Об акустических методах диагностики

Акустика - наука о звуковых явлениях. Читателю, конечно, известно, что звук - это колебания воздуха. Однако он может распространяться не только в воздухе, но и в жидкости, и в твердых телах. Существенно, что для прохождения звука требуется упругая среда. В отличие от радиоволн он не может распространяться в пустом пространстве.

О среде, по которой передается звук, говорят, что в ней происходит волновой процесс. Звук идет от источника, например от говорящего человека, до приемника (слушателя) в виде волн. Поэтому акустика - это учение о волнах.

Волновые процессы часто встречаются в природе - свет, радиосигналы, землетрясения и т. д. Любой волновой процесс связан с колебаниями. При появлении волн щепка, плавающая в воде, начинает колебаться - она периодически поднимается и опускается. Такие же колебания совершает корабль в океане. Колеблется и датчик, установленный на корпусе механизма, при возникновении в механизме волнового процесса. В такт колебаниям он вырабатывает электрический сигнал. Поэтому акустика тесно связана с наукой о колебаниях. Ее можно назвать учением о колебаниях упругой среды.

Чтобы в среде возник волновой процесс, требуется вывести из состояния покоя одну или несколько ее точек - создать возмущение. Но не всякое движение вызывает волновой процесс. Если мы быстро сблизим ладони, то услышим хлопок, что свидетельствует о возбуждении волн в воздухе. Но если сведем ладони медленно, то хлопка не услышим - волны не появились. Падение камня в воду вызывает волны, а медленное его опускание - нет. Удар молотка по рельсу заставляет последний колебаться, но если мы просто надавим молотком на рельс, хотя и очень сильно, колебаний не будет. Данный пример имеет прямое отношение к диагностике. Используемые там сигналы своим рождением обязаны соударению деталей. Информация, которую они приносят,- это сведения об ударах деталей одна о другую.

Итак, мы наметили ряд вопросов, которые рассмотрим в этой главе. Речь пойдет о волнах, распространяющихся в материале машины. Они возбуждаются ударами деталей, соединенных в кинематические пары, и служат сигналами, переносящими информацию из недр механизма к диагностической аппаратуре, находящейся снаружи. Приемником волн служит датчик колебаний, устанавливаемый обычно на корпусе машины. Когда волны проходят мимо датчика он, как поплавок рыболова, колеблется вместе с поверхностью среды и вырабатывает электрический сигнал, повторяющий эти колебания.

Когда говорят об акустике, то прежде всего имеют в виду звуковые волны, распространяющиеся в воздухе. Поэтому может возникнуть вопрос, почему сигнал в акустической диагностике регистрируется датчиком колебаний, устанавливаемым на машину, а не микрофоном?

Соударения деталей, действительно, находят отражение в шуме машины. Именно его ловят "слухачи". Поэтому сигнал, принятый микрофоном, содержит информацию о состоянии машины, но эта информация будет из "вторых рук", а значит, менее надежна и достоверна. Шум, который мы слышим,- это вторичный эффект соударения деталей. В начале колебания возбуждаются в самом механизме, а уже затем этими колебаниями возбуждаются волны в воздухе. Кроме того, звуковой сигнал в воздухе - очень "капризный" переносчик информации. Его форма существенно зависит не только от колебаний механизма, которыми он возбуждается, но и от находящихся вблизи предметов. Стена сарая или дерево, около которых стоит трактор, могут до неузнаваемости изменить его шум. Вот почему в акустической диагностике предпочтение отдают датчику колебаний, а не микрофону. Даже при обычном прослушивании машины механик часто вооружается стетоскопом вроде медицинского. Иногда его заменяют простой палочкой: один конец ее приставляют к машине, а другой - берут в зубы. Стетоскоп и палочка позволяют воспринимать колебания, которые распространяются в самом механизме, а не те, что возбуждаются им в воздухе.

Методы акустической диагностики обладают рядом преимуществ перед другими методами. Во-первых, они позволяют получить о состоянии машины наиболее полные сведения. Акустический сигнал порождается силовыми взаимодействиями деталей. Но скорость их износа и разрушения также определяется этими взаимодействиями. Таким образом, акустический сигнал машины и ее разрушение - два параллельно протекающих процесса, вызванные одной и той же причиной. А заботясь о диагностике, мы прежде всего стремимся овладеть способом оценки скорости износа и разрушения деталей, чтобы иметь возможность предсказывать аварии и назначать машине тот ремонт и обслуживание, в которых она нуждается в данный момент. Следовательно, поняв, о чем шумит машина, мы получим сведения о ее состоянии из "первых рук". Такую информацию о состоянии деталей, которая содержится в акустическом сигнале, нельзя получить даже, если разобрать машину на части и измерить каждую деталь. Свойства деталей наиболее полно проявляются в процессе их взаимодействия, а о детали, вынутой из механизма, не всегда можно сказать с полной определенностью, насколько она хороша или плоха. Машиностроителям и ремонтникам, например, давно известно, что работоспособность одной шестерни существенно зависит от успешного подбора другой шестерни.

Рис. 22. Механизм - многоканальная система связи

Малое число используемых датчиков - второе преимущество акустической диагностики. Акустический сигнал отличается большой информационной емкостью, поэтому он один способен доставить информацию о состоянии всех кинематических пар механизма.

И, наконец, третье преимущество акустической диагностики - быстродействие приборов.

В основе теории акустической диагностики лежит почти тривиальная идея о представлении механизма в виде многоканальной системы связи. На ее входе кинематические пары генерируют сигналы, несущие сведения о их состоянии. Сигналы поступают в материал механизма и в форме упругих волн приходят к датчику колебаний, который превращает их в электрический сигнал и направляет его в диагностическую аппаратуру. Задача последней заключается в том, чтобы сначала разделить поступивший сигнал на составляющие, каждая из которых принадлежит только одной кинематической паре, а затем расшифровать их. Мы уже говорили, что первая задача значительно сложнее второй, поэтому основной нашей заботой будет выявление различий в сигналах, генерируемых разными кинематическими парами. Для этого рассмотрим, как передается информация о состоянии кинематической пары изнутри механизма к датчику, установленному на его корпусе.