Приложение А (рекомендуемое).Руководство по испытаниям

Приложение А
(рекомендуемое)

Руководство по испытаниям

А.1 Испытания в реверберационной камере

А.1.1 Общие положения

Идеальная реверберационная камера представляет собой закрытый объем, при создании в котором широкополосного акустического шума обеспечивается поддержание диффузного звукового поля, в котором усредненное по времени среднеквадратичное значение звукового давления одинаково в любой точке. На практике, однако, применяются близкие к идеальным помещения.

Природа звукового поля такова, что основной вклад в уровень звукового давления обеспечивают созданные в объеме камеры резонансные моды. Наиболее важным требованием является то, что число таких мод должно быть велико, а их распределение по частоте - неравномерно, чтобы в образце было обеспечено возбуждение соответствующих резонансов или других важные в функциональном отношении колебаний.

Стены помещения должны обладать низкой звукопроницаемостью и отношение объема помещения к объему образца не должно, как правило, быть менее чем 10:1. Допускается в некоторых случаях отношение менее чем 10:1, но результаты таких испытаний могут быть менее достоверными. Расстояние между стенами помещения и образцом при возможности должны быть больше половины длины волны наименьшей частоты диапазона измерений (см. рисунок 4).

А.1.2 Объем реверберационной камеры

Значение требуемого объема реверберационной камеры в зависимости от значения низшей испытательной среднегеометрической частоты октавной полосы приведены в таблице А.1. Если эти условия соблюдены, то диффузионное (в определенном приближении) поле может быть получено даже в низшей испытательной октавной полосе.

Таблица А.1 - Соотношение "октавная полоса/объем помещения"

Низшая испытательная среднегеометрическая частота (октавная полоса), ВЦ	Требуемый объем помещения,
31,5	1000
125	200
250	70
500	5

А.1.3 Форма реверберационной камеры

Рекомендуется, чтобы помещение имело неправильную форму, такую, чтобы стены, пол и потолок не были параллельны друг другу. Статистически равномерная плотность энергии может быть получена в помещении, поперечное сечение которого представляет собой неправильный пятиугольник и со скошенным потолком. Источник шума должен быть соединен с помещением при помощи акустического рупора, выход которого должен занимать одну из стен (см. рисунок 4). Все поверхности реверберационной камеры должны быть плоскими, без вогнутостей, для того, чтобы не ухудшать рассеяние по камере. Размеры камеры - в соответствии с рисунком 1.А. Значение размера n должно превышать наибольший габаритный размер изделия не менее чем в два раза и выбираться из следующего ряда: 0,5; 1,25; 3 м.

Может быть использована также камера прямоугольной формы, в которой оптимальное распределение поля по частоте и в пространстве может быть получено при использовании оптимальных соотношений между размерами камеры. Как правило, эти соотношения не должны быть равны целым числам или близки к ним. Часто используют пропорции . Другие соотношения размеров прямоугольных камер, которые были определены для камер объемом около 200  и более, приведены в таблице А.2.

Таблица 2 - Реверберационная камера, соотношения размеров

Пример
1	0,83	0,47
2	0,83	0,65
3	0,79	0,63
4	0,68	0,42
5	0,70	0,59
, и - размеры реверберационной камеры по осям х, у и z.

Большая диффузность звукового поля в небольшой реверберационной камеры может быть достигнута путем подвешивания на стену отражающих поверхностей (панелей) с высоким сопротивлением усталости. Следует отметить, что размеры панели по отношению к размерам стены камеры должны быть сравнительно небольшими для того, чтобы не нарушить свойства камеры в области низких частот за счет эффекта дробления объема камеры. Другой метод повышения диффузности звукового поля в малых камерах состоит в подвешивании вращающегося объекта неправильной формы так, чтобы постоянно изменять направления отражения звука. Эти устройства особенно полезны, если требуются испытания на низких частотах.

Дополнительно следует отметить, что испытания на низких частотах часто базируются на экспериментальных данных, которые могут быть получены только в небольшом количестве дискретных точек, так что стандартные отклонения этих данных могут быть велики. Это замечание следует учитывать при проведении низкочастотных акустических испытаний и анализе их результатов.

А. 1.4 Поглощение в реверберационной камере

Коэффициент поглощения поверхностей реверберационной камеры должен быть достаточно мал, чтобы обеспечить продолжительность реверберации, достаточную для создания отраженного звукового поля. Средний коэффициент поглощения всех поверхностей реверберационной камеры в требуемом диапазоне частот не должен превышать 0,06. Этого можно достичь путем использования в конструкции помещения металлических или гладких бетонных стен, с применением эпоксидных или других, не поглощающих лакокрасочных покрытий. При этом металлические стены должны быть достаточно массивными, неупругими и обладать высоким демпфированием для предотвращения резонанса (поскольку это приведет к поглощению энергии акустического поля) в требуемом диапазоне частот для предотвращения резонанса (поскольку это приведет к поглощению энергии акустического поля) в требуемом диапазоне частот испытаний и измерений

А.1.5 Управляющие точки

Расстояние между управляющей точкой и поверхностью образца должны быть больше половины длины волны нижней частоты диапазона измерений или половины расстояния от образца до стены камеры (применяют меньшее из указанных значений). При необходимости расположить микрофон на расстоянии меньшем, чем половина длины волны, следует учитывать возможность искажения результатов испытания вследствие отражения от образца.

На рисунке 4 приведен типичный пример расположения микрофонов вокруг образца. На рисунке 5 приведен типичный пример расположения управляющих точек на воображаемой поверхности вокруг образца. На рисунке 6 приведен типичный пример расположения микрофонов вокруг тонкого цилиндрического образца. Во всех случаях расположение микрофонов должно удовлетворять требованиям испытаний.

Требования к микрофонам приведены в 4.3.1. Диаметр чувствительных поверхностей микрофонов не должен превышать 20% длины волны соответствующей верхней частоте диапазона. Например, для 10 кГц пригоден j-дюймовый микрофон (6,35 мм диаметром).

А.2 Испытание методом бегущей волны

В волноводе бегущей волны звуковые волны распространяются вдоль волновода от источника акустического звука. Если поперечное сечение волновода неизменно, то уровень звукового давления по всей длине волновода является теоретически постоянным, если не принимать во внимание поглощение энергии образцом или стенками волновода. Волновод бегущей волны должен быть заглушен звукопоглощающей средой, например стекловолокнистыми клиньями, для предотвращения отражения бегущей волны обратно в волновод. Такое отражение должно также быть предотвращено, если волновод присоединяется к основной реверберационной камере.

Образцы могут быть закреплены для испытания на стороне волновода или представлять собой одну из сторон волновода так, что воздействию бегущих волн будет подвергаться только одна сторона образца. В качестве альтернативы образцы могут быть расположены внутри испытательной секции волновода для имитации одновременного воздействия на все стороны образца.

При одинаковой излучаемой акустической энергии уровень звукового давления в волноводе бегущей волны получается большим, чем в реверберационной камере. Получаемый уровень зависит от акустической энергии источника, от площади поперечного сечения и от формы волновода. Как правило, могут быть получены уровни, по меньшей мере, на 10 дБ большие, чем в большой камере.

А.3 Испытание методом объемного резонанса

Ниже приведены типы объемов, которые могут быть использованы для испытания методом объемного резонанса.

В отсеках, в том числе грузовых, воздушного судна, которые открывают во время полета, может создаваться эффект воздействия в замкнутом объеме попадающего в отсеки воздушного потока. На резонансных частотах замкнутого объема часто возникают стоячие волны. Другим примером являются пустоты в камере сгорания твердотопливных ракетных двигателей. При сгорании ракетного топлива изменяется размер полости, в ней может возникнуть резонанс, в результате которого образуются очень высокие уровни звукового давления, которые возбуждают колебания конструкции ракеты.

Испытаниям методом объемного резонанса подвергают специальные части оборудования и лучшим способом является использование синусоидального или узкополосного случайного возбуждения в испытательном оборудовании, настроенном на объемный резонанс. Испытания обычно проводят на существующих акустических испытательных установках, подготовленных в соответствии с требованиями НД на образец.

Образец может быть подвешен в испытательной камере таким образом, чтобы прямому воздействию акустической энергии подвергались только полости, предназначенные для испытания. Другие поверхности образца должны быть защищены таким образом, чтобы воздействующие на них уровни звукового давления были, по меньшей мере, на 20 дБ ниже. Места установки микрофонов в объеме должны быть определены в НД на образец; эти места установки зависят от формы и размеров полостей и от предполагаемых параметров резонанса.

А.4 Испытание методом стоячей волны

Акустический резонатор - это жесткая закрытая труба с поперечными размерами, малыми по сравнению с длиной волны, так что стоячие волны будут образовываться по длине резонатора. Источник звука может быть присоединен к одному концу резонатора при помощи акустического рупора. Образец устанавливают на другом конце резонатора. Возбуждение производят звуком чистого тона на одной из собственных частот резонатора. Для точной настройки частоты стоячей волны должна быть обеспечена возможность изменять длину резонатора.

Ниже приведены примеры устройств, для которых требуется испытание методом стоячей волны:

- звукопоглотители для использования в газоохлаждаемых атомных реакторах при уровнях звукового давления достигающих 165 дБ;

- оценка углеродистоволокнистых панелей входных устройств обтекателя реактивных двигателей;

- измерение поглощающих характеристик широкополосных и резонансных поглотителей.

Следует отметить, что акустические резонаторы обычно представляют собой небольшие устройства для испытания образцов материалов, для разработки специальных поглотителей, и т.п.

А.5 Выбор источников звука

В испытаниях на акустическую усталостную прочность в начале использовался выхлопной газ реактивного двигателя как источник звуковой энергии. Однако это было очень дорого и небезопасно. Как только были определены требования к испытаниям на акустические воздействия, появилось возможность использования других источников звука. Наиболее пригодными оказались источники, приведенные в таблице А.3 и описанные ниже.

А.5.1 Электропневматические преобразователи

Электропневматические преобразователи, вероятно, являются наиболее широко используемыми источниками высоко интенсивного шума для лабораторных испытаний. Они обеспечивают регулируемый метод создания высоких уровней акустической энергии в газовых потоках большого объема со сравнительно низким давлением. Они могут быть использованы для создания гармонической, полигармонической или случайной акустической вибрации с высокой выходной звуковой мощностью, например, до 30000 акустических ватт.

А.5.2 Электрогидравлические преобразователи

Электрогидравлические преобразователи пригодны для создания высоко интенсивного шума для лабораторных испытаний. Они обеспечивают регулируемый метод создания высоких уровней акустической энергии в газовых потоках большого объема со сравнительно низким давлением. Они могут быть использованы для создания гармонической, полигармонической или случайной акустической вибрации с высокой выходной звуковой мощностью, например, до 200000 акустических ватт.

А.5.3 Электродинамические громкоговорители

Громкоговорители прямого излучения пригодны для акустических исследований низкого уровня звукового давления, для оценки частотных характеристик реакции образцов, для измерения характеристик помещения и т.п. Они относительно недороги, легки для управления и также вырабатывают регулируемый звук в широкой полосе частот. Как правило, верхний предел акустических систем не превышает 10 акустических ватт.

А.5.4 Широкополосные сирены

Широкополосные сирены также обеспечивают относительно недорогой способ получения гармонических или полигармонических звуковых колебаний со средними уровнями акустической мощности. Сирены потребляют сравнительно небольшие объемы сжатого воздуха при сравнительно низком давлении для создания звука мощностью до 5000 акустических ватт. Они удобны для проведения долгосрочных испытаний на долговечность с выходным спектром пригодным для специального применения.

А.5.5 Газовые реактивные двигатели

Газовые реактивные двигатели пригодны для выработки высокоинтенсивных, случайных высокочастотных звуковых колебаний. Этот метод создания звука вначале использовался в лабораториях до того, как были разработаны регулируемые генераторы звука высокой мощности. Неудобство газовых реактивных двигателей состоит в том, что требуются большие объемы сжатого газа, и это испытание трудно контролируемо.

Таблица А.3 - Примеры источников звука, вид колебаний и типовая выходная мощность

Источник звука	Вид колебаний; типовая выходная мощность
Электропневматические преобразователи	Квази-синусоидальные или случайные; высокая мощность (до 30000 W)
Электрогидравлические преобразователи	Квази-синусоидальные или случайные; очень высокая мощность (до 200000 W)
Электродинамические акустические системы	Синусоидальные или случайные; низкая мощность (приблизительно 10 W)
Широкополосные сирены	Синусоидальные или полигармонические; средняя мощность (приблизительно 5000 W)
Газовые реактивные двигатели	Случайные высокочастотные; низкая мощность

А.6 Жесткости

В таблице А.4 приведены некоторые типовые значения общего уровня звукового давления (ОУЗД) и продолжительность выдержки при испытаниях для различных случаев применения. Эту таблицу применяют для случаев, когда не имеется конкретных эксплуатационных данных для испытуемых образцов. Однако, во всех случаях, включая промышленное применение, необходимо учитывать НД на образец.

Таблица А.4 - Типовые ОУЗД и продолжительность выдержки

Применение	ОУЗД, дБ	Продолжительность выдержки, мин	Акустический спектр, рисунок N
Шумные промышленные механизмы	120	60	3
Мощные вентиляторы	120	60	2
Запуск промышленных газовых турбин	120	60	1
Зоны общего назначения внутри воздушного судна	130	60	1
В промышленных газопроводах Оборудование, расположенное в воздушном судне, шум выхлопа обычных (немалошумных) промышленных газовых турбин	130 140	60 30	* 1
Внутри воздушного судна вблизи источника шума	150	30	1
В газопроводах ядерных энергетических установок	150	30	*
Внешние отсеки воздушного судна	160	30	1
В газопроводах вблизи от циркуляционного насоса	160	30	*
Внутреннее оборудование вблизи ракетного двигателя или ракет-носителей	170	2	1
* Использовались только данные, полученные или измеренные для конкретного случая

В НД на образцы (с учетом таблицы А.4) должно быть точно определено, соответствует ли ОУЗД рабочему уровню звукового давления или, например, ОУЗД мог бы быть уменьшен для других целей.

А.7 Ускоренные испытания

Для испытания на воздействие акустического шума осуществление основного способа ускорения испытаний - уменьшение их продолжительности за счет увеличения уровня воздействия - достигают путем увеличения уровня испытательного звукового давления по сравнению с рабочим, действующим на образец во время акустической части рабочего цикла, которая представляет собой реальную продолжительность воздействия на образец акустического шума в процессе работы. Основой для определения максимально возможного увеличения уровня испытательного звукового давления (и, соответственно, возможной степени сокращения испытательного воздействия) служит усталостная кривая "напряжение - количество циклов нагружения до разрушения" (S-N) конструкции образца (или его соответствующих ответственных узлов или материалов). Например, пользуясь кривой усталости, можно определить, что звуковое давление, действующее в процессе 100-часового рабочего акустического цикла может при испытании быть увеличено таким образом, что продолжительность испытаний сократиться до 10 ч.

Было многократно показано, что начальное усталостное разрушение в конструкции обычно возникает в высоко резонансном режиме. При таком подходе требуется проведение предварительных исследований для определения, в каком именно резонансном режиме или режимах требуется более детальная проверка свойств образца. Такой анализ проводят, как правило, при оценке результатов определения динамических характеристик конструкций по ГОСТ 30630.1.1 и по 4.1.7.

Для определения допустимо достоверной степени увеличения уровня испытательного акустического давления по сравнению с рабочим (которая может быть ниже максимально возможной), в качестве критерия используют факт сохранения линейности зависимости "действующий уровень звукового давления - напряжение в образце". Первые очевидные проявления нелинейности определяют предел возможности дальнейшего повышения уровня испытательного звукового давления, т.е. предел возможности ускорения испытаний. Обнаружение указанной нелинейности в кривой давление/напряжение является показателем того, что распределение напряжений в элементах конструкции при испытаниях может отличаться от распределения при эксплуатационных акустических уровнях и это может привести к тому, что механизм разрушения при испытании будет отличаться от механизма разрушения при эксплуатации, так что результаты ускоренных испытаний будут недостоверными.

Мониторинг показаний закрепленных на образце датчиков деформации через узкополосные следящие фильтры в процессе ускоренного испытания, дает возможность раннего обнаружения начальных разрушений. Опыт показывает, что при появлении начальных разрушений наблюдается смещение резонансной частоты конструкции (обычно в сторону более низких частот). Более того, для поддержания прежнего уровня деформации может потребоваться больший уровень воздействия. Этот момент является наиболее подходящим для прерывания испытательных воздействий и проверки образца.

Приведенные выше в настоящем пункте требования относятся, главным образом, к случаю, когда результатом акустического воздействия являются или могут являться механические повреждения образца. При обнаружении отклонений в работе образца, связанных с его функциональными свойствами, требуются дополнительные исследования с использованием данных о критических функциональных частотах (п. 4.1.7).

А.8 Время интегрирования

Если проводят частотный анализ случайного сигнала, то продолжительность усреднения этого сигнала должна быть достаточно велика для получения статистически достоверных и повторяемых результатов. Простой способ определения приемлемой продолжительности усреднения состоит в том, что продолжительность интегрирования постепенно увеличивают до тех пор, пока не будет обеспечена достаточная повторяемость результатов измерений частотных составляющих. На низких частотах требуется большая продолжительность интегрирования, чем на высоких частотах.