DE3611967A1

DE3611967A1 - Bestimmung des spektralgehaltes von wanderwellen-beanspruchungen

Info

Publication number: DE3611967A1
Application number: DE19863611967
Authority: DE
Inventors: Trevor James Mickleover Derby Holroyd
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1985-04-17
Filing date: 1986-04-09
Publication date: 1986-10-30
Also published as: FR2580816B1; GB2186084B; GB8509836D0; FR2580816A1; GB8602823D0; JPS61270638A; GB2186084A; US4688429A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Bestimmung des Spektralgehaltes von Stoßwellen-Beanspruchungsereignissen in plattenartigen Aufbauten.

Es ist häufig erwünscht, den Spektralgehalt von Wanderwellen-Beanspruchungsereignissen zu bestimmen. Eine Analyse des resultierenden Spektralgehaltes kann z.B. bei der Eichung von Wandlern für ein breites Frequenzband akustischer Emissionen und zur Charakterisierung von Stößen auf Aufbauten benutzt werden. Stoßcharakteristiken können sehr nützlich sein bei der Sortierung von Gegenständen, wobei eine Anzahl von Gegenständen nacheinander auf einer gegebenen Oberfläche beaufschlagt wird, um die Gegenstände im Hinblick auf vorhandene Abweichungen einzelner Gegenstände zu sortieren. Der Spektralgehalt von Wanderwellen-Beanspruchungen, der von gleichen Gegenständen ausgeht, ist gleich und ungleich dem Spektralgehalt von Wanderwellen-Beanspruchungs-Ereignissen, die bei abweichenden Gegenständen auftreten.

Eine Bestimmung des Spektralgehaltes von Wanderwellen-Beanspruchungen kann unter Verwendung von Aufzeichnungsgeräten und unter Benutzung einer computergesteuerten Analyse (Fourier-Transformation) erlangt werden. Dies ist jedoch relativ teuer und aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um den Spektralgehalt

von Wanderwellen-Beanspruchungs-Ereignissen in plattenartigen Aufbauten zu bestimmen, wobei die Bestimmung billiger und einfacher als bisher möglich durchgeführt werden soll.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Teils des Spektralgehaltes einer Wanderwellenbeanspruchung, die auf einer Oberfläche eines plattenförmigen Bauteils auftritt, der gegenüberliegende Oberflächen besitzt. Hierbei wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Wandler auf einer der Oberflächen angebracht wird, der auf jede Versetzung der Oberfläche, auf der er montiert ist, anspricht und gemäß der Versetzung einen Ausgang liefert, daß eine Wanderwellenbeanspruchung auf einer Seite dieser Oberfläche an einer Stelle entfernt vom Wandler aufgebracht wird, derart, daß die von der Wanderwelle herrührenden und hierfür charakteristischen Lamb-Wellen durch den plattenartigen Aufbau in dispergierender Weise fortschreiten und eine entsprechende charakteristische Versetzung der Oberflächen einschließlich jenes Abschnitts der Oberflächen bewirken, auf der der Wandler montiert ist, daß der Ausgang des Wandlers analysiert wird, um die Charakteristiken der Lamb-Wellen zu bestimmen und daraus wenigstens einen Teil des Spektralgehaltes der Wanderwellen-Beanspruchung abzuleiten.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Teils des

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Spektralgehaltes einer Wanderwelle in der Weise ausgebildet, daß ein plattenartiger Aufbau mit zwei gegenüberliegenden Oberflächen vorgesehen wird, daß ein Wandler auf einer dieser Oberflächen aufgebracht wird, der auf einen der Versetzung der Oberfläche entsprechenden Ausgang anspricht, und daß eine Signalverarbeitungsstufe den Ausgang des Wandlers überwacht und verarbeitet, wobei der plattenartige Aufbau so angeordnet ist, daß er einer Wanderwellenbeanspruchung an einer Stelle seiner Oberfläche ausgesetzt wird, die vom Wandler entfernt liegt, so daß Lamb-Wellen, die von dieser Wanderwellen-Beanspruchung herrühren und charakteristisch für diese Wanderwellen sind, durch den plattenartigen Aufbau in dispergierender Weise sich fortpflanzen, um eine entsprechende charakteristische Versetzung der Oberflächen einschließlich jenes Teils der Oberflächen zu bewirken, auf dem der Wandler montiert ist, und daß eine Signalverarbeitungsstufe den Ausgang des Wandlers derart überwacht und verarbeitet, daß eine Anzeige jener Charakteristiken der Lamb-Wellen geliefert wird, von denen wenigstens ein Teil des Spektralgehaltes einer solcher Wanderwelle abgeleitet wird .

D Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der

Abhängigkeit der Lamb-Wave-Gruppengeschwindigkeit von Frequenz- und Plattendicke;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die festgestellte Oberflächenversetzung der Platte in einem Abstand von 90 mm von einem Wanderwellen-Beanspruchungs-Ereignis darstellt;

Fig. 4 eine Darstellung des Spektralgehaltes des Wänderwellen-Beanspruchungs-Ereignisses, das die Oberflächenversetzung gemäß Fig. 3 verursacht.

Wenn ein plattenartiger Aufbau einer Wanderwellen-Beanspruchung auf einer seiner Oberflächen ausgesetzt wird, beispielsweise durch Aufschlag eines Gegenstandes, dann pflanzen sich die resultierenden Wanderwellen durch jenen Plattenaufbau als Lamb-Wellen fort. Lamb-Wellen (oder "Plattenwellen"", wie sie gelegentlich bezeichnet werden) sind gekennzeichnet durch eine Wellenaktivität über den gegenüberliegenden Oberflächen des plattenartigen Aufbaus. Die Wellenaktivität über den gegenüberliegenden Oberflächen stehen in Wechselwirkung derart zueinander, daß die Wellen entweder in Phase miteinander sind, oder

phasenversetzt verlaufen. Dies soll als "antisymmetrisch" oder "symmetrisch" bezeichnet werden. Außerdem ist eine Familie symmetrischer und antisymmetrischer Lamb-Wellen-Moden möglich, die einem Wanderwellen-Beanspruchungsereignis folgen, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist. Fig -1 veranschaulicht die Abhängigkeit der Lamb-Wellen-Gruppengeschwindigkeit innerhalb eines plattenartigen Aufbaus von Frequenz und Plattendicke. Die mit s bis S2 gekennzeichneten Wellen sind symmetrisch und die mit a bis &2 gekennzeichneten Wellen sind antisymmetrisch. Fig. 1 veranschaulicht eine weitere richtige Eigenschaft der Lamb-Wellen, nämlich es wird gezeigt, daß sie ein Dispersionsvermögen besitzen. Demgemäß ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lamb-Wellen von der Wellenfrequenz abhängig.

Es ist die Dispersionsfähigkeit der Lamb-Wellen, welche bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgenutzt wird. Demgemäß beruht die Erfindung auf der Dispersion von Lamb-Wellen zur Trennung der verschiedenen Frequenzkomponenten, die in einer lokalisierten Beanspruchungs Wanderwelle enthalten sind.

Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Die Vorrichtung besteht aus einer Platte 11 aus einer Nickellegierung, die unter der Bezeichnung "Nimonic 75" bekannt ist

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und auf der oberen Oberfläche der Platte ist ein piezoelektrischer Wandler 12 angebracht. Der piezoelektrische Wandler 12 spricht auf ein breites Frequenzband an und liefert einen elektrischen Ausgang, der charakteristisch für jede Versetzung der Oberfläche der Platte 11 ist. Der Ausgang wird einem Ladungsverstärker 13 zugeführt. Der Ausgang des Ladungsverstärkers 13 wird einer Hüllkurven-Abtastschaltung 14 zugeführt, deren Ausgang seinerseits einen logarithmischen Verstärker 15 speist. Der Ausgang des logarithmischen Verstärkers 15 wird einer Abtast- und Halteschaltung 16 zugeführt und dann einem geeigneten Display 17, wobei der Ausgang der Abtast- und Halteschaltung 16 durch einen Impulsgenerator 18 gesteuert wird.

Die Vorrichtung 10 wird zur Bestimmung des Spektralgehaltes einer lokalisierten Wanderwellen-Beanspruchung, die auf der gleichen Seite der Platte auftritt, auf der der Wandler 12 aufgesetzt ist, die jedoch an einer Stelle 19 entspringt, die vom Wandler 12 entfernt ist. Das spezielle Übergangsereignis, welches gewählt wurde, um die Charakteristik der vorliegenden Erfindung zu erforschen, bestand in dem Abbrechen einer Bleistiftmine auf der Platte 11 an der Stelle 19. Es ist jedoch klar, daß auch andere vorübergehende Ereignisse, die wie ein Aufprall, stufenweise Freigabefunktionen oder schnelle, lokalisierte thermische Expansionen erforderlichenfalls benutzt werden könnten. Außerdem muß festgestellt werden, daß der Wandler auch an der unteren Fläche

angebracht werden könnte, da die Lamb-Wellen-Ergebnisse in der charakteristischen Versetzung sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite der Platte 11 vorhanden sind.

Um die Interpretation der Wellenformen zu vereinfachen, die von dem örtlichen Überstoßwellen-Ereignis bei 19 herrühren, ist es zu bevorzugen, die Ausbreitung der Wellen vorherrschend nur in einem Lamb-Mode zu arrangieren und dafür Sorge zu tragen, daß die Gruppengeschwindigkeit nicht durch ein Maximum oder ein Minimum läuft. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man dafür sorgt, daß die Platte 11 eine konstante Dicke besitzt, welche so gewählt ist, daß der folgende Ausdruck erfüllt ist:

d<-^c

2 ΓΓ f

dabei bedeutet: d = halbe Dicke der Platte

C = Scherwellengeschwindigkeit f = maximale Frequenz in dem interessierenden Frequenzband.

Unter diesen Bedingungen herrscht der antisymmetrische Modus (a ) der niedrigsten Ordnung vor, und die Ausbreitungsgeschwindigkeit steigt in nichtlinearer Weise mit der Frequenz an. Wenn demgemäß das lokalisierte vorübergehende Stoßwellenereignis durch Abbrechen der Bleistiftmine an der Stelle 19 erzeugt wird, werden die verschiedenen Frequenzkomponenten, die jenem Ereignis zugeordnet sind, physikalisch über der Platte

getrennt, wenn sie als Lamb-Wellen fortschreiten. Die sich hieraus ergebende Oberflächenversetzung, die von dem Wandler 12 festgestellt wird, führt dazu und liefert eine elektrische Ausgangscharakteristik jener Versetzung, und demgemäß der Frequenzkomponenten des vorübergehenden Stoßwellen-Ereignisses, wie am besten aus Figur 3 erkennbar.

Eine einfache Analyse der Amplituden und der Perioden der Schwingungen in der Wellenform gemäß Fig. 3 wurden benutzt, um das aus Fig. 4 ersichtliche Spektrum zu zeichnen. Die Amplituden-Skala gemäß Fig. 4 ist logarythmisch und es ist zu berücksichtigen, daß die annähernd lineare negative Neigung in der 20dB-Dekade des Spektrums eine Abhängigkeit von 1/f anzeigt. Dies bestätigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren ein wirksames Verfahren darstellt, um den spektralen Gehalt bestimmen zu können, da es bekannt ist, daß eine Stufenfunktion (beispielsweise das Brechen einer Bleistiftmine) einen Spektralgehalt mit einer 1/Frequenz-Abhängigkeit aufweist.

Die obige Analyse des Ausgangs des Wandlers 12 ist relativ grob und es ist daher erwünscht, eine wirksamere Vorrichtung zur Verarbeitung des Ausgangs zur Verfügung zu haben. Dies wird dadurch erreicht, daß das Wandler-Ausgangs-Signal durch den Ladungsverstärker 13, die Hüllkurven-Schaltung 14 und den logarythmischen Verstärker 15 in geeigneter Weise verarbeitet wird. Das

Das konditionierte Signal wird dann der Austast- und Halteschaltung 16 zugeführt, deren Ausgang, wie erwähnt, vom Impulsgenerator 18 gesteuert wird. Die Arbeitsweise des Impulsgenerators 18 wird über ein Signal über die Leitung 19 von einem nicht dargestellten Detektor eingeleitet, der benachbart der Quelle der Übergangsstoßwelle beim Auftreten der Stoßwelle vorhanden ist. Der Impulsgenerator veranlaßt dann die Austast- und Halteschaltung 16 ein Signal nach dem Display 17 in diskreten Zeitperioden zu liefern, die dem Durchtritt der Frequenzkomponenten des Stoßwellen-Ereignisses entsprechen, die den Wandler 12 durchlaufen. Demgemäß breiten sich die verschiedenen Frequenzkomponenten der Stoßwelle als Lamb-Wellen über die Platte 11 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Infolgedessen wird die Frequenzkomponente der Wellenform, die vom Wandler 12 an jedem Punkt aufgefangen wird, aus der Gesamtausbreitungszeit bestimmt, da diese aus der Frequenz abgeleitet werden kann, wenn man die theoretische Lösung benutzt, wie in Figur 1 aufgetragen und indem man von der Beziehung: Geschwindigkeit = Entfernung/Zeit, Gebrauch macht.

Die von der Vorrichtung 17 gelieferte Darstellung kann daher den gesamten spektralen Gehalt der Wanderwelle wiedergeben, wenn dies gewünscht ist. Dies kann zweckmäßig sein bei der Eichung eines unbekannten Wandlers 12, indem man eine bekannte Wanderwellen-Beanspruchung benutzt.

Es kann jedoch unter anderen Umständen erwünscht sein, nur Teile des Spektralgehaltes einer Wanderwelle auszusondern, von denen bekannt ist, daß sie für jenes Ereignis charakteristisch sind. Dies wäre beispielsweise zweckmäßig bei der Sortierung von Teilen. Eine Folge von Teilen würde dann unter identischen Bedingungen auf der gleichen Stelle der Platte 11 abgelegt. Wenn irgend eines jener Teile, beispielsweise eine gegenüber den übrigen Teilen unterschiedliche Härte besäße, würde eine Wanderwellen-Beanspruchung mit einem Spektralgehalt erhalten werden, der unterschiedlich ist gegenüber der Charakteristik des Spektralgehaltes der übrigen Teile. Es ist jedoch klar, daß auch andere Teil-Charakteristiken benutzt werden könnten, wenn dies erwünscht ist. Beispielsweise könnte der Elastizitäts· Modul, das Poissons-Verhältnis, der Radius an der Stelle des Aufpralls, die Geschwindigkeit und die Masse herangezogen werden. Dies würde durch die Darstellung der Einrichtung 17 erhellt und dadurch wird eine Anzeige des Vorhandenseins eines Teils geliefert, der in irgendeiner Hinsicht von den standardisierten Teilen abweicht.

Es ist daher ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eine einfache und billige Vorrichtung schaffen, um den Spektralgehalt von Wanderwellen-Beanspruchungs-Ereignissen abzuleiten.

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Claims

Patentanwälte :"': CiDip3-Jn.g.:C->Vt Wallach Europäische Patentvertreter "" "" Dipl.-lng."ööTlther Koch European Patent Attorneys Dlpl.-Phys. Dr.TIno Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: 9· April 1986 Rolls-Royce Limited unser zeichen: 18 267 - K/Ap Buckingham Gate ο c ι ι η r *7 London SW1E 6AT ^ D I I bib / England Bestimmung des Spektralgehaltes von Wanderwellen-Beanspruchungen Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Teils des Spektralgehaltes von Wanderwellen-Beanspruchungen, die auf einer Oberfläche eines plattenartigen Aufbaus auftreten, der gegenüberliegende Oberflächen besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandler (12) auf einer der Oberflächen angebracht wird, wobei der Wandler (12) auf den Ausgang irgendeiner Versetzung dieser Oberfläche anspricht, auf der er montiert ist, daß eine Wanderwellenbeanspruchung auf einer der Oberflächen an einer Stelle entfernt vom Wandler (12) derart aufgebracht wird, daß Lamb-Wellen, die von der Charakteristik der Wanderwellen-Beanspruchung herrühren, durch den plattenartigen Aufbau (11) in dispergierender Weise fortschreiten, um eine entsprechende charakteristische Versetzung der Oberflächen einschließlich jener Oberfläche zu bewirken, auf der der Wandler montiert ist,

und daß der Ausgang des Wandlers (12) analysiert wird, um die Charakteristiken der Lamb-Wellen zu bestimmen und hieraus wenigstens einen Teil des Spektralgehaltes des Wanderwellen-Beanspruchungsereignisses abzuleiten.

2. Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Anteils des Spektralgehaltes einer Wanderwellen-Beanspruchung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Oberflächen des plattenartigen Aufbaus (11) parallel zueinander verlaufen.

3. Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Teils des Spektralgehaltes einer Wanderwellen· Beanspruchung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

wobei d = die halbe Plattenstärke

c = die Scherwellengeschwindigkeit und f = die maximale Frequenz in der interessierenden Bandbreite.

4. Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Teils des Spektralgehaltes einer Wanderwellen-Beanspruchung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Analyse des Ausgangs des Wandlers (12) und die Ableitung des

Teils des Spektralgehaltes der Wanderwellen-Beanspruchung dadurch bewirkt wird, daß in geeigneter Weise der Ausgang des Wandlers (12) verarbeitet und danach der Ausgang in diskreten Zeitintervallen vom Auftreten des Wanderwellen-Beanspruchungsereignisses ausgetastet und dargestellt wird, und zwar gemäß der Ausbreitungsrate der Frequenzkomponenten der Wanderwellenbeanspruchung durch den plattenartigen Aufbau (11) hindurch.

Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Anteils des Spektralgehaltes einer Wanderwellenbeanspruchung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Wandlers (12) in geeigneter Weise durch einen Ladungsverstärker (13), ein Hüllkurven-Folgegerät (14) und einen logarithmischen Verstärker (15) verarbeitet wird.

Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Anteils des Spektralgehaltes einer Wanderwellen-Beanspruchung,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen plattenartigen Aufbau (11) aufweist, der gegenüberliegende Oberflächen besitzt, daß ein Wandler (12) auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen aufgesetzt wird, daß der Wandler (12) auf einen Ausgang anspricht, der der Versetzung der Oberfläche entspricht, auf der er montiert ist, daß eine Signal Verarbeitungs-Vorrichtung (13, 14, 15) vorgesehen ist, um den Ausgang des

Wandlers (12) zu überwachen und zu verarbeiten, daß der plattenartige Aufbau (11) derart angeordnet ist, daß er der Wanderwellen-Beanspruchung auf einer Oberfläche an einer Stelle ausgesetzt wird, die vom Wandler (12) entfernt liegt, derart, daß Lamb-Wellen, die von einem solchen Wanderwellenereignis herrühren, durch den Plattenaufbau (11) in dispergierender Weise ausgebreitet werden, um eine entsprechende charakteristische Versetzung jener Oberfläche einschließlich jenes Teils der Oberfläche zu bewirken, auf der der Wandler (12) montiert ist, und daß die Signalverarbeitungs-Vorrichtung (13, 14, 15, 16, 18) derart ausgebildet ist, daß der Ausgang des Wandlers in der Weise überwacht und verarbeitet wird, daß eine Anzeige jener Charakteristiken der Lamb-Wellen geliefert wird, aus denen wenigstens ein Teil des Spektralgehaltes dieser Wanderwellen-Beanspruchung abgeleitet werden kann.