. .
Описанные технологии испытаний иллюстрированы конкретными
аппаратно-программными комплексами производства
фирм LMS
(Бельгия), Dantec Dynamics (Дания), Microflown Technologies (Голандия) и
др., внедренными в практику доводки изделий.