شیکر های الکترودینامیک

ایجاد ارتعاش با شیکر های الکترودینامیک تک محور :

شیکر های الکترودینامیک به طور گسترده در تحقیقات تجربی سیالات ویبره استفاده می شود. با این حال، آنها با رزونانس های داخلی نامطلوب مواجه هستند که می تواند به طور قابل توجهی بر کیفیت ارتعاش تأثیر بگذارد.

در این کار، ما عملکرد یک تکان دهنده معمولی را اندازه گیری می کنیم و تأثیری را که یک محموله بر عملکرد آن دارد مشخص می کنیم. ما جزئیات یک سیستم ارتعاش بهبود یافته را بر اساس مفهوم توسعه یافته توسط گلدمن ارائه می کنیم که از یک تکان دهنده الکترودینامیک معمولی با یک بلبرینگ هوای خطی بیرونی تشکیل شده است تا به طور موثرتر ارتعاش را به یک محور محدود کند. اجزای اصلی و معیارهای طراحی برای چنین سیستمی مورد بحث قرار گرفته است. اندازه گیری هایی که عملکرد سیستم را مشخص می کند، بهبود قابل توجهی را نشان می دهد روی تکان دهنده آزمایشی اصلاح نشده به طور خاص، حداکثر ناهمگنی دامنه ارتعاش عمودی از حدود 10٪ به 0.1٪ کاهش می یابد، علاوه بر این، ارتعاشات عرضی به طور موثر حذف شدند.

معرفی

طراحی کلی شیکر های الکترودینامیک استاندارد بی شباهت به بلندگوها نیست. ویژگی اصلی آنها یک مجموعه آرمیچر است که توسط سیم پیچی از سیم تحت یک میدان مغناطیسی شعاعی هدایت می شود. آرمیچر توسط یک صفحه خمشی با سفتی محوری کم پشتیبانی می شود و در داخل محفظه شیکر قرار می گیرد. شماتیک سطح مقطع یک تکان دهنده الکترودینامیکی معمولی در شکل نشان داده شده است. در حالی که چنین تکان دهنده های الکترودینامیکی سنتی نسبتاً قوی هستند و می توانند سطح بالایی از نیروی خروجی ایجاد کنند، اغلب حرکات عرضی یا تکان دهنده نامطلوب را در نتیجه رزونانس های داخلی ایجاد می کنند. این حرکت غیر محوری برای کالیبره کردن شتاب‌سنج‌ها اهمیت ویژه‌ای دارد. استانداردهای بین المللی برای کالیبراسیون شتاب سنج شامل دستورالعمل هایی در مورد سطح حرکت عرضی قابل قبول است. زیر 1000 هرتز، حرکت عرضی زیر 10٪ دامنه ارتعاش محوری توسط این استانداردها قابل قبول در نظر گرفته می شود، با این حال این محدودیت ها به راحتی توسط تکان دهنده های معمولی مبتنی بر خمش فراتر می روند.

یکی از روش‌های به حداقل رساندن حرکت عرضی آرمیچر، قرار دادن یک لغزنده بلبرینگ هوا در محل خم‌کننده‌ها است. این درجه بالایی از سختی جانبی را فراهم می کند در حالی که حرکت تقریباً بدون اصطکاک در امتداد محور را حفظ می کند. تولیدکنندگان متعددی شروع به ارائه شیکرهای حامل هوا کرده اند که عمدتاً برای کاربردهای کالیبراسیون شتاب سنج به بازار عرضه می شوند. ظرفیت بار برای چنین دستگاه هایی به طور کلی بسیار کم است (کمتر از 0.5 کیلوگرم)، که به شدت دامنه کاربرد آنها را برای سایر برنامه ها محدود می کند. هنگامی که هم ظرفیت نیروی بالاتر و هم حرکت تک محوری مورد نیاز است، گزینه های دیگر باید دنبال شوند.

یکی از گزینه ها، تمرکز این مقاله، استفاده از یک تکان دهنده الکترودینامیک استاندارد با تعلیق خمشی و یاتاقان هوای خارجی است. سیستم‌های مشابهی در گذشته عمدتاً برای مطالعه رفتار محیط‌های دانه‌ای ارتعاشی و همچنین در مطالعات صفحات نازک ارتعاشی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. فرکانس های مورد علاقه برای این آزمایش ها به طور کلی بین 10 تا 150 هرتز است. ارتعاش غیر محوری می تواند به ویژه برای مطالعات مواد دانه ای ارتعاشی مضر باشد، که می تواند منجر به انباشته شدن و همچنین چرخش توده ای شود. کار اخیر آرانسون و همکاران. پیشنهاد کرد که مشاهدات حرکات چرخشی در مقیاس بزرگ گرانول ارتعاشی شبه افقی میله ها ممکن است به دلیل ارتعاشات ناخواسته در سطح زیرلایه باشند. به طور خاص، آزمایش‌های آن‌ها با تکان‌دهنده اصلاح‌نشده و مدل‌سازی نظری نشان می‌دهد که حرکت چرخشی به فاز نسبی ارتعاشات افقی و عمودی، که با بیشترین سرعت در نزدیکی فرکانس تشدید داخلی تکان دهنده تغییر می‌کند، بسیار حساس است. آنها همچنین متوجه تغییر قابل توجهی در فرکانس تشدید تکان دهنده هنگام تغییر از تک لایه برنج به میله های فولادی مربوط به افزایش تنها 0.18 کیلوگرم در جرم محموله است. این نمونه بارز آزمایشی است که در آن نادیده گرفتن حرکات غیر محوری راننده ممکن است به نتایج جعلی منجر شود.

سیستم‌های ارتعاشی مشابهی که دارای یک یاتاقان هوای خارجی هستند نیز برای مطالعه امواج فارادی استفاده شده‌اند. بالاتر از یک مقدار بحرانی از با دامنه اجباری که به عنوان آستانه فارادی شناخته می شود، امواج به طور خود به خود روی سطح آزاد تشکیل می شوند. در مطالعات امواج فارادی، ناهمگونی های فضایی دامنه اجباری می تواند منجر به تشکیل الگوهای موج سطحی نامتقارن شود. یکی از گزینه ‌های تلاش برای جبران دامنه نیروی ارتعاشی غیریکنواخت، تعادل دینامیکی بار محموله با قرار دادن وزنه‌ها است. در امتداد حاشیه ظرف سیال تا زمانی که امواج فارادی در آستانه به طور یکنواخت برانگیخته شوند. با این حال، یک محموله نامتعادل می تواند به طور بالقوه به لرزاننده آسیب برساند. علاوه بر این، این فرآیند زمان‌بر و اکتشافی است و باید با هر تغییری در بار یا رانندگی تکرار شود. همچنین مشخص نیست که این روش چه تاثیری بر حرکات عرضی تکان دهنده دارد.

انگیزه اصلی ما برای توسعه یک سیستم لرزاننده تصفیه شده، مطالعه قطرات روغن است که بر روی سطح یک حمام سیال ارتعاشی زیر آستانه فارادی می پرند. این قطره ها می توانند به طور خود به خود در سطح آزاد از طریق یک برهمکنش تشدید با میدان موج فارادی خودشان راه بروند. قطرات راهپیمایی بسیاری از ویژگی‌های ذرات میکروسکوپی و کوانتومی را نشان می‌دهند، از جمله پراش تک ذره، تونل‌زنی، مدارهای کوانتیزه‌شده و آمار موج مانند در هندسه‌های محدود. رفتار کوانتومی آنالوگ درست زیر آستانه فارادی ظاهر می‌شود، جایی که در غیاب قطره، سطح صاف می‌ماند. مطالعات معمولی این سیستم از فرکانس‌های ارتعاشی بین 20 تا 150 هرتز استفاده می‌کنند، اما معمولاً در محدوده متوسط ​​50 تا 80 هرتز هستند. دامنه شتاب معمولی زیر 5 گرم است، جایی که g شتاب ناشی از گرانش است. محموله های راننده معمولاً در حد چند کیلوگرم است. این آزمایش‌های آنالوگ کوانتومی هیدرودینامیکی رژیم پارامتر مورد علاقه در مطالعه حاضر را تعریف می‌کنند. ما قبلاً با موفقیت از سیستم لرزاننده بهبود یافته مورد بحث در این کار در تحقیقات تجربی اخیر خود در مورد سیستم قطرات راه رفتن استفاده کرده ایم.

علیرغم کاربردهای متعدد سیستم های لرزاننده الکترودینامیکی، جزئیات در مورد طراحی آنها و تعیین کمیت مزایای عملکرد آنها بسیار نادر است. ارائه این جزئیات برای سیستم ما تمرکز کار حاضر است که امیدواریم برای کسانی که علاقه مند به مدل سازی تجربی آنالوگ های کوانتومی هیدرودینامیکی هستند مفید باشد. در بخش 2، جزئیات شیکر و همچنین تکنیک های اندازه گیری خود را شرح می دهیم. در بخش، ما اندازه‌گیری‌های پایه را از لرزاننده آزمایشی اصلاح‌نشده خود ارائه می‌کنیم، که نیاز به طراحی بهبودیافته را تحریک می‌کند. در بخش، جزئیات سیستم بهبود یافته را بیان می کنیم و معیارهای کلیدی طراحی را مشخص می کنیم. در بخش، نتایج آزمایش سیستم بهبود یافته را ارائه می‌کنیم. در نهایت در بخش، نتایج خود را خلاصه می‌کنیم و دیدگاه‌هایی را برای کاربردهای آینده ارائه می‌کنیم.

روش تست

برای انجام اندازه‌گیری عملکرد پایه لرزاننده آزمایشی در شیکر های الکترودینامیک ، ما یک صفحه نصب آلومینیومی زمین دقیق مربعی (88.9 میلی‌متر L x 88.9 میلی‌متر W x 9.5 میلی‌متر ضخامت) را مستقیماً روی سکوی آرمیچر نصب می‌کنیم. سوراخ های نصب عمودی برای شتاب سنج ها 40.4 میلی متر از مرکز سکو فاصله دارند. برای مطالعه تأثیر وزن بار بر عملکرد تکان دهنده، تعداد اختیاری صفحات فولادی را در زیر صفحه نصب شتاب سنج و در بالای صفحه آلومینیومی دوم اضافه می کنیم(تا چهار صفحه فولادی اضافه شد که معادل 5.0 کیلوگرم بود)  صفحات (و مجموعه پیچ ها) به گونه ای طراحی شده اند که فرکانس های اساسی بیشتر از 103 هرتز داشته باشند که بسیار بالاتر از محدوده فرکانس مورد علاقه ما (20-150 هرتز) است. این تضمین می‌کند که نتایج ما توسط رزونانس‌های محموله آلوده نشوند.

نتایج

اولین آزمایش انجام شده با حداقل بار (فقط صفحه نصب و شتاب‌سنج‌های نصب شده، جرم کل محموله m = 0.23 کیلوگرم) برای ارزیابی عملکرد تکان دهنده لخت انجام شد. در شکل 2c، ما اندازه‌گیری‌های تفاوت در شتاب عمودی را در دو مکان متضاد 220 روی صفحه نصب ارائه می‌کنیم. برای فرکانس های پایین ≤ 76hz ، نسبتا یکنواخت است، با تفاوت بیش از 1.0٪. با این حال، همانطور که فرکانس افزایش می‌یابد، می‌بینیم که یک سوگیری شتاب به طور پیوسته رشد می‌کند و سپس به سرعت جهت‌گیری را تغییر می‌دهد، با این تفاوت که در 1.0 ± 9.2٪ در 124 هرتز به اوج خود می‌رسد. از اینجا تا 150 هرتز، مقدار اختلاف کاهش می یابد. ناحیه سایه‌دار در شکل 2c نشان‌دهنده میزان نتایج چندین آزمایش مکرر است. پس از هر آزمایش، صفحه نصب 90 درجه چرخانده شد و شتاب‌سنج‌ها مجدداً نصب شدند تا به اندازه‌گیری شتاب‌های عمودی در امتداد همان خط (مثلاً شکل 2a )نسبت به لرزاننده ادامه دهند. همانطور که مشاهده می شود، اختلافات کوچکی بین اجراها وجود دارد. اینها خطاهای تصادفی230 هستند در بخش 2 مورد بحث قرار گرفت. بزرگی خطای تصادفی مستقل از پارامترهای آزمون نبود، اما در فرکانس‌های نزدیک با ناهمگونی‌های ارتعاشی قابل‌توجه، با حداکثر حدود 1% بالاتر بود. با مقایسه این داده ها با اندازه گیری متناظر ارتعاش افقی ارائه شده (در شکل 2d )، می بینیم که قوی ترین ناهمگنی ها در ارتعاش عمودی با ارتعاش افقی بسیار تقویت شده همزمان است. اوج ارتعاش افقی در 120 هرتز رخ می دهد و 2.5 ± 11.2 درصد از دامنه ارتعاش عمودی است. از آنجایی که آرمیچر، محموله و ساختار پشتیبانی دارای فرکانس طبیعی بسیار بیشتر از محدوده فرکانس آزمایش ما هستند، ما مشکوک هستیم که رزونانس تعلیق آرمیچر (داخلی تکان دهنده) در این فرکانس ها برانگیخته می شود که منجر به حرکت غیر محوری مشاهده شده می شود.

ما عملکرد عمودی تکان دهنده را با بار سنگین تر (m = 3.9 کیلوگرم) همانطور که در شکل 3a نشان داده شده است دوباره اندازه گیری می کنیم و نتایج را در شکل 3b ارائه می کنیم. ویژگی های عملکرد به طور چشمگیری تغییر کرده است. به طور خاص، ناهمگونی های قابل ملاحظه در دامنه فشار عمودی در فرکانس های بسیار پایین تر از قبل ظاهر می شود. همانطور که در مورد حداقل بار بود، می بینیم که شروع فشار عمودی ناهموار با ارتعاش افقی قوی همزمان است، همانطور که در شکل 3c نشان داده شده است. در واقع، یک قله مجزا و غالب در ارتعاش افقی برای تمام بارهای در نظر گرفته شده ظاهر می شود و همیشه با شروع ناهمگونی در ارتعاش عمودی همراه است. ما چندین بار مختلف را آزمایش کردیم و برای هر کدام فرکانس را در داخل خود شناسایی کردیم محدوده ای که مربوط به اوج دامنه ارتعاش افقی است که ما از آن به عنوان فرکانس تشدید عرضی یاد می کنیم. نتایج در شکل نشان داده شده است. یک رابطه یکنواخت واضح وجود دارد: فرکانس رزونانس عرضی با جرم بار کاهش می‌یابد، نتیجه‌ای که می‌توان برای یک تشدید مکانیکی ساده انتظار داشت. در واقع، داده ها به خوبی با رابطه شکل توصیف می شوندکه به سادگی فرکانس طبیعی میرا نشده یک جرم m ثابت به فنر خطی با سختی kH است. ما تناسب بسیار خوبی با داده‌هایی پیدا کردیم که kH = 0.14 N/μm را دریافت می‌کردند، که به عنوان تخمینی تقریبی از سفتی جانبی تعلیق لرزان عمل می‌کند، و امکان پیش‌بینی اولین رزونانس داخلی نامطلوب را برای بار دلخواه فراهم می‌کند. توافق عالی شواهدی را ارائه می دهد که حرکت غیر محوری، همانطور که فرض می شود، با رزونانس های مکانیکی داخلی لرزاننده مرتبط است. علاوه بر این، فاز نسبی ارتعاش افقی و عمودی با بیشترین سرعت در نزدیکی فرکانس تشدید عرضی تغییر می کند. این سختی جانبی مؤثر مرتبه ای بزرگتر از سختی محوری صفحات خمشی است (kV = 0.0176 N/μm، مشخصات سازنده). متأسفانه هیچ اندازه گیری سفتی جانبی ارائه شده توسط سازنده وجود ندارد که بتوان برآورد ما را با آن مقایسه کرد. یک راه حل به ظاهر معقول ممکن است ادامه بارگذاری شیکر (با فرض ظرفیت تکان دهنده کافی) برای جابجایی فرکانس تشدید عرضی به طور کامل به زیر محدوده فرکانس مورد علاقه باشد. با این حال، از نتایج شکل 3b واضح است که عملکرد حتی فراتر از این فرکانس تشدید عرضی اصلی رضایت بخش نیست. علاوه بر این، با بارگذاری بیشتر شیکر، سایر رزونانس‌های داخلی بالاتر در محدوده فرکانس مورد علاقه ما جابه‌جا می‌شوند. برای لرزاننده آزمایشی ما، در غیاب تغییرات، اولین تشدید داخلی نامطلوب، همانطور که با معادله مشخص می‌شود، فرکانسی را تعریف می‌کند که در بالای آن حرکت عموماً نامنظم است. نتایج ارائه شده در این بخش باید برای هر کسی که علاقه مند به آزمایش های دقیق ارتعاش اجباری است نگران کننده به نظر برسد. تغییرات جزئی در فرکانس یا بار می تواند منجر به تغییرات شدید بالقوه در عملکرد ارتعاش شود. نکته ای که نمی توان بیش از حد بر آن تاکید کرد این است که علیرغم دقت در طراحی محموله برای جلوگیری از تشدید، اختلاف قابل توجهی در دامنه ارتعاش عمودی ممکن است به دلیل کیفیت ارتعاش ضعیف ارائه شده توسط منبع، لرزاننده الکترودینامیکی، همچنان به صورت سیستمی ظاهر شود. همچنین تأکید می کنیم که مسائل کلی ارائه شده در اینجا مختص این تکان دهنده خاص نیست. یا این مارک شیکر. در واقع، در حالی که ویژگی‌های دقیق تشدید داخلی بین مدل‌ها متفاوت است، عملکرد نامطلوب ناشی از فرکانس‌های بسیار پایین‌تر از فرکانس تشدید آرمیچر در همه شیکرهای الکترودینامیک مبتنی بر خمشی مشترک است. هدف بقیه این مقاله ارائه روشی است که ما را قادر می سازد از همان تکان دهنده الکترودینامیکی به عنوان یک منبع قابل اعتماد و قوی ارتعاش تک محوری استفاده کنیم.

نتیجه  گیری

ما کارآمدی معرفی یک بلبرینگ هوای خطی را برای اصلاح حرکات غیر محوری معمولی شیکر های الکترودینامیک مبتنی بر خمش نشان داده‌ایم. ما یک تکان دهنده استاندارد را آزمایش کردیم و رزونانس مکانیکی مشخصی از تعلیق آرمیچر را مشاهده کردیم که منجر به حرکت غیر محوری محموله می شد. ما همچنین نشان داده‌ایم که عملکرد تکان دهنده اصلاح نشده به جزئیات بار، از جمله جرم آن حساس است. این رزونانس ناهمگنی های بزرگی را در دامنه ارتعاش عمودی و همچنین ارتعاشات عرضی قابل توجه آرمیچر را معرفی می کند. فرکانس‌های در نظر گرفته شده بسیار کمتر از فرکانس تشدید خود آرمیچر یا بار محموله هستند و نمونه‌ای از تحقیقات تجربی مواد دانه‌ای ارتعاشی، امواج فارادی و قطرات راه‌رو هستند. ما جزئیات یک طراحی بهبود یافته را ارائه کرده‌ایم که دارای یک یاتاقان هوای خارجی برای حذف حرکت پیچشی و محدود کردن موثرتر است. ارتعاش به یک محور ما معیارهای کلی را برای انتخاب یک میله محرک ارائه کرده ایم که لرزاننده را به لغزنده یاتاقان هوا متصل می کند. ما همچنین نتایج آزمایش خود را ارائه کرده ایم که بهبود قابل توجهی در کیفیت ارتعاش محموله برای کل محدوده فرکانس مورد علاقه ما (20-150 هرتز) نشان می دهد. به طور خاص، طراحی ما حداکثر ناهمگنی دامنه ارتعاش عمودی را از حدود 10٪ به 0.1٪ کاهش داد. جزئیات نتایج به ما این امکان را داده است که به چند نتیجه مهم در مورد طراحی جدید خود برسیم. اول، عملکرد نسبتاً نسبتاً غیر حساس به جرم محموله است، در تضاد کامل با نتایج تکان دهنده پایه. دوم، به حداقل رساندن سختی های غیر محوری میله محرک، انتقال حرکات غیر محوری به پلت فرم محرک را کاهش می دهد. در نهایت، ما یک وابستگی خطی از ناهمگنی ارتعاش عمودی را در تراز جانبی بلبرینگ هوا با لرزان گزارش کردیم. در تمام آزمایش‌های انجام‌شده با تنظیمات بهبودیافته، ارتعاش افقی و هرگونه حرکت پیچشی بالقوه پلت‌فرم بسیار کوچک بود که توسط شتاب‌سنج‌ها قابل تشخیص نبود. در حالی که حساسیت خفیف به تراز ممکن است به عنوان یک نقص در نظر گرفته شود، همچنین می تواند برای تحقیقات خاص مفید باشد. به طور خاص، به نظر می رسد ناهماهنگی عمدی راهی قابل کنترل برای وارد کردن ارتعاش غیر همگن به سیستم باشد. بنابراین می‌توان تأثیر ارتعاش ناهمگن خفیف را بر شکل‌گیری الگوی امواج فارادی یا مسیر قطرات راه رفتن بررسی کرد. اخیراً، ما از این سیستم ارتعاشی در مطالعه خود در مورد قطرات که روی یک حمام چرخشی ارتعاشی راه می‌روند، استفاده کردیم. ما نشان دادیم که درست زیر آستانه فارادی، رفتار دینامیکی و آماری قطرات بسیار حساس به دامنه رانندگی است. بنابراین نتایج قابل اعتماد نیازمند رانندگی بسیار یکنواخت و کنترل دقیق دامنه فشار است که توسط سیستم لرزش بهبودیافته ما امکان پذیر شده است. ما در حال حاضر چندین آزمایش کلیدی در زمینه آنالوگ های کوانتومی هیدرودینامیکی، به ویژه پراش قطرات راه رفتن توسط هندسه های تک و دو شکاف و قطرات محدود به حفره ها، با کنترل قبلی غیرقابل دسترس دامنه فشار.

منابع

Generating uniaxial vibration with an electrodynamic shaker and external air bearing

J.W.M. Bush, Ann. Rev. of Fluid Mech

A. Eddi, E. Fort, F. Moisy, Y. Couder, Phys. Rev. Lett.