автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Методы и технические средства детектирования фонограмм акустически активных объектов

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ФОНОГРАММ АКУСТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.02.11 - методы контроля и диагностика

в машиностроении

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Потапов А. И.

Санкт-Петербург 1999

(СЗПИ)

УДК 534.86

На правах рукописи

МЕЛУА Анри Аркадьевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.........................................................................................................4

1. Некоторые теоретические аспекты в проблеме разработки первичных пьзоэлектрических преобразователей.........................13

1.1. Наиболее распространенные уравнения пьезоэффекта...................13

1.2. Колебания стержня в электрическом поле, перпендикулярном его толщине. Поперечный пьезоэффект......................................................27

1.3. Основы методики расчета резонансных частот пластин, совершающих контурные колебания......................................................33

1.4. Анализ некоторых элементов в упругих полях прямоугольных пьезопластин.............................................................................................40

1.5. Газоэлектрические материалы, применяемые при разработке первичных преобразователей................................................................42

Выводы по разделу......................................................................................50

2. Методы и технические средства детектирования акустически активных механических объектов..................................................51

2.1. Пьезоэлектрический акселерометр на базе пьезопластины, колеблющейся по толщине..................................................................51

2.2. Функциональная и электрическая схемы электронного стетоскопа.............................................................................................60

2.3. Конструктивные особенности электронного стетоскопа, предназначенного для диагностики узлов автомобильного двигателя...............................................................................................71

2.4. Основы методики детектирования механических акустически активных объектов на примере узлов автомобильного двигателя...............................................................................................75

Выводы по разделу..................................................................................91

3. Методы и технические средства детектирования акустически активных биологических объектов................................................93

3.1. Пьезоэлектрический акселерометр на базе пластин, совершающих контурные колебания и расположенных на круговой базе........................................................................................................93

3.2. Функциональная и электрическая схемы электронного стетоскопа, предназначенного для диагностики акустически активных биологических объектов.....................................................................100

3.3. Некоторые особенности механической части стетоскопа............113

3.4. Основы методики аускультативной диагностики биологических объектов..............................................................................................114

Выводы по разделу................................................................................120

4. Программное обеспечение электронного стетоскопа, оснащенного компьютером............................................................122

4.1. Характеристика цифровых методов обработки аудиоданных.....122

4.2. Аппаратные требования к вычислительному блоку.....................124

4.3. Требования к цифровому преобразованию аналоговых сигналов..............................................................................................128

4.4. Некоторые требования к построению математической модели. Общая характеристика используемых сигналов..............................130

4.5. Алгоритмы обработки данных........................................................132

4.6. Интерфейс управления и визуализации данных..........................134

4.7. Интерфейс управления программным обеспечением электронного стетоскопа...........................................................................................135

4.8. Передача данных и средства удаленного контроля. Средства и способы передачи данных.................................................................137

Выводы по разделу................................................................................145

Основные выводы и результаты диссертационной работы...............146

Литература..............................................................................................148

Приложения............................................................................................151

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 б