Пьезоэлектричество

11. Изучение вибраций

Почти любое движение сопровождается вибрациями.

Вибрируют движущиеся части и основания станков, крылья самолётов, вращающиеся роторы электрических моторов, паровых турбин и гидрогенераторов, дрожат мосты, когда по ним проходят поезда, и т. д.

Вибрации возникают в результате воздействия сил, периодически изменяющих своё направление. Такие нагрузки, называемые знакопеременными, представляют большую опасность для любого механизма или сооружения.

Известны случаи поломки осей, валов, лопаток турбин, разрушение мостов и зданий, причина которых заключалась в знакопеременных нагрузках.

При определённых условиях размах колебаний во время вибрации резко возрастает. Так, не особенно сильная вибрация грунта, вызываемая, например, работой бензинового движка, способна иногда раскачать многоэтажное здание; строевой шаг взвода солдат — разрушить мост и т. д.

Частота вибраций (она показывает, сколько раз в единицу времени меняется нагрузка) может изменяться в широких пределах — от десятой доли до сотен и даже тысяч колебаний в секунду.

Положим, что с вибрирующим телом жёстко связана камера акселерографа. Тогда на его груз будет воздействовать сила, пропорциональная ускорению вибрирующего тела. Однако это ускорение периодически меняется по величине и характеру (ускорение — замедление) в соответствии с изменением нагрузки. Поэтому и сила, воздействующая на груз, носит знакопеременный характер. Следовательно, в цепи пьезоэлектрической пластинки возбуждается переменный электрический ток. В этом случае стрелка электрического прибора, изменяющего величину зарядов, будет колебаться с частотой вибрации, и мы не сможем уловить её показаний.

Однако эти неуловимые колебания стрелки можно зарисовать на бумаге. Для этой цели используются особые приборы — самописцы.

На рис. 28 показано, как работает простейшее самопишущее устройство.

Рис. 28. Схема простейшего самопишущего устройства.

На барабан, вращающийся со строго постоянной скоростью, наматывается бумажная лента. Поперёк этой ленты скользит стрелка электрометра особой конструкции. На конце стрелки укреплено пишущее перо, которое оставляет на ленте свой след. Если бы лента была неподвижна, то при вибрациях перо двигалось бы вверх-вниз по одному и тому же месту. Но поскольку лента в свою очередь перемещается, перо чертит на ней извилистую линию — кривую вибраций.

Эта зарисованная на бумаге картина вибраций может быть легко расшифрована. Высота пиков на кривой показывает величину размаха колебаний вибрирующего тела. Зная скорость вращения барабана и число пиков на отрезке ленты, легко найти и частоту вибрации.

Однако при высокой частоте вибраций самопишущие устройства оказываются непригодными. Вследствие того, что детали самописца обладают инерцией, пишущее перо не успевает следовать за быстрыми движениями вибрирующего тела.

В этом случае пьезоэлектрический акселерограф соединяется с осциллографом. На экране осциллографа непосредственно наблюдается светящаяся кривая вибраций — осциллограмма, которую легко зафиксировать с помощью фотоаппарата. Примеры осциллограмм даны на рис. 29.

Рис. 29. а) Кривая колебаний крыла самолёта после удара, б) кривая вибраций фундамента паровой турбины, в) колебания неотрегулированного электромотора.

Исследовать высокочастотные вибрации возможно только при помощи пьезоэлектрических акселерографов.