Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1 Вибрационная устойчивость фундаментов лесопильных рам 10
1.2 Основные свойства ударных нагрузок 15
1.3 Свойства ультразвуковых волн 19
1.3 1 Отражение и преломление ультразвуковой волны 24
1.3.2 Излучение и прием ультразвука 29
1.3.3 Затухание ультразвука в твердых средах 32
1.3.4 Методы измерения скорости ультразвука 33
1.3.5 Методы измерения коэффициента затухания ультразвука 40
1.4 Методы определения несущей способности свай, виды и способы заложения свай 42
1.5 Ультразвуковая дефектоскопия (УЗ) свай эхо-методом 48
1.6 Эхо-метод при контроле бетона 50
2. Акустические методы неразрушающего контроля 54
2.1 Области применения акустических методов 60
2.2 Определения параметров конструкций эхо методом неразрушающего контроля 65
2.2.1 Определение длины деревянных свай в транспортных сооружениях . 65
2.2.2 Неразрушающий метод определения свойств древесины деревьев.. 71
2.3 Установки диагностирования состояния свай и фундаментов 71
3. Методы исследования 75
3.1 Преобразования Фурье 83
3.2 Дискретное преобразование Фурье 86
3.3 Фурье-фильтрация 92
4. Результаты работы 100
4.2 Технические характеристики 104
4.3 Устройство и работа модуля сбора данных 106
4.4 Обработка сигнала 107
5. Методика определения несущей способности свай 117
5.1 Подготовка к работе 117
5.2. Работа 120
5.2.1. Метод измерения 120
5.2.2. Просмотр и сохранение результатов 122
5.3 Обработка результатов 124
5.4 Методика анализа результатов 124
Выводы и рекомендации... 132
Библиографический список 134
Приложение 1 145
Приложение 2 145
- Основные свойства ударных нагрузок
- Методы определения несущей способности свай, виды и способы заложения свай
- Определение длины деревянных свай в транспортных сооружениях
- Устройство и работа модуля сбора данных
Введение к работе
Технология производства пиломатериалов предусматривает применение разнообразного лесопильного оборудования - лесопильных рам (ЛР), круглопильных и фрезернопильных агрегатов. В зависимости от их конструктивных особенностей возникают различные поля возмущения в виде вибраций, оказывающие в конечном итоге влияние на качество вырабатываемой продукции, эксплуатационную надежность оборудования и состояние зданий и сооружений. ЛР - основной источник вибрационных возмущений, они, как правило, являются головным и определяющим видом оборудования в производстве пиломатериалов. Их преимущества по сравнению с более совершенными по динамике лесопильными станками (ленточнопильные, круглопильные) объясняется возможностью одновременной распиловки древесины поставом пил, что значительно увеличивает производительность.
Существенным конструктивным недостатком ЛР являются неуравновешенные силы инерции подвижных масс кривошипно-шатунного механизма, вызывающие колебания фундамента самой ЛР и околорамного оборудования, что снижает их надежность и ухудшает качество вырабатываемых пиломатериалов. Эти колебания, имеющие различные амплитудно-частотные характеристики, передаются конструкциям зданий цеха и близлежащим сооружениям, вызывая дополнительные вибронагрузки, снижают усталостную прочность конструкций вплоть до разрушения. Для снижения влияния колебаний ЛР на виброустойчивость их оснований особое внимание необходимо придавать обоснованию параметров фундамента. Колебания фундаментов ЛР существенным образом зависят от динамических характеристик оснований. Большинство лесопильных предприятий расположены в прибрежных зонах на водонасыщенных слабых грунтах, поэтому для обеспечения вибростойкости ЛР устанавливают на свайные фундаменты. При этом руководствуются в основном практическим опытом, СНИП, не учитывая полностью особенностей динамики ЛР. Известно, что низшие главные частоты собственных колебаний станин в направлении подачи
бревна равны 10-16 Гц, в перпендикулярном направлении 6-9 Гц. В направлении подачи они близки к удвоенной частоте возмущающей силы 10-12 Гц, в перпендикулярном направлении - частоте возмущающей силы 5-6 Гц, что является основной причиной интенсивных колебаний станин ЛР и их оснований.
Источниками колебаний ротационного оборудования являются неуравновешенность вращающихся масс, технологические нагрузки, перекосы и несоосности сопрягаемых звеньев. Возникающие при вращении силы инерции от дисбаланса создают дополнительные нагрузки на опоры и основания, возбуждают колебания деталей и узлов оборудования.
Известно, что конструкция основания оказывает решающее значение на вибрационную устойчивость оборудования в целом. Наибольшее применение в настоящее время находят свайные основания (А.А. Санников, Л.С. Павлов, В.Ф. Фонкин). Они состоят из отдельных свай, объединенных вверху бетонным монолитом фундамента. В большинстве случаев применяют висячие сваи. Упругое сопротивление таких свай определяется реакциями грунта, действующими на боковые поверхности сваи и на её остриё. Поперечное сечение свай оказывает существенное влияние на коэффициент жесткости при сдвиге.
Коэффициент упругого равномерного сжатия свайного основания пропорционален числу свай и зависит от расстояния между ними, с увеличением которого упругое сопротивление каждой сваи возрастает (В.М. Пятецкий, О.М. Савинов, Б.К. Александров).
В процессе работы фундаментов ЛР образуются дефекты в сваях, что сказывается на несущей способности и вибростойкости фундаментов. Особенно подвержены этому железобетонные сваи ввиду их чувствительности к знакопеременным нагрузкам. Стоит отметить, что при устройстве свайных оснований возможно образование дефектов в сваях. Указанные причины существенно снижают коэффициент жесткости основания по всем направлениям, что снижает вибрационную устойчивость оснований лесопильного оборудования.
Поэтому, исходя из конструктивных ограничений колебаний лесопильного оборудования цехов, динамических нагрузок на станину станка, фундамент, отрицательного влияния вибраций оборудования на качество вырабатываемых пиломатериалов (Р.В. Дерягин, Ю.А.Боричев), задача контроля и повышения вибрационной устойчивости оснований и оборудования лесопильного цеха является актуальной. Для практического применения следует разработать и обосновать методику неразрушающего контроля несущих элементов оснований лесопильного оборудования.
Целью исследования является повышение эффективности эксплуатации ЛР за счет разработки и использования методики и средств неразрушающего контроля состояния вибрационной устойчивости оснований лесопильного оборудования.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
Провести анализ технических решений по повышению вибрационной устойчивости оснований ЛР и средств контроля их состояния.
Теоретически обосновать возможность применения акустических методов неразрушающего коїггроля несущих элементов в основаниях ЛР.
Разработать методику проведения экспериментальных исследований определения параметров и наличия дефектов в свайных элементах оснований ЛР; определить критерии оценки результатов исследований колебательных систем оснований ЛР.
Обосновать адаптивные параметры программного модуля (МО) для обработки результатов наблюдений за состоянием оснований ЛР.
Обосновать выбор метода графо-аналитической оценки результатов экспериментальных исследований параметров несущих элементов оснований ЛР.
Представить критериальную оценку вибрационной устойчивости оснований лесопильного оборудования.
Разработать рекомендации по повышению вибрационной устойчивости оснований лесопильного оборудования.
Целью исследований является разработка и апробация методики и средств контроля состояние несущих элементов свайных оснований лесопильного оборудования, с целью определения и прогнозирования их вибрационной устойчивости.
Научная новизна работы:
Разработан метод неразрушающего контроля элементов фундамента для определения несущей способности оснований ЛР, методика проведения испытаний по оценки виброустойчивости фундаментов ЛР, позволяющие осуществлять контроль состояния вибрационной устойчивости оснований ЛР.
Научно обоснованы методы анализа информации о процессах колебаний фундаментов ЛР.
Предложен метод графо-аналитической обработки информации о состоянии фундамента ЛР, позволяющий оценивать виброустойчивость фундамента на определенный момент времени.
Практическая ценность полученных результатов
Методы повышения вибрационной устойчивости фундаментов лесопильного оборудования позволяют проводить неразрушшощии контроль свайных оснований ЛР и определить несущую способность фундамента. Результаты исследований могут быть применены при контроле вибрационной устойчивости фундаментов лесопильного оборудования, и прогнозировании их технического состояния. Разработанное компьютерное обеспечение может быть использовано при анализе состояния фундаментов ЛР.
Реализация работы.
Разработана техническая документация на опытную установку для определения параметров свай в основании ЛР.
Разработанные методы определения параметров заглубленных свай фундаментов ЛР при помощи ударного эхо-метода использованы на ОАО
«Лесозавод №2» г. Архангельска при оценке состояния оснований и прогнозирования виброустойчивости фундаментов ЛР.
Материал исследований применяется в учебном процессе при подготовке специалистов лесопромышленного комплекса.
Апробация работы.
Основные положения диссертационных исследований доложены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных, инженерно-технических работников и аспирантов АГТУ (Архангельск, 2007,2008 гг.).
Выполненные исследования показали, что разработанная методика и средства контроля вибрационной устойчивости оснований лесопильного оборудования, предназначенные для определения состояния несущих элементов оснований, могут быть использованы в производственных условиях. Примененные компьютерные средства позволили использовать разработанную методику неразрушающего контроля для оценки вибрационной устойчивости оснований.
На защиту выносятся:
Результаты теоретических и экспериментальных исследований акустических методов неразрушающего контроля - эхо-метода для оценки состояния несущих элементов оснований ЛР.
Методика определения параметров и наличия дефектов в свайных элементах оснований ЛР; метод графо-аналитической оценки результатов экспериментальных исследований состояния оснований лесопильного оборудования.
Научное обоснование адаптивных параметров программного модуля обработки информации о возбужденных колебаниях оснований ЛР; методика графического изображения состояния целостности свайного фундамента
4. Техническое решение и технология применения опытной установки ПА-1 для определения параметров свай оснований ЛР.
Основные свойства ударных нагрузок
Ввиду того, что основания ЛР подвергаются действию ударных и вибрационных нагрузок (Р.В. Деряпш, Ю.А. Боричев), необходимо разобрать механизм их распространения по конструкции оснований.
Действие ударной нагрузки не передается мгновенно всем частям тела: вначале отдельные участки последнего остаются невозмущенными. При этом напряжения и деформации движутся в теле в виде волн, распространяющихся, например, в металлах со скоростями в несколько тысяч метров в секунду.
По прекращении явлений, связанных с возмущением, тело может возвратиться в свое начальное состояние или получить необратимые изменения. В первом случае это будет упругий удар, во втором — не вполне упругий, а при переходе всей энергии удара в остаточную деформацию — пластичный.
В зависимости от того, совпадает ли направление движения частиц тела с направлением распространения волн или происходит перпендикулярно к нему, различают два типа упругих возмущений: в первом случае оно называется продольной волной (продольным возмущением, волной расширения, безвихревой волной, первичной волной), во втором — поперечной волной (сдвиговой волной, волной искажения, вторичной волной) [13].
Продольные волны распространяются в материале путем сжатия и растяжения, а поперечные — с помощью сдвиговых перемещений. Скорость первичной продольной волны превышает обычно скорость распространения поперечной волны примерно в 2 раза.
Известны и другие типы волн, например, плоские поверхностные волны Релея, распространяющиеся вдоль границ полубесконечного упругого тела, сдвиговые поверхностные волны Лява и другие.
Предположим, что ударная сила N мгновенно нагружает торец упругого стержня сечением F. Тогда за время dt, прошедшее с момента соприкосновения, успеет сжаться только некоторый слой dl, остальная часть стержня остается не деформированной и потому ненапряженной.
Относительное укорочение первого слоя du N а ,Л .ч Сжатый слой будет оказывать давление на следующий за ним слой и таким образом сжатие образует волну, которая проходит вдоль всего стержня. Граница между напряженным и ненапряженным участками стержня называется фронтом волны, а расстояние, которое проходит фронт волны за время удара — длиной волны.
Скорость перемещения частиц тела и (т. е. массовая скорость — скорость, с которой материал в данной точке движется в какой-нибудь момент времени при прохождении через нее волны) пропорциональна напряжению а, тогда как скорость распространения самой волны а не зависит от величины напряжения, а зависит только от модуля упругости и плотности материала. Если представить передачу импульса через упругую связь, то скорость передачи будет прямо пропорциональна жесткости связи Е и обратно пропорциональна массе (плотности р).
Возмущающие импульсы могут вызывать как сжатие материала, так и его растяжение в зависимости от чего они и называются волнами сжатия или волнами растяжения. В волне сжатия направление скорости перемещения частиц совпадает с направлением распространения волны, в волне растяжения оно противоположно движению волны. При встрече волны со свободной поверхностью последняя приходит в движение и возникают новые возмущения. Если волна сжатия падает нормально, то от этой поверхности отражается волна растяжения той же интенсивности, и наоборот. Во время отражения волны отражающая поверхность свободна от напряжений, а скорость частиц материала на поверхности равна алгебраической сумме скорости частиц в волне и скорости перемещений частиц в результате перехода потенциальной энергии в кинетическую.
Если в среде, по которой проходит волна, резко меняется акустическая жесткость (т. е. ар = Ер), то в результате отражения от поверхности раздела сред возникают две волны — одна проходит через эту границу, а другая отражается (при Е1р1))Е2р2 сжимающие напряжения отражаются как растягивающие, и наоборот).
Отраженные волны, распространяясь по телу, интерферируют. Волны проходят одна сквозь другую без всяких взаимных влияний. Это явление носит название суперпозиции. Величины напряжений и скоростей в области интерференции можно получить, векторно складывая напряжения и скорости частиц в отдельных волнах.
Методы определения несущей способности свай, виды и способы заложения свай
Основным этапом проектирования свайного фундамента является определение несущей способности свай. По результатам выбирают длины и количество свай. Применяются в основном четыре метода определения несущей способности свай, показанные на схеме (рисунок 1.6). Расчеты по физическим свойствам грунтов являются наиболее распространенным методом в большинстве регионов страны.
В этом методе несущую способность свай рассматривают как сумму двух видов сопротивлений (рисунок 1.7): сопротивления грунта под нижним концом сваи, R и сопротивления /п распределенного по ее боковой поверхности сваи («боковое трение»).
При этом значения сопротивлений R и fi определяют по таблицам в
зависимости физических характеристик грунта и глубины рассматриваемого слоя. Физические характеристики устанавливают путем лабораторной обработки образцов (монолитов) грунта, отобранных при бурении. Это показатель текучести у глинистых у грунтов, крупность и плотность у песков.
Такие расчеты применяют для свай различных конструкций (призматических, пирамидальных, свай-оболочек и проч.), различной технологии изготовления (забивных, погружаемых разными способами; буровых и проч.). Могут при этом применять различные таблицы для определения R и /, различные формулы, различные коэффициенты в этих формулах. Такие формулы и таблицы приводятся в нормативных документах (СНиП 2.02.03-85 , СП 50-102-2003).
Сваи в фундаментах под стены зданий обычно располагаются параллельными рядами (в 1.. .4 ряда в зависимости от погонной нагрузки и несущей способности принятых свай). При восприятии сосредоточенных нагрузок от отдельных опор сваи располагаются «кустами» (по 4...12 свай). Если несущая способность свай достаточно высока или сосредоточенная нагрузка мала, можно ограничиваться одной сваей под опору (односвайный фундамент). В частности, при нагрузках на опору менее ЗООкІІ очень эффективными могут быть сваи-колонны, выполняющие одновременно функции фундамента и колонны (рисунок 1.8 г).
Ростверки выполняют из монолитного, реже сборного железобетона. Если ростверк опирается непосредственно на грунт, его называют низким (рисунок 1.8а), если между ним и грунтом остается зазор - высоким (рисунок 1.86). В ряде случаев могут быть наиболее эффективными безростверковые свайные фундаменты: на сваях монтируют железобетонные наголовники (на строго заданных отметках), и надземные конструкции опираются непосредственно на них (рисунок 1.8 в).
В последние десятилетия разработаны новые конструкции свайных фундаментов, которые экономически более эффективны, чем традиционные типы, но чаще всего сложней их. В качестве примера на рисунке 1.8д приведена конструкция «комбинированного свайного фундамента». Забивают железобетонный стакан 5, через который затем погружаются наклонно две сваи 1 (иногда одна). Полость стакана частично заполняется бетонной смесью 6, так что образуют днище для опирання колонны 7. После установки колонны оставшуюся часть полости вокруг этой сваи замоноличивают окончательно. Таким образом, стакан 5 выполняет функцию ростверка.
В настоящее время сваи изготавливают в основном из железобетона. В отдельных случаях могут использоваться другие материалы (дерево, сталь). В мировой практике известно около 500 видов свай, однако, широкое применение имеют лишь очень малая их часть. Существуют различные классификации свай, среди которых в первую очередь следует назвать разделение свай по месту их изготовления: сваи, изготовленные на заводе, доставляемые в готовом виде на строительную площадку, и погружаемые в грунт забивкой, вибрированием или вдавливанием (такие сваи обычно называют «забивными» независимо от способа погружения); сваи, изготовленные непосредственно на строительной площадке (с использованием специальных машин и монолитного бетона). На рисунке 1.9 приведены наиболее типичные конструкции свай.
Наиболее распространенные типы железобетонных свай: а - предварительно изготовленные (забивные) сваи: 1- призматическая, 2 -свая-оболочка (полая круглая), 3 - пирамидальная; б - сваи, изготовляемые непосредственно на строительной площадке: 4 - буровая без уширений, 5 -буровая (или набивная) с уширениями
Наибольшее распространение получили предварительно изготовленные (забивные) сваи (рисунок 1.9а), что в значительной мере связано с климатическими условиями страны, а также с общей ориентацией строительной отрасли на сборный железобетон.
Представленные на рисунке 1.9 типы свай неравноценны по широте применимости. Превалируют призматические сваи (поз 1 рис. 1.9), доля которых превышает 90% общего объема свай, применяемых в РФ. Согласно стандартам РФ их сечения могут быть от 0,2x0,2м до 0,4x0,4м, длина - от Зм до 20м. Фактически большинство применяемых призматических свай в России имеет поперечное сечение 0,3x0,3м и длину 6... 12м. При значительной глубине погружения сваи могут быть составными.
Нижний конец призматических свай может быть заостренным, но может и не иметь острия (см. узел «А» на рисунке 1.9). В ряде регионов РФ (например, Башкортостан) уже более 30 лет применяются только сваи без острия, которые по своим технологическим качествам не хуже свай с острием, а изготовление их проще.
Сваи-оболочки (поз. 2 рисунок 1.9) применяются для восприятия повышенных нагрузок. При диаметре до 0,8м их погружают забивкой, при больших диаметрах - вибрированием (вибропогружателями). Пирамидальные сваи (поз. 3 рисунок 1.9) применяются редко (обычно при наличии прочного верхнего слоя).
Сваи, изготовленные непосредственно на строительной площадке (поз. 4 и 5 на рисунке 1.9), чаще всего представляют собой заполненные бетоном скважины (диаметром 0,3...0,8м, глубиной 10...20м). В такие скважины может быть заблаговременно установлена арматура. Если скважины образованы путем бурения, то сваи называют буровыми, путем принудительного отжатия - набивными. Для повышения несущей способности таких свай в нижнем конце, (а иногда и на нескольких уровнях) устраиваются уширения. Глубины таких свай чаще всего такие же, как и забивных. В мировой практике известно много способов устройства скважин, устройства уширений, способов укладки бетона.
Определение длины деревянных свай в транспортных сооружениях
Девис [15] описал применение звукового эха и параллельного ударного метода для определения длины свай. Звуковой эхо-метод основан на ударе, сообщаемым верхушке сваи, и измерении времени необходимого для возврата звуковой волны обратно к верхушке, где установлен акселерометр. Девис говорил о ряде проблем возникающих при использовании данного метода: рассеивание и многократное отражение эха, чувствительность к месту и способу размещения акселерометра, сообщение верхушке сваи удара (обычно к ней отсутствует доступ).
Дуглас и Хольт [14] анализировали распространение волн в сваях для определения их длины. Их метод был основан на эффекте рассеивания волн. Спектр волны идущей по сваи достаточно широк и потому на разных частотах коэффициент затухания весьма сильно различается, к тому же внутренняя геометрия (дефекты) влияют на затухание. Тем не менее, данным метод была определена длина 26 свай с заявленной точностью ±10%.
Метод определения длины деревянных свай основан на продольном распространении ударных волн по свае [16]. Ударная волна, возбуждаемая ударом молотка, распространяется вдоль сваи и многократно отражается от всех граничных поверхностей до полного затухания. Скорость распространения ударной волны зависит от плотности сваи, наличия инородных включений и качества материала.
Длина сваи может быть определена измерением времени, необходимого для распространения сваи от места удара до конца и возврата обратно. Время отражения связано с резонансной частотой сваи. Измерив время отражения или резонансную частоту и время распространения ударной волны, возможно определить длину сваи. Для определения длины сваи описанным методом (рисунок 2.7) необходимо: средство возбуждения колебаний (молоток), акселерометр для фиксирования прохождения волн, устройство сбора и анализа данных. При использовании данного метода определения длины свай важно чтобы направление распространения ударной волны максимально совпадало с продольной осью сваи.
Таким образом, удар по верхушке сваи является наиболее предпочтительным для индуцирования распространения ударной волны. Тем не менее, доступ к верхушке большинства сваи затруднен или невозможен. Данная проблема решается забивкой около верхушки сваи стального стрежня под углом в 45 градусов, что позволяет, ударив по нему, возбудить колебания без интерференции от балок и других элементов конструкции моста, находящихся рядом с верхушкой сваи. Ударная волна, индуцированная ударником, проходит по свае и отражается от нижнего конца сваи. Анализируя данные, полученные от двух датчиков, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, можем определить скорость распространения ударной волны. Длина сваи может быть вычислена на основе скорости волны и времени отражения. Время отражения - время необходимое волне для прохождения вдоль сваи, отражения и возврата обратно.
Резонансная частота сваи-это обратная величина времени отражения. Таким образом, резонансная частота связана с длиной сваи и скоростью волны. Поэтому для определения длины сваи может быть использована резонансная частота.
Преимущества применения, как резонансной частоты, так и времени отражения при определении длины свай позволяет с большей точность проводить измерения. Для некоторых свай определение длины свай невозможно, используя резонансную частоту, ввиду сложности расшифровки полученных данных. Во многих подобных случаях возможно использование времени отражения для определения длины сваи. В основном применение метода времени отражения обеспечивает более точное определение длины сваи.
Как показали исследования, определение длины свай (лежащих в диапазоне от 3 до 20м) резонансным методом и методом времени отражения возможно в пределах ±15% реальной длины сваи.
Ударный эхо-метод наиболее удобен при обнаружении внутренних дефектов в бетоне [18]. Ударом генерируется волна достаточной энергаи для проникновения внутрь структуры. Первый удачный опыт применения ударных методов был осуществлен при оценке отдыха свай и кессонов [17]. Позже этот опыт стал известен как звуковой эхо-метод. Достаточно большая длина этих конструкции позволяла точно определять время между ударом и возвратом эха. Определение времени отклика системы в тонких структурах (перекрытия, плиты) намного сложнее по сравнению с протяженными структурами.
Когда отраженные волны или эхо возвращаются обратно к поверхности, они совершают перемещение, фиксируемое приемником. Если приемник размещен достаточно близко к точке удара, то доминирует эхо р-волны. Справа на рисунке 2.8 показана зависимость перемещения поверхности тела после удара. Первый минимум вызван г-волной, потом наблюдается серия повторяющихся перемещений поверхности тела вследствие многократного отражения р-волны от границы дефекта и поверхности удара. В ходе развития науки обнаружения скрытых дефектов ударным эхо-методом способ измерения времени от момента удара до возврата р-волны исчерпал себя. Появился новый способ анализа данных ударного эхо-метода - частотный анализ.
Принцип частотного анализа показан на рисунке 2.9. Р-волна, генерируемая ударом, многократно отражается между проверяемой и отражающей поверхностями. Каждый раз в момент прихода р-волны проверяемая поверхность совершает характерное перемещение. Таким образом, колебания происходят с некоторой периодичностью, зависящей от пути распространения р-волны. Если приемник размещен около точки удара, полный путь равен 2Т, где Т - расстояние между проверяемой и отражающей поверхностями. Как видно на рисунке 2.10, временной промежуток, необходимый для возврата отраженной р-волны, — это полный путь волны, разделенный на ее скорость.
Устройство и работа модуля сбора данных
Управление АЦП осуществляют дистанционно от любого компьютера с помощью программного обеспечения, входящего в комплект комплекса, через стандартный интерфейс USB. Управляющий компьютер должен обладать следующими основными характеристиками: процессор типа Pentium 166 и выше; объем оперативной памяти не менее 32 Мбайт; порт USB; тип монитора VGA, SVGA; операционная система Windows 9X/2K/NT/XP.
Внешний вид АЦП представлен на рисунок 4.5. На лицевой панели АЦП находится разъем типа DRB-15F (СОМ), содержащий пятнадцать контактов. Подаваемые на входы устройства сигналы поступают на вход аналогового усилителя, а затем на вход микросхемы аналого-цифрового преобразования, где происходит их преобразование в эквивалентный цифровой код. Далее данные накапливаются в буферном ОЗУ. Измерение сигналов по каналам 1, 2...8 происходит последовательно. На задней панели АЦП находится разъем для подключения соединительного кабеля интерфейса USB, с помощью которого осуществляется связь с компьютером.
Компьютер управляет всеми режимами работы АЦП, осуществляет считывание информации из буферного ОЗУ, её обработку и передачу в видеопамять компьютера для наблюдения на экране монитора. Непосредственное управление работой АЦП осуществляет в рамках соответствующего программного обеспечения посредством графического манипулятора «мышь» и клавиатуры.
Колебания, фиксируемые датчиком поступают на один из восьми входов АЦП В-480, оцифровываются и поступают в компьютер. Дальнейшую обработку записанных сигналов ведут на компьютере. Система Matlab является одним из самых мощных математическим пакетов для решения различных прикладных задач (рисунок 4.6). Эта система является мировым стандартом в области научных и технических расчетов. Matlab имеет множество пакетов расширения, что позволяет адаптировать систему к решению различных классов математических и технических задач.
Разберем один из замеров. Измерения проводили 4 августа 2007 года на территории АГТУ на железобетонной свае длиной 6.4 метра. Датчик был установлен на верхушку сваи. Произведенный удар по торцу сваи генерировал колебания прошедшие до конца сваи, находившегося в земле, и обратно.
Определение длины свай основано на распространении волн напряжений вдоль сваи. Волна напряжения, генерируемая ударом (молотком и т.п.) идет вдоль сваи, отражается от границ раздела сред и возвращается обратно. Явление повторяется до тех пор, пока энергия удара не рассеется. Скорость распространения волны зависит от плотности и качества материала сваи, а также от наличия инородных включений.
При исследовании стало известно, что недостатком спектров, полученных при обычном преобразовании Фурье, является их малая информативность. Локальные особенности сигналов, например короткие всплески или провалы, разрывы и ступеньки и т. д., ведут к появлению в спектре высших гармоник с малой амплитудой, распространенных по всей частотной оси. На рисунке 4.9 показаны колебания верхушки сваи после возбуждения волны напряжений ударом молотка. Таким образом, все колебания фиксировали АЦП с частотой ЗОкГц и передавались в компьютер для дальнейшей обработки. Применив пакет SPTool, входящий в состав MATLAB построим спектры вернувшейся волны (рисунок 4.10).
На рисунке 4.10 видно, что локальные максимумы спектра, построенного при помощи быстрого преобразования Фурье, не дают четкого представления о резонансной частоте. Однако, спектр той же самой волн построенный по методу МТМ, дает весьма наглядное представление о резонансной частоте, которая составляет 286 Гц как видно из рисунка 2. Подробнее об алгоритме построения спектра по методу МТМ изложено в [25, 37, 39, 48] и руководстве Matlab.
Таким образом, наглядно показана разница между методами построения спектра сигналов, что позволяет рекомендовать метод МТМ для анализа реальных колебательных физических процессов. В главе 3 говорилось еще об одном способе анализа колебаний. Это анализ времени прихода волны к месту удара, т.е. эхо-метод. Применение эхо-метода в нашем случае весьма затруднено, т.к записанный сигнал является суммой множественных отражений возбужденной волны от ребер, различных включений, от земли и т.п. Причем имеем эхо достаточно широкого спектра, что требует фильтрации сигнала, т.е. срезания высокочастотной составляющей. Все это возможно выполнить средствами Matlab. Разберем метод на примере этой же сваи, но с датчиком, установленном на боковой поверхности верхушки сваи, на расстоянии 500 мм от торца.
Частотное окно пропускания фильтра выбрано таким образом, чтобы покрыть все возможные длины свай при известной средней скорости распространения волны 3600 м/с. Применив фильтр к сигналу (рисунок 4.11) получим отфильтрованный сигнал (рисунок 4.12). На рисунке 4.12 видно, что можно определить расстояния между пиками, то есть момент возврата эха. В данном опыте оно составляет 0,00323 секунды, что примерно равно длине 5,8м. Но зная что, датчик был установлен на расстоянии 0,5м получим длину сваи 6,3м.
Так же возможно определить скорость продольной волны при установке двух датчиков. При этом следует отметить, что точность определения скорости волны напрямую зависит от расстояния между датчиками и частотой дискретизации аналогового сигнала датчиков.
Однако, стоит отметить, что точность установки датчиков на боковой поверхности сваи зависит от способа их установки. Причем, для достижения наилучшего результата необходимо применять разные способы для свай из различного материала. Для свай, изготовленных из железобетона, наиболее эффективным способом крепления датчиков является пластилин, хотя проводились эксперименты с креплением датчиков на дюбеля, забитые в сваю. Для деревянных свай наиболее эффективным оказался метод установки датчиков на костыли, забитые под углом в 45 градусов к продольной оси свай. Также стало известно, что точность этого метода заметно хуже, чем если бы датчики были установлены на торце сваи.
