Вибродиагностика параметров нелинейной вязкоупругой среды тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

КАПЕЛЮХОВСКИЙ АНДРЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ВИБРОДИАГНОСТИКА ПАРАМЕТРОВ НЕЛИНЕЙНОЙ ВЯЗКОУПРУГОЙ СРЕДЫ

Специальность 01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

оШ^

ТИТ

На правах рукописи

КАПЕЛЮХОВСКИЙ АНДРЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ВИБРОДИАГНОСТИКА ПАРАМЕТРОВ НЕЛИНЕЙНОЙ ВЯЗКОУПРУГОЙ СРЕДЫ

Специальность 01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Л-1У3363

Работа выполнена на кафедре "Основы теории механики и автоматического управления" Омского государственного технического университета (ОмГТУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бурьян Ю.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ахтулов А.Л. кандидат технических наук, доцент Аистов И.П.

Ведущее предприятие: Омский филиал Института математики

им. С.Л. Соболева Сибирского отделения РАН

Защита состоится 10 июня 2005 г. в часов на заседании диссертационного Совета в Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира 11, корпус 6, ауд. 340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета

Автореферат разослан " & " <М.Я&. 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

ГОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ Г ММ ПОТЕКА I

^ I иг Т

Бельков 8.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Известно, что реологические свойства (жесткость, вязкость) и нелинейные характеристики вязкоупругих сред представляют интерес, как для инженеров, так и для медицинских работников, в связи с чем, исследованиям свойств вязкоупругих сред в настоящее время уделяется пристальное внимание. Так, например, в сейсморазведке и инженерной геологии актуальной является задача определения физических свойств грунта. В области медицинской диагностики интерес к реологическим свойствам мягких биологических тканей вызван тем, что для успешного проведения терапии важно обнаружить изменения в тканях как можно раньше.

В настоящее время имеются методики и аппаратура, позволяющие проводить измерения параметров вязкоупругих сред. Однако большинство этих способов измерения не эффективны, особенно когда необходимо провести оперативную оценку состояния определенной зоны объекта, в связи с длительностью и сложностью процедуры измерения.

В последние годы выделилось перспективное направление, которое связано с регистрацией диагностической информации в реальном режиме времени. Его реализация стала возможна с появлением средств вычислительной техники. Однако на данном этапе еще не создано механодиагностических комплексов, позволяющих оперативно в реальном масштабе времени отслеживать и отображать динамику изменения реологических характеристик вязкоупругих сред.

Таким образом, в настоящий момент задача создания диагностического комплекса, осуществляющего вибровоздействие на вязкоупругую среду с одновременной диагностикой ее реологических свойств, является весьма актуальной.

Цель работы

Создание и исследование свойств технологичного в использовании программно-аппаратурного вибродиагностического комплекса, позволяющего оперативно определять вязкоупругие и нелинейные свойства среды под штампом вибратора.

Задачи исследования

1. Исследование методов и средств вибрационной диагностики вязкоупру-гих сред.

2. Определение типа вибратора и создание его конструкции.

3. Создание математической модели взаимодействия вибратора с вязкоуп-ругой средой.

4. Разработка методов оперативной диагностики нелинейных и вязкоупру-гих свойств среды в процессе вибродиагностики.

5. Создание экспериментального образца программно-аппаратурного вибродиагностического комплекса, обеспечивающего вибротерапию с одновременной диагностикой реологических характеристик мягких биологических тканей для медицинских целей.

Методы исследования

В работе были использованы методы теоретического и экспериментального исследования. Построение математической модели взаимодействия электродинамического вибратора с вязкоупругой средой осуществлено с использованием основных положений теоретической механики, электродинамики, теории автоматического управления и теории идентификации. Расчеты параметров вибратора и реализация методики определения вязкоупругих и нелинейных свойств объекта исследования выполнены с применением ПЭВМ и математических пакетов EXCEL, SIMULINK, MATLAB и MATHCAD.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на натурных образцах с применением оригинальной технологической и измерительной оснастки, а так же серийно выпускаемых средств измерения и контроля. На этапе обработки измерений использовались устройство обработки аналогово-цифровой информации L-780 и ПЭВМ.

Научная новизна

- создание математической модели динамической системы электродинамический вибратор - вязкоупругая среда;

- создание методов и алгоритмов вибрационной диагностики реологических свойств среды на базе решения задач идентификации параметров модели «вибратор - среда»;

Основные положения, выносимые на защиту

1. математическая модель динамической системы «вибратор - вязкоупругая среда»;

2. двухчастотный метод и алгоритм диагностики вязкоупругих и нелинейных свойств среды в процессе вибровоздействия;

3. алгоритм определения вязкоупругих свойств среды в процессе вибровоздействия резонансным вибратором;

4. структурная схема и конструкция модельного образца программно-аппаратурного диагностико-терапевтического комплекса;

Практическая ценность

- конструкция вибратора на базе серийно выпускаемых электродинамических динамиков;

- программно-аппаратурный механотерапевтический комплекс для диагностики вязкоупругих характеристик объекта под штампом.

Реализация работы на практике

Спроектирован и изготовлен пилотный образец программно-аппаратурного вибродиагностического комплекса, позволяющего в процессе вибротерапевтического сеанса определять вязкоупругие и нелинейные свойства мягкой биологической ткани под штампом вибратора, испытания которого проводились в медицинском центре "Клиника Иващенко" (г. Омск).

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на II Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1997 г.), на III Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1999 г.), на научной молодежной конференции «Молодые ученые на рубеже третьего тысячеле-

тия», посвященной 70-летию со дня рождения академика В А.Коптюга (Омск, 2001 г.), на научном семинаре имени заслуженного деятеля науки профессора Белого В.Д. (Омск, 2005 г.), на научно-технических семинарах и заседаниях кафедр Омского государственного технического университета.

Публикации

По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа изложена на 169 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков и 14 таблиц Библиография включает 94 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и определены задачи исследования. Проведен обзор научно-технической и патентной литературы, который показал, что для исследования реологических характеристик вязкоупругих сред используются волновые и импедансные методы измерения. Дан анализ методов и средств такой диагностики.

Отмечается, что среди вязкоупругих сред особо специфичными свойствами обладает живая биологическая ткань. Её реологические свойства (жесткость, вязкость) и нелинейные характеристики представляют интерес для медицинской диагностики. Актуальной является также задача создания механотерапевтического комплекса, позволяющего оперативно отслеживать динамику изменения реологических характеристик биологической ткани в процессе вибротерапии.

В последние годы с применением средств вычислительной техники появилась возможность контроля изменений реологических свойств вязкоупругих сред в реальном масштабе времени. Однако в настоящее время не найден простой метод оперативного измерения параметров вязкоупругой среды под штампом вибратора, пригодный для практического использования.

Таким образом, в настоящий момент созрела необходимость создания вибродиагностического комплекса, осуществляющего вибровоздействие на вязкоуп-

ругую среду с одновременной диагностикой ее реологических свойств Для этого первоначально необходимо изучить динамику системы «вибратор - среда» применительно к вязкоупругим материалам, а так же определить режимы работы и алгоритмы обработки информации.

Первая глава посвящена синтезу конструктивного решения и составлению математической модели устройства для возбуждения вибрации в вязкоупругой среде. Дан анализ существующих типов таких устройств (вибраторов) по принципу возбуждения. Сформулирован ряд общих требований, которым должен удовлетворять разрабатываемый вибратор. Выявлено, что наиболее подходящим является электродинамический преобразователь, преимуществами которого является долговечность, плавность работы, малое время переходных процессов, возможность использования стандартных источников питания. Кроме того, использование электродинамического вибратора позволяет в широком диапазоне плавно изменять амплитуду и частоту вибраций, что необходимо в процессе вибротерапии мягких биологических тканей.

Отмечено, что электродинамический преобразователь может работать как в качестве двигателя, так и в качестве генератора. Такая возможность работы в двух режимах была использована в данной работе. Для создания механического воздействия на среду предложено две конструктивные схемы электродинамического вибратора: резонансная и нерезонансная.

Конструктивно предлагаемый нерезонансный вибратор (рис. 1) состоит из двух электродинамических преобразователей, полученных доработкой однотипных динамиков ЗГДШ 1-М. У динамиков был удален бумажный диффузор и доработан корпус. Основания динамиков склеены между собой, причем подвижная катушка одного динамика жестко связана с подвижной катушкой другого посредством штока. Нижний преобразователь работает в режиме двигателя, а верхний преобразователь - в качестве генератора.

Данное конструктивное решение снижает опасность трения витков катушек о магнитную систему, а так же дает возможность использовать выходной сигнал генератора для дальнейшей идентификации параметров системы.

Особенностью конструкции резонансного вибратора является наличие дополнительной «резонансной» массы, жестко соединенной с подвижной катушкой, к которой посредством пружины присоединен штамп.

Рис 1 Конструктивная схема нерезонансного вибратора 1 - подвижная катушка, 2 - магнит, 3 - рукоятка; 4 - упругий подвес,

5 - штамп, жестко соединенный с подвижными катушками посредством штока

При создании математической модели вибраторов были приняты следующие допущения: подвижная система перемещается строго вдоль вертикальной оси вибровозбудителя; масса подвесок подвижной системы незначительна; упругая характеристика пары мембран считается линейной; механические сопротивления считаются пропорциональными первой степени скорости движения; изменение индуктивности и активного сопротивления подвижной катушки в зависимости от частоты протекающего тока не учитывается.

В результате были получены системы дифференциальных уравнений (1) и (9) второго порядка, описывающих механическое и электрическое взаимодействие элементов нерезонансного и резонансного вибраторов.

Вторая глава посвящена созданию математической модели вязкоупругой среды. Дан обзор реологических моделей, используемых на различных этапах изучения свойств вязкоупругих материалов.

Особый интерес вызывают попытки создания реологической модели такого сложного вязкоупругого объекта, каким является живая биологическая ткань. В результате рассмотрения структурного строения мышечной ткани были сделаны выводы о том, что мышцу целесообразно рассматривать как кибернетическую систему с основной автономной ячейкой - мышечным волокном, одновременно являющимся возбудимой клеткой.

Выявлено, что для оценки вязкоупругих параметров среды и биологической ткани по измеренным параметрам волны, распространяющейся по поверхности, используют простейшие модели вязкоупругого тела (типа модели Фойхта). Сделан вывод о том, что для исключения учета влияния поглощения волн на качество проводимых измерений, следует применять импедансные методики диагностики и измерять параметры исследуемой колеблющейся среды непосредственно под штампом вибратора.

Проведенный анализ экспериментальных исследований вязкоупругих сред показал, что некоторые из полученных результатов не могут найти удовлетворительного объяснения на основе известных моделей линейной теории вязкоупруго-сги, но основании чего сделан вывод, что для точного описания поведения вязко-упругой среды необходимо учитывать нелинейность свойств и собственную акустическую активность среды. Колебательную систему вибратор-среда необходимо рассматривать как систему с нелинейной жесткостью. Приближенное решение нелинейных уравнений, описывающих поведение вязкоупругой среды, может быть найдено, например, методом гармонического баланса.

Третья глава посвящена анализу динамики системы «электродинамический вибратор - вязкоупругая среда».

В качестве феноменологической модели колебаний вязкоупругой среды при вертикальном воздействии штампа была выбрана модель Фойхта, представляющая собой параллельную механическую цепочку, состоящую из присоединенной массы, пружины, и демпфера. Разработана принципиальная схема (рис. 2) и создана математическая модель механического взаимодействия электродинамиче-

ского вибратора со средой, учитывающая нелинейность вязкоупругих свойств и собственную акустическую активность среды.

с'к = Лхнп - *м) F(i) с'„ = f(xHn, хт )

-у&г *-*■ с -уА-

FM ■НИ. -лмлг М + т^ ->Шг -ЗУ- т+т* к ■нп FM м-

ь

///, '// //////////, хнп ''///////// *м* //////// X» -*■ хнп

Рис 2 Принципиальная механическая схема электродинамического вибратора, установленного на поверхность вязкоупругой среды

Здесь: М + тА - суммарная масса корпуса вибратора и присоединенная к корпусу вибратора масса среды, перемещающаяся с амплитудой хм; т + т„ - суммарная масса движущихся частей вибратора и присоединенной массы среды под штампом, перемещающаяся с амплитудой х,„; НП - невесомый поршень, перемещающийся с амплитудой акустической активности хнп; с, Ь - жесткость и коэффициент демпфирования мембраны вибратора; с„, Л„ - жесткость и коэффициент демпфирования исследуемой среды под штампом; ch, - жесткость и коэффициент демпфирования среды в месте соприкосновения с корпусом; ск = /(хнп,хм), с„ = /(хнп, хт) - переменная жесткость, характеризующая нелинейные свойства среды; F(t) - сила, возникающая за счет прохождения тока по катушке вибратора; FAA - сила воздействия акустической активности среды; U(i) - входное напряжение усилителя; U, (I) - выходное напряжение генератора; Iл (/), /,•(/) - ток в обмотках двигателя и генератора соответственно; 0 - коэффициент электромеханической связи.

Модель была дополнена уравнениями, учитывающими сопротивление R и индуктивность L элементов при подключении вибратора к ЭВМ. Для преобразования выходных аналоговых сигналов вибратора в цифровую форму предложено

использовать плату АЦП/ЦАП Ь-780М, а для питания вибратора от сети переменного тока - электронный усилитель с коэффициентом усиления ку

Полученная математическая модель взаимодействия электродинамического вибратора с вязкоупругой средой в виде дифференциальных уравнений имеет вид

(М + тк)-хм+ск хм+с3к-хм3 + Ьк-хм -с (хт -хм)-Ь-(хт -хм)=-Р(1),

(т + т„)-хт + с-(хт-хм) + Ь-(хт-хм)-с„ (хт -хт)-съ„ \хнп~х„?-• -ь„ (хнп Р?').

с„ (хнл-хт)+с3« (хНП~хтУ + Ь„ (ХНП ~хт) = "^ААС>•

(1)

*у ■ иго = (Яу + Яд) -1дО) + Ьд ■ 'д(*> + вм ■ (*т<0- *и(0).

Ка

*АЦП КАЦП

Здесь с3к, с3„ - коэффициенты жесткости среды под корпусом и штампом, характеризующие нелинейные свойства среды.

В дальнейшем, для разработки алгоритма определения параметров вязкоупругой среды, система уравнений (1) была линеаризована. Учтены малость воздействия акустической активности на корпус и штамп вибратора; малость перемещения корпуса относительно поверхности исследуемой среды; нелинейные зависимости жесткости от амплитуды в пределах перемещения до одного миллиметра, а так же малое различие коэффициентов электромеханической связи катушек двигателя и генератора. Взаимодействие вибратора с вязкоупругой средой было представлено в виде передаточной функции по напряжению:

Щ(Р) =

Ь\ Р

и аъ- р +а2 р + Д| ■ /7 + 1

где Ь ,=

ку в2

Я Ь, + £ с, +02

Я ■ т. + £ • 6,

К-с,

тс - т + ти, сс - с + с„, Ьс = Ь + Ь„,

(2)

(3)

тс - суммарная масса движущихся частей вибратора и присоединенной массы среды под штампом; , Ь, - суммарная жесткость и суммарный коэффициент демпфирования мембран вибратора и исследуемой среды.

Приведенные зависимости дали возможность записать дифференциальное уравнение системы «вибратор-среда» в виде:

с1ъиг(о а2иг(о <тг{() . ...

ск с1г л л

Задача определения коэффициентов уравнения (4), описывающего динамику объекта по заданным входному и измеренному выходному сигналу, является стандартной задачей теории идентификации и сводится к задаче оценивания параметров.

Адекватность модели реальной системе оценивалась частотным методом идентификации по величине отклонения частотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) модели от экспериментальных частотных характеристик реальной системы, при использовании метода наименьших квадратов. При снятии экспериментальных частотных характеристик, шток вибратора не контактировал со средой. Минимизируемый критерий адекватности был приведен к безразмерному виду, а его минимизация осуществлялась численным методом безусловной минимизации функции нескольких переменных - симплекс методом. Это позволило определить электромеханические параметры вибратора. Было так же определено, что индуктивность катушек не оказывает существенного влияния на динамику вибратора и ею можно пренебречь в пределах среднеквадратичной ошибки определения параметров 5 = 3,97%. Тогда передаточная функция (2) принимает вид:

=--. (5)

и аг ■ р • /7+1

, /су-в2 К-6,+02 т,

где Ь , = -, а 1 =-5-, а2= — ■

Я-сс Я-сс сс

Для нахождения свойств вязкоупругой среды на основе этой модели был разработан двухчастотный метод, согласно которому состояние среды можно определить по последовательному вибрационному воздействию на исследуемую по-

верхность двух разночастотных сигналов и измерении при этом величин амплитуд и фазового сдвига этих сигналов.

Рис 3 Общая схема реализации двухчастотного метода У - электронный усилитель мощности, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

В процессе диагностики вибрационное воздействие осуществляется на двух частотах «и, и со2 посредством миниатюрного электродинамического вибратора. Входной сигнал £/, частоты ¿у, с ЦАП подается через усилитель мощности (У) на катушку двигателя (рис. 3) и фиксируется АЦП. Индуктивный датчик генератора, чувствительный элемент которого жестко соединен со штампом, воспринимает амплитуды скорости перемещений ткани. Выходное напряжение генератора иг так же фиксируется АЦП.

Обработка сигналов заключается в пропускании их через фильтр Фурье и определении фазового сдвига <рх и отношения амплитуд напряжений двигателя и генератора А и,, /I', для частоты <у, (рис. 4). Затем на двигатель подается сигнал и2 частоты а>2, и определяются фазовый сдвиг <рг и отношение амплитуд напряжений двигателя и генератора Аг= ^ 12/^2 для частоты а>2-

Рис 4 Принцип двухчастотного метода определения вязкоупругих параметров

Анализ результатов дал возможность получить достаточно простые аналитические зависимости, связывающие коэффициенты передаточной функции а,, а2, ¿>| с отношением амплитуд и сдвигом фаз:

Аг=____(Ь\й\)2 _

0-а2а>12)2 +(а1щ)2

V--^-Г («)

ауа>|

Это позволило определить параметры системы «вибратор-среда»

ку<=>2 ку в2 ку&2 2

т^~ьТ-а2' (7)

и при известных электромеханических параметрах вибратора рассчитать согласно (3) неизвестные реологические характеристики среды от,,, с„ и А„.

С целью проверки возможности определения параметров вязкоупругой среды с использованием упрощенной модели был проведен виртуальный эксперимент, в ходе которого: были заданы параметры полной модели взаимодействия вибратора с вязкоупругим основанием; численно решена полная система нелинейных дифференциальных уравнений (1) в среде визуального моделирования Б1МиЬШК; по результатам решения системы уравнений (1) определены отношение амплитуд и сдвиг фаз; в соответствии с алгоритмом, построенному на упрощенной модели, определены величины жесткости и коэффициента демпфирования среды. В результате были сделаны выводы о допустимости алгоритма решения задачи определения вязкоупругих свойств на основе упрощенной линейной модели.

В нелинейной постановке, описание взаимодействия электродинамического вибратора с вязкоупругой средой может быть сведено к уравнению Дуффинга вида

Л л

+ 28— + + = (8)

где щ - частота собственных колебаний, // - - коэффициент нелинейности,

28 - удвоенный коэффициент затухания, —, - обобщенные координата,

Л Ж2

скорость и ускорение соответственно.

Для оценки нелинейности вязкоупругой среды предложено использовать отношение амплитуд первой и третьей гармоник выходного сигнала, т.к. задача идентификации коэффициента с3, характеризующего коэффициент нелинейности в выражении (8), достаточно трудна. Кроме того, для оценки вязкоупругих сред часто важна не столько величина коэффициента нелинейности, сколько динамика его изменения с течением времени. Для расчета амплитудного коэффициента нелинейности на частоте воздействия осуществляется кратковременная запись выходного сигнала с генератора в буфер АЦП. Выделяя из этого сигнала амплитудный спектр, определяются амплитудные значения спектра на частоте воздействия и утроенной частоте, отношение которых и являются показателем нелинейности.

Алгоритм определения реологических и нелинейных параметров вязкоупругой среды реализован в виде программы для ЭВМ, что позволяет в процессе вибровоздействия оперативно получать их числовые значения иа экране монитора. Интерфейс программы прост в понимании и управлении.

В качестве устройства для возбуждения колебаний в вязкоупругой среде может использоваться так же и резонансный электродинамический вибратор. Была создана математическая модель взаимодействия резонансного электродинамического вибратора с вязкоупругой средой в виде дифференциальных уравнений, учитывающая нелинейность вязкоупругих свойств и собственную акустическую активность среды:

(М + тк)-хм +ск хм+с1к хмЪ + Ьк хм -с\хр-хм)-Ь {хр-хм)=-в /,

трхр+с (хр-хм)+Ь (хр-хм)-ср {хт-хр)~Ьр(хт-хр)=<~>1, (т„+т) хт + ср ■ (хт - хл)+ Ьр ■ {х„, - хр)~ с„ ■ {хнп - хт)~

- съ„ {*нп-хт?- Ь„ ■ (Xна - Хт ) = О, сн(хНП-*т)+Съ„ {хНЛ ~*т?+ Ь,г{хнп ~хт) = ~РАА*

■и

(9)

ку ■ и(1) = (ЯУ + ЯД) /Д(1)+1М /л(1) + вд (хтО)-хм(1)),

^АЦЛ

иг(1) + 1г—иг(1> + иг(1)

КАЦП

Здесь: тр - суммарная масса движущихся частей вибратора, перемещающаяся с амплитудой хр; ср, Ьр - жесткость и коэффициент демпфирования пружины, соединяющей штамп с резонансной массой.

Для определения свойств вязкоупругой среды с использованием резонансного вибратора был разработан следующий метод.

Известно, что для поддержания заданной амплитуды х^" перемещения

подвижной массы вибратора, работающего в резонансном режиме при установке на абсолютно жесткое основание, необходима определенная магнитодвижущая сила. Если же вибратор, работающий на резонансной частоте установить не на абсолютно жесткое основание, а на вязкоупругий объект со своей жесткостью и вязкостью, то при том же значении магнитодвижущей силы, амплитуда перемещения резонансной массы хр будет иной. Очевидно, что изменение амплитуды связано с

изменением свойств объекта под штампом, т.е., по сути дела, с величинами жесткости и коэффициента демпфирования исследуемой среды.

На основании математической модели взаимодействия резонансного вибратора с вязкоупругой средой получены достаточно простые аналитические выражения, объединенные в систему уравнений, связывающие измеряемые параметры движения элементов резонансного вибратора с неизвестными параметрами вязко-упругой среды:

■ Ар" К-а ' (10)

р

где Арр", Ар - амплитуды напряжений, <рр - фазовый угол, а> - круговая частота,

а = ср+с„, ё = (ср+с-са2 тр)(ср+с„)-ср2-а? ¡(Ьр+Ь„)-(Ь + Ьр)-Ьр2), И = о) \(Ь + Ьр) (ср + с„) + (Ьр + Ь,1)-{(с + ср)-(0г тр)-2 Ьр ср), Ь = <а (Ьр+Ь„).

Разработана методика и алгоритм расчета параметров среды для реализации на ЭВМ.

Четвертая глава посвящена определению цели, постановке задачи, выбору типа, методики и проведению экспериментального исследования разработанного программно-аппаратурного комплекса на базе нерезонансного электродинамического вибратора.

Для проверки принципиальной работоспособности диагностического комплекса и оценки точности определения параметров исследуемого объекта был проведен ряд экспериментов.

Точность математической модели, используемой в программно-аппаратурном комплексе, оценивалась из эксперимента по определению перемещения штампа. Сравнивалось реальное перемещение штампа вибратора и перемещение, полученное методом имитационного моделирования вибратора со свободным штампом для заданной частоты и амплитуды входного напряжения. При этом среднее расхождение амплитуд модельного и реального эксперимента составило 12,46 %.

Для оценки точности определения реологических характеристик исследуемых объектов с использованием программно-аппаратурного комплекса было проведено экспериментальное исследование Его целью явилось сравнение величин реологических параметров образцов, измеренных с использованием программно-аппаратурного комплекса и величин, определенных с применением классических

и современных методов механодиагностики (метод статического нагружения, метод затухающих колебаний и метод имитационного моделирования). В качестве экспериментальных образцов были выбраны следующие объекты: условно линейная пружина, нелинейная пружина, пористая резина. Оказалось, что погрешность определения реологических параметров исследуемых объектов в соответствии с разработанными алгоритмами не превышает 7,01% для жесткости и 13,82% для демпфирования. Для амплитудного коэффициента нелинейности экспериментальные исследования показали совпадение результатов натурных экспериментов с результатами виртуального моделирования динамики вибратора с отклонением до 20,79%.

На каждом этапе эксперимента была разработана методика, осуществлен выбор аппаратурной базы и изготовлены измерительные стенды. Полученные результаты представлены в виде таблиц, графиков и статистически оценены.

В главе так же дается описание и общие технические характеристики лабораторного образца программно-аппаратурного комплекса на основе миниатюрного нерезонансного вибратора, рассчитанного на оперативную диагностику реологических свойств мягкой биологической ткани в процессе вибротерапии.

В заключении сформулированы результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований. Отмечено, что разработанная методика двух-частотного определения параметров вязкоупругой среды, применима в различных областях исследовательских работ: геологоразведочной, медицинской и др. Использование разработанного программно-аппаратурного диагностико-терапевтического комплекса возможно в медицинских учреждениях, что позволит совершенствовать методы лечения, процессы реабилитации больных и тренировочный режим у спортсменов. Результаты данной работы могут быть также использованы при разработке миниатюрных электродинамических вибраторов.

В приложении приведен акт использования результатов работы в ООО "Клиника Иващенко" (г. Омск).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Результаты, полученные в данной работе при проведении теоретических и экспериментальных исследований, заключаются в следующем:

1. создана математическая модель взаимодействия электродинамического вибратора с вязкоупругой средой с учетом воздействия собственной акустической активности среды, нелинейных вязкоупругих свойств среды и с учетом подключения вибратора к ЭВМ;

2. разработан двухчастотный метод оперативного определения реологических свойств вязкоупругой среды под штампом вибратора, а так же решена задача определения нелинейных свойств среды;

3. проведено имитационное математическое моделирование взаимодействия вибратора с вязкоупругой средой с применением программных средств MATLAB и SIMULINK, которое подтвердило целесообразность использования алгоритмов определения реологических свойств среды на базе линейной модели;

4. предложена конструктивная схема и разработан пилотный образец электродинамического нерезонансного вибратора;

5. создан алгоритм определения реологических свойств вязкоупругой среды резонансным вибратором;

6. проведены экспериментальные исследования, которые показали удовлетворительную точность определения реологических свойств опытных образцов.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Бурьян Ю.А., Капелюховский A.A. Диагностика вязко-упругих свойств мягких биологических тканей резонансным вибратором // Динамика систем, механизмов и машин: Материалы II Международной научно-технической конференции. - Омск: ОмГТУ, 1997.-С. 153

2. Бурьян Ю.А., Капелюховский A.A., Ситников Д В Применение двухчас-тотного метода идентификации к определению реологических параметров мягких биологических тканей // Механика процессов и машин- Сб. науч. тр /Под ред. В.В Евстифеева. Омск. Изд-во ОмГТУ, 2002. - С. 97-100.

3. Бурьян Ю.А., Фадеев А И., Капелюховский A.A. Комплексный метод оценки функционального состояния мышечной ткани / III Всероссийская конференция по биомеханике. Тезисы докладов. Том 1. Нижний Новгород, 1996. - С. 93 - 94.

4. Капелюховский A.A. Определение реологических характеристик мягкой биологической ткани электродинамическим вибратором // Динамика систем, механизмов и машин: Материалы III Международной научно-технической конференции. - Омск: ОмГТУ, 1999. - С. 230-231.

5. Капелюховский A.A., Ситников Д.В. Аппаратурно-программный комплекс вибродиагностики мягких биологических тканей // Материалы научной молодежной конференции «Молодые ученые на рубеже третьего тысячелетия», посвященной 70-летию со дня рождения академика В.А.Коптюга. - Омск: Издательство ОмГПУ, 2001. - С. 95-97.

6. Капелюховский A.A., Ситников Д.В. Диагностика мягкой биологической ткани электродинамическим вибратором // Прикладные задачи механики: Сб. на-учн. ст. - Омск, 1999. - С. 81 - 84.

7. Ситников Д.В., Капелюховский A.A. Оптимальное управление электродинамическим вибратором // Материалы научной молодежной конференции «Молодые ученые на рубеже третьего тысячелетия», посвященной 70-летию со дня рождения академика В.А.Коптюга. - Омск: Издательство ОмГПУ, 2001.-С. 106- 108.

8. Ситников Д.В., Капелюховский A.A. Система управления электродинамическим приводом для отслеживания известного задающего воздействия // Механика процессов и машин: Сб. науч. тр. /Под ред. В.В. Евстифеева. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. - С. 93-97.

Отпечатано с оригинала-макета, предоставленного автором

ИД №06039 от 12.10.2001 Подписано к печати 22 04 2005 Бумага офсетная Формат 60x84 1/16 Отпечатано надупликаторе Уел печ л 1,25 Уч-изд л 1,25.

Тираж 100 экз Заказ 338

Издательство ОмГТУ 644050, г. Омск, пр Мира, 11 Типография ОмГТУ

[

ч

» -8 4 83

РНБ Русский фонд

2006-4 6638

ВВЕДЕНИЕ.

АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ

ВЯЗКОУПРУГИХ СРЕД. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВИБРАТОРА.

1.1. Анализ различных типов вибраторов и обоснование выбора электродинамического вибратора для целей вибротерапии и вибродиагностики

1.2. Математическая модель нерезонансного электродинамического вибратора

1.3. Математическая модель резонансного электродинамического вибратора

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СРЕДЫ.

2.1. Реологические свойства и реологические модели вязкоупругой среды

2.2. Нелинейность вязкоупругих свойств и их математическое моделирование

2.3. Распространение и поглощение акустических волн в вязкоупругой среде

2.4. Акустическая активность биологической ткани.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ДИНАМИКИ СИСТЕМЫ «ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ВИБРАТОР - ВЯЗКОУПРУГАЯ СРЕДА».

3.1. Математическая модель системы «нерезонансный электродинамический вибратор - вязкоупругая среда».

3.2. Упрощенная математическая модель системы «нерезонансный электродинамический вибратор - вязкоупругая среда».

3.3. Постановка и решение задачи вибродиагностики в системе «нерезонансный электродинамический вибратор - вязкоупругая среда».

3.4. Задача определения нелинейности вязкоупругой среды нерезонансным электродинамическим вибратором.

3.5. Математическая модель системы «резонансный электродинамический вибратор - вязкоупругая среда».

3.6. Постановка и решение задачи вибродиагностики в системе «резонансный электродинамический вибратор - вязкоупругая среда».

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТУРНОГО КОМПЛЕКСА НА БАЗЕ НЕРЕЗОНАНСНОГО ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ВИБРАТОРА.

4.1. Экспериментальное воплощение программно-аппаратурного комплекса

4.2. Методика и аппаратура экспериментальных исследований.

4.2.1. Выбор типа и методики экспериментальных исследований.

4.2.2. Подготовка испытательных стендов.

4.2.3. Разработка алгоритма оценки статистических параметров.

4.3. Проведение экспериментальных исследований.

4.3.1. Определение амплитуды перемещения штампа вибратора.

4.3.2. Определение упругих характеристик опытных образцов.

4.3.3. Определение коэффициента демпфирования опытных образцов

4.3.4. Определение амплитудного коэффициента нелинейности опытных образцов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

Известно, что реологические свойства (жесткость, вязкость) и нелинейные характеристики вязкоупругих сред представляют интерес как для инженеров, так и для медицинских работников, в связи с чем исследованиям свойств вязкоупругих сред в настоящее время уделяется особое внимание.

Так, например, в сейсморазведке и инженерной геологии актуальной является задача определения физических свойств грунта. В области медицинской диагностики интерес к реологическим свойствам мягких биологических тканей вызван тем, что для успешного проведения терапии важно обнаружить изменения в тканях как можно раньше. Известно также, что строго дозированное по интенсивности и ограниченное во времени действие механической вибрации на биологическую ткань может быть исключительно полезным и применимым в различных областях медицины. С помощью вибромассажа, как мощного лечебного и профилактического метода, можно эффективно влиять на дальнейшее восстановление измененных функций различных органов и систем, а также воздействовать на весь организм в целом, усиливая его защитные и регуляторные функции.

Для диагностики вязкоупругих сред изобретено множество приспособлений, однако в настоящее время на службе у ученых нет вибродиагностических комплексов, позволяющих оперативно отслеживать динамику изменения состояния вязкоупругой среды.

На современном этапе развития техники стало возможным использование высокотехнологичных достижений микроэлектроники как в технике, так и в медицине, что привело к улучшению качества измерения диагностических процессов. По некоторым оценкам, прибыль от реализации фармакологических средств и медицинской техники стоит на втором месте после продажи вооружения. Именно поэтому во всем мире большое внимание уделяется разработке принципиально новых и модернизации выпускаемых медицинских приборов и аппаратуры.

Данная работа посвящена разработке и исследованию простого и технологичного в использовании программно-аппаратурного вибродиагностического комплекса, позволяющего оперативно определять состояние вязкоупругой среды под штампом вибратора.

Проведенные экспериментальные исследования показали справедливость подхода к определению реологических свойств вязкоупругих объектов и удовлетворительную точность разработанного алгоритма вычисления параметров среды в реальном режиме времени.

Итогом данной работы явился программно-аппаратурный механотерапевтический комплекс с возможностью диагностики характеристик биологической ткани под штампом в процессе проводимой вибротерапии. Основой комплекса служит опытный образец медицинского вибратора на базе серийно выпускаемых электродинамических громкоговорителей.

АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ

ВЯЗКОУПРУГИХ СРЕД

Рассмотрим методы вибрационной диагностики, применяемых для исследования реологических характеристик вязкоупругих сред. Методы можно разделить на два основных класса: волновые и импедансные.

Измерения параметров сред по волновым и импедансным характеристикам волн, и в частности акустические измерения упругих и диссипативных характеристик, хорошо известны в физике. При этом вязкоупругие среды удобно исследовать в относительно низкочастотном диапазоне колебаний, так как при ограниченной мощности это позволяет создавать относительно большие деформации и существенно облегчить измерения механических напряжений, величины которых зачастую невелики в силу мягкости материалов.

Для исследования оказывается удобным использовать средства вибрационной диагностики - вибростенды, вибродатчики и др., которые можно рассматривать как квазистатические (сосредоточенные) системы. Как правило, эти средства хорошо управляемы и имеют хорошее метрологическое обеспечение. Поэтому решающее влияние на точность измерений параметров среды оказывает качество согласования ее с вибровозбудителями и вибродатчиками, а также корректное формирование граничных условий для испытуемых образцов и объектов - устранение проявлений контактной упругости, проскальзываний и т.п.

Волновые методы исследования свойств вязкоупругих сред (исследование с помощью поверхностных акустических волн) известны давно [24, 53]. Волна хорошо "чувствует" структуру и состояние вязкоупругой среды, и параметры волны могут служить средством диагностики. Измеряя параметры волны - скорость, декремент, уровни гармоник, можно решить задачу (при помощи соответствующей модели) определения состояния исследуемого объекта.

Существует два способа измерения поверхностных колебаний вязкоупругой среды: контактный и бесконтактный. Для исключения влияния на параметры среды измерительного устройства применяют бесконтактные способы, которые кратко и рассмотрим сейчас.

В работе [36] описан метод измерения параметров волн на поверхности вязкоупругого объекта с использованием локационного ультразвукового фазового измерителя перемещений, разработанного в ИПФ АН СССР [34]. Для возбуждения волн использовался виброизмерительный комплекс аппаратуры фирмы Брюль и Къер. Блок-схема измерений приведена на рисЛРис. . В расположенный горизонтально объект на 2—3 мм внедрялся идентор (штамп - Ш), который жестко соединялся с платформой вибростенда (В) через опорный акселерометр (А). Возбуждение осуществлялось белым шумом. Сигнал с генератора шума (ГШ), встроенного в анализатор (АС), подавался на усилитель мощности (УМ), а с него - на вибростенд. Вместо шумового сигнала может быть использован гармонический сигнал со специального генератора (Г), включенного в обратную связь с помощью управляющего акселерометра (А).

Датчик (Д) ультразвукового измерителя закреплялся на координатном устройстве (К) и мог непрерывно перемещаться над поверхностью объекта. Виброметр измерял перемещения в направлении, перпендикулярном поверхности среды. Погрешность измерения амплитуды перемещения (в диапазоне 10-300 мкм) оказалась не хуже 10 %.

Возбуждение волн проводят и без вибростенда - ударом по объекту жесткой пластинкой или молоточком [35]. Однако, поскольку некоторые вязкоупругие среды достаточно мягки, то возбуждаются частоты 12-32 Гц, при этом составляющие выше 50 Гц достаточно малы, что неблагоприятно сказывается на качестве диагностических исследований. Некоторого увеличения амплитуд высокочастотных составляющих добиваются ударом по исследуемому объекту через жесткую прокладку [4]. Бесконтактное возбуждение осуществляют при помощи облучения выбранной площади объекта интенсивным звуком (например, из динамика).

Обратим внимание [36] на анализ вязкоупругих свойств с использованием деформаций в виде псевдослучайного «белого шума». Применение такого сложного сигнала эквивалентно заданию деформаций в очень большом частотном диапазоне.

Хотя ультразвуковые методы регистрации параметров распространения поверхностных волн достаточно точны, к недостаткам следует отнести малое

Рис. 1. Блок-схема бесконтактного способа измерения параметров вибрации среды с использованием ультразвукового фазового измерителя перемещений поперечное пространственное разрешение. Это разрешение определяется размерами пятна, облучаемого ультразвуковым пучком, который расширяется по мере удаления от излучателя. Разрешение улучшают или введением в конструкцию для регистрации перемещений легкого промежуточного идентора, соединенного с отражающим экраном [3], или лоцированием объекта через неподвижную диафрагму (Дф) [35] (см. рис. 1).

Для оценки вязкоупругих свойств применяют метод деформационно-нагрузочных характеристик (ДНХ), который разработан с целью получения значений модуля упругости и модуля сдвига. Метод основан на использовании решения статической задачи о деформации линейно-упругой однородной и изотропной среды. Статическая модель позволила оценить величины модуля упругости и модуля сдвига в зависимости от неизвестного коэффициента Пуассона и рассчитать ожидаемую глубину проникновения волн в среду. Как показал опыт, несмотря на техническую простоту, метод регистрации ДНХ довольно продолжительный.

Для определения параметров поверхностных волн используют методы, позволяющие визуализировать картину деформированной волнами среды. Причем специфика исследования вязкоупругой среды зачастую такова, что необходимо, по возможности, получать весь комплекс упругих констант «материала» при кратковременных силовых воздействиях на среду и высокой скорости регистрации данных. Этим условиям отвечают оптические (лазерные) методы, такие как метод секущих плоскостей и метод голографической интерферометрии, при реализации которых используются результаты, относящиеся к нестационарному переходному процессу восстановления предварительно деформированной поверхности среды. Этот подход является развитием статической методики погружения в исследуемый объект штампа под действием известной силы. Оптические методы позволяют получить поле данных, неискаженное присутствием контактных датчиков.

Так метод голографической интерферометрии позволяет сформировать изображение "контурных карт" рельефов поверхности любой сложной формы. В работе [26] была получена серия интерферограмм поверхности вязкоупругой среды при возбуждении в ней волн кольцевой формы. В качестве источника волн был использован механический вибратор, контактировавший с поверхностью среды через плоский штамп диаметром 6 мм, диапазон частот которого менялся в пределах от долей герца до сотен герц. Анализ интерферограмм позволил оценить значения модуля упругости. В первом приближении оказалось можно принять, что интерференционные картины, регистрируемые на поверхности изучаемых вязкоупругих сред, отражают свойства на глубинах.

Для получения параметров прогиба среды от перемещения штампа, используют метод секущих плоскостей, одним из вариантов которого является проектирование на объект линейного шаблона. В работе [74] приведена интерферограмма деформационной волны на вязкоупругой среде, полученная при помощи лазера. Вибратор возбуждался одиночным импульсом. Методика позволяет увидеть интерференционные кольцевые структуры, соответствующие полю деформаций [19], однако она оказался трудоемкой, из-за необходимости иметь неизменной, от записи к записи, глубину начального погружения штампа.

Регистрировать информацию об изменении состояния объекта за малый промежуток времени позволяет метод голографической интерферометрии в импульсном режиме. Реализация этого метода возможна практически на той же установке, что и обычный метод голографической интерферометрии. Однако, режим работы лазера должен быть изменен на двухимпульсный, а в оптическую часть схемы должны быть внесены изменения, необходимые для записи голографической интерферограммы.

Сравнительный анализ изученных данных позволяет говорить о соответствии друг другу методов ДНХ, электроакустических и оптических методов. Причем данные, полученные при исследовании реологических свойств вязкоупругой среды, имеют ошибку не более 30%. Теоретическая разработка этих методов позволила получить достаточно простые выражения для расчета основных параметров вязкоупругих сред.

К контактным способам измерения поверхностных колебаний вязкоупругих сред относятся сейсмические методы. Основная часть работ использовала общепринятый подход: если объект представляет собой протяженную структуру (жгут, струна или балка), то обычно его упругие свойства оценивают с помощью коэффициента жесткости (или модуля упругости), которые рассчитывают исходя из данных относительного удлинения структуры под действием продольно приложенной силы. Однако реализовать такой подход применительно к вязкоупругой среде достаточно трудно. В основу работы регистрирующих устройств положено измерение величины прогиба поверхности вязкоупругой среды под действием контактно прикладываемого усилия, нормального к ее поверхности.

Известно много различных конструкций и способов измерения параметров, характеризующих вязкоупругие свойства [19, 83, 1, 81], но широкого применения они не нашли. Основными недостатками их являются: громоздкость и трудоемкость процесса измерения и значительная длительность измерения. Хотя уже в 1962 году В.П.Федоровым и Ф.М.Талышевым был предложен метод сейсмомиотонометрии [32], позволяющий судить о динамике показателя упругости и вязкости, но аппаратура и методика проведения измерений долгое время оставались весьма кустарными и обладали вышеописанными недостатками. Основной принцип этого метода заключается в регистрации механических колебаний, распространяющихся по вязкоупругой среде под действием дозированного удара по ней. Главным недостатком являлась несовершенная система приемника механических колебаний. Г.В.Васюков [2] усовершенствовал прибор для регистрации сейсмоколебаний. Дальнейшее усовершенствование методики сейсмомиотонографии проведено М.Г. Караевым, Т. И. Фединой [44].

В окончательном виде [25] установка для изучения механических (упруго-вязких) свойств состоит из системы, которая позволяет наносить строго дозированный удар, и приборов для регистрации механических колебаний, возникающих вследствие удара (рис. 2). Система нанесения удара состоит из штатива, направляющей трубки, закрепляемой на штативе и стальных шариков диаметром 7,7 мм, весом 2 г.

Рис. 2. Установка для регистрации сейсмомиотонограмм и схема анализа и расчета основных параметров: 1 - штатив, 2 - направляющая трубка, 3 - траектория полета, 4 - шарик, 5 - сейсмодатчик, 6 - среда, 7 - регистрирующий прибор; показатель упругости -/ = 1 / Т ; показатель вязкости - 0 - А\ / ^

Регистрирующая часть установки состоит из сейсмодатчика, приклеенного к вязкоупругой среде клеолом и расположенного на 50 мм проксимальнее места удара. Механические колебания преобразуются в датчике в колебания электрического тока, усиливаются и регистрируются на электромиографе. Полученные сейсмомиотонограммы расшифровываются следующим образом: за показатель упругости принимается частота колебаний, за показатель вязкости - логарифмический декремент затухания этих колебаний. Образец осциллограммы колебаний и схема расчета ее основных параметров представлены на рис. 2.

Опыты показали, что методика сейсмомиотонографии удовлетворяет требованиям воспроизводимости, т. е. несколько последовательно зарегистрированных осциллограмм при совмещении совпадают.

В последствии, для определения показателя вязкости методика была изменена [25]: на продольной оси мышц наклеивалось два сейсмодатчика проксимальнее места нанесения удара. Для расчета показателя вязкости применялась формула *П> гДе

А1- амплитуда сейсмоволны, зарегистрированная первым (дистально расположенным) датчиком, Л2 - амплитуда сейсмоволны, зарегистрированная вторым датчиком, X расстояние между датчиками.

Другой эффективный сейсмический метод исследования - метод виброметрии. Он основан на прямом измерении скорости распространения поверхностных волн. Измеряя скорость распространения поверхностной волны можно решить задачу определения состояния исследуемой среды. В работе [65] изучались упругие поверхностные волны в вязкоупругой среде на частоте 100 Гц при помощи пьезоэлектрической иглы. Возбуждение волн осуществлялось при помощи вибратора. По скорости и декременту затухания были вычислены эффективные значения модуля упругости и вязкости. Точность измерений скорости и декремента затухания была не хуже 15%.

В [21] предложен новый метод определения вязкоупругих свойств — метод затухающих колебаний, практически устранивший недостатки метода сейсмомиотонометрии. В работе [19] рассмотрены вопросы измерения жесткостных и демпферных свойств этим методом, заключающимся в регистрации колебательного процесса, вызванного механическим возмущением в виде импульса силы (рис. 3). Кривая характеризует жесткостные и демпферные свойства, а численные значения параметров затухающего колебания определяют эти свойства. Жесткость вычислялась

ООО по формуле С = 4яг т / +0/4т, где т - масса, участвующая в колебательном процессе; / = 1 !Т [Гц] - частота колебаний; ® = А2 - логарифмический декремент затухания колебаний. Декремент затухания выражал потери механической энергии в течение цикла колебаний - т.е. уровень диссипативных потерь энергии упругих деформаций в зависимости от вязкостных свойств. Было выявлено, что метод затухающих колебаний является достаточно точным и удобным методом при тестировании состояния вязкоупругих сред.

Рис. 3. Принцип регистрации колебания от импульса силы методом затухающих колебаний: I - длительность механического возмущения, Т - период колебания мышцы с ударником (масса 40 г), А,, А2, А3 - амплитуды колебания мышцы с ударником

В эксперименте [88] распределение скорости и декремента затухания волны на поверхности измерялось при помощи двух акселерометров, размещенных на расстояниях 0,75 см и 3,95 см от возбудителя, соединенного с вибростендом фирмы Брюль и Къер. В работе [7] для измерения параметров волн использовался датчик пьезоакселерометра ПАМТ со встроенной длинной шпилькой.

В [66] описана работа по исследованию механических свойств с помощью прибора с датчиком крутильных колебаний с резонансной частотой 50 кГц. При нагружении датчика на среду регистрировали изменение частоты резонанса и изменение фазовой характеристики. По этим данным рассчитывали активную и реактивную составляющие импеданса, а затем динамический модуль сдвига, вязкость, скорость и коэффициент затухания сдвиговых волн. Ошибка измерения данным методом обусловлена в основном калибровкой прибора.

Еще один из вариантов оценки вязкоупругих свойств возможен на основе исследования скорости распространения волны деформации. Для вязкоэластичных образцов эластический модуль можно представить как сумму реальной (эластической) и мнимой (вязкостной) компонент. Составляющие (реальная и мнимая компоненты) связаны с коэффициентом затухания и скоростью распространения волны определенными соотношениями, которые позволяют оценить эластический модуль. В работе [66] волновым методом измеряли скорости поверхностных волн по времени пробега акустического импульса между излучающим и приемным пьезопреобразователями. Данный метод требует высокой чувствительности приемника, так как поверхностная волна в вязкоупругой среде имеет значительный коэффициент затухания.

Одним из методов оценки вязкоупругих параметров является динамическое испытание вынужденными гармоническими колебаниями [84]. Образец подвергают синусоидальным деформациям амплитудой 0,5 - 1,0 % от текущей длины. Сигнал регистрируют в координатах «деформация - напряжение», а затем из комплексного модуля упругости и угла сдвига рассчитывают действительную часть модуля, являющуюся фактически характеристикой эластических свойств материала и мнимую часть, характеризующую вязкостные свойства среды. Измерения механических параметров позволяют оценить область однородности структуры и свойств.

К основным недостаткам контактных методов измерения поверхностных колебаний вязкоупругих сред следует отнести влияние регистрирующей аппаратуры на характеристики исследуемой среды а также требование к точности модели распространения волны.

В последние годы все более широкое применение получают направления диагностических исследований, предусматривающие анализ параметров измеренного комплексного сопротивления (импеданса). Параметры импеданса во многом взаимосвязаны со структурой объекта, его состоянием и происходящими в нем процессами, поэтому они обладают высокими информативными возможностями. В результате использования параметров импеданса вязкоупругих сред для их диагностики сформирован новый метод, получивший название импедансного, который основывается на измерении параметров импеданса в исследуемом образце и сравнении измеренных параметров импеданса с параметрами нормального (эталонного) образца. Степень отклонения этих параметров позволяет судить о структуре и состоянии объекта, охарактеризовать протекающие в нем процессы и изменения.

В работе [80] рассмотрено определение свойств вязкоупругих сред по измерениям импеданса штамповым методом. Колеблющийся поршень приводился в контакт со средой. При этом измерялись сила воздействия и параметры движения поршня. Было получено выражение для импеданса поршня на границе несжимаемого вязкоупругого полупространства и аналитические выражения для величин эквивалентного демпфирования, инерционности и упругости среды, раскрывающие их зависимость от диаметра поршня и от частоты.

В рассматриваемой работе использовался стандартный современный способ измерения механического импеданса. Особенностью являлось применение схемы, позволяющей расширить частотный диапазон регистрации силы в области низких частот до единиц герц. Определяемые частотные зависимости комплексной инерционности, комплексного импеданса или комплексной жесткости нагрузки поршня регистрировались на графопостроителе в форме кривых модуля и фазы или действительной и мнимой части.

В работе [3] описан метод, основанный на измерении колебательного давления поверхности вязкоупругой среды на заторможенную контактную площадку жесткого идентора с помощью массивного акселерометрического вибропреобразователя. Устройство, состоит из акселерометра, жестко соединенного с массивным грузом, и контактирующего с объектом через жесткий пелот - штырь с малой площадью торца (рис. 4). При этом в качестве идеальной измеряемой физической величины выбрано колебательное давление поверхности объекта на полностью заторможенную контактную площадку измерительного датчика-преобразователя. Для измерений использовался пьезоакселерометр ПАМТ-1 с различными по массе присоединенными грузами и пелотами различных диаметров.

На основе предложенного метода были получены формулы определения импедансных свойств, годные к использованию при измерениях на вязкоупругих

Рис. 4. Схема измерений с использованием массивного вибропреобразователя с пелотом. 1 - уравновешивающий груз, 2 - шарнир, 3 - стержень, 4 - пьезоакселерометр, 5 - груз, 6 - пелот, 7 - исследуемый объект, 8 - виброплатформа, 9 - вибростол средах с погрешностью 10% в диапазоне частот выше 15-25 Гц. Следует отметить, что использование массивного акселерометра с пелотом позволяет достичь пространственного разрешения в 5 - 10 раз лучше, чем при использовании обычных акселерометров.

Важным направлением развития измерений сдвиговых механических свойств вязкоупругих сред представляется контроль быстрых изменений этих свойств. Такие изменения могут наблюдаться в ходе разнообразных тестовых воздействий (в том числе и вибрации), и регистрация изменений упругих и вязких свойств служит в этом случае способом регистрации отклика на данное воздействие.

В последнее время наметилась тенденция использования импедансного метода в сочетании с другими методами для диагностики состояния вязкоупругих сред, что является важным для расширения областей применения импедансного метода. Основные его достоинства - это неинвазивность процедуры измерения параметров импеданса, возможность экспресс-анализа и многократного повторения измерений, простота технической реализации и др.

Отметим, что для исследования состояния вязкоупругих сред используется большое количество разнообразных волновых и импедансных методик измерений. Вполне понятно, что результаты оценки реологических параметров у разных авторов различаются [11,58].

Среди вязкоупругих сред особенной спецификой выделяется живая биологическая ткань. Она может находиться в различных функциональных и патологических состояниях: расслабленном, напряженном, с увеличенным кровоснабжением, в отеке, в различных температурных режимах, заболеваниях кожи, мышц и др. Кроме того, отмеченные состояния могут сменять друг друга. Как следствие этого - изменение свойств биологической среды.

Известно, что реологические свойства (жесткость, вязкость) и нелинейные характеристики мягких биологических тканей представляют интерес для медицинской диагностики т.к. для успешного проведения терапии важно обнаружить функциональное изменение в тканях как можно раньше.

Исследования ткани методами вибрационной диагностики позволяют оценить ее функциональное состояние, поскольку многие процессы жизнедеятельности, основанные на сложных биохимических реакциях и на изменении внутренней структуры тканей, приводят к изменению их вязкоупругих свойств.

Особые трудности с возбуждением колебаний и согласованной регистрацией их параметров возникают при работе с цельным неповрежденным биологическим объектом, так как датчики, размещаемые на теле человека, могут оказывать существенное влияние на возбуждаемые в нем колебания. Существует ряд методов, позволяющих проводить измерения вязкоупругих характеристик мягких биологических тканей как in vivo (на неповрежденном биологическом объекте), так и in vitro (на образцах препарированной ткани). В измерениях in vivo и in vitro используются как волновые, так и импедансные методы измерения.

Сравнительно недавно стали появляться отдельные работы, в которых изучаются поверхностные волны на биологических объектах: препаратах тканей, органов, теле человека [72, 94]. Теоретическая разработка этих бесконтактных методов позволила получить достаточно простые выражения для расчета основных параметров мягких биотканей человека, а также их значения для скелетных мышц человека при различной степени их напряжения, в процессе утомления или на этапах восстановления. Однако большинство этих методов подразумевают солидную аппаратурную базу и длительную подготовку к процессу диагностики.

К основным недостаткам контактных методов измерения поверхностных колебаний мягких тканей следует отнести влияние регистрирующей аппаратуры на характеристики кровообращения в исследуемой мышце а также требование к точности модели распространения волны.

Параметры импеданса биообъектов также во многом взаимосвязаны со структурой объекта, его состоянием и происходящими в биообъекте процессами, поэтому они обладают высокими информативными возможностями.

Для измерения тонуса мышц получили распространение различные виды миотонометров [1, 19, 83]. Новый толчок к развитию миотонографии дают современные средства измерения и непрерывного мониторинга упругих и вязких характеристик поверхностных мягких тканей [10, 82], которые, обеспечивают доступ к стандартному компьютерному сервису при обработке и хранении получаемых данных. Макет устройства «Вибрационный вискоэластометр» [10] (ИПФ РАН, Нижний Новгород), представляет собой автономный прибор, имеющий цифровую индикацию измеряемых величин и аналоговый выход для их регистрации. Макет устройства «Миовискоэластометр» [82] (НЦИНТ, Нижний Новгород) представляет собой компьютерную приставку, состоящую из датчика комплексной жесткости, платы интерфейса и программного обеспечения. Принцип работы этих устройств основан на вдавливании в ткань колеблющегося штампа, измерении силы сопротивления его движению со стороны тканей и определении действительной и мнимой составляющих их комплексной жесткости, соответствующих упругим и вязкостным свойствам. Методика экспериментов заключается в том, что датчик устанавливают на исследуемую мышцу, задают тестовое воздействие, обеспечивающее измерение упругих и вязкостных свойств мышцы, и после соответствующей обработки сигналов датчика компьютером получают искомый результат. Исследования такого типа позволяют проследить за изменениями реакции мышц при изменении параметров стимуляции и миотонография, т. е. регистрация быстро изменяющихся упругих и вязких свойств мышц в ответ на тестирующее воздействие, может служить хорошим способом изучения широкого круга физиологических явлений при исследовании мышечной системы человека. Недостатками этого метода является удаленность датчика от источника вибрации, что затрудняет локализацию места повреждения биоткани, а так же воздействие датчика на ткань, что приводит к искажению измеряемых параметров.

У человека более 400 скелетных мышц, они образуют активную часть опорно-двигательного аппарата и составляют от 30 до 40% общего веса. Скелетная мускулатура покрывает все тело человека, и ее можно отнести к особым органам чувств, передающим сигналы в центральную нервную систему. Для воздействия на состояние мышц и на весь организм в целом с давних времен применяют массаж. Массаж представляет собой систему приемов, которая оказывает дозированное воздействие на поверхность тела. Это воздействие осуществляется в виде поглаживаний, растираний, разминаний, встряхиваний, вибрации руками массажиста или специальными аппаратами. В настоящее время массаж является одним из методов неспецифической патогенетической терапии. Этот метод общедоступен, не требует больших материальных затрат, оказывает разностороннее физиологическое влияние на организм путем естественной активации адаптационно-компенсаторных механизмов восстановления измененных функций, улучшения тренированности и спортивной работоспособности.

Согласно учению И. М. Сеченова, Н. Е. Введенского, А. А. Ухтомского, И. П. Павлова, в основе механизма действия массажа лежат сложные взаимосвязанные рефлекторные нейрогуморальные и нейроэндокринные процессы, регулируемые высшими отделами ЦНС. Массаж оказывает воздействие по типу кожно-висцерального рефлекса на ткани и отдельные органы, на весь организм в целом. В работах Н. П. Разумова и А. В. Никольского (1927), М. Р. Могендовича (1961) установлена связь между кожными раздражениями и изменениями в висцеральных органах.

Известно, что вегетативная нервная система принимает самое непосредственное участие во всех внутренних (внутритканевых) процессах. Поэтому, пользуясь вегетативными рефлексами, можно изменять жизнедеятельность тканей, воздействовать на тканевую среду, в которой возник патологический процесс, и таким образом предупредить или остановить его развитие. В основе терапевтического эффекта сегментарно-рефлекторного массажа лежат рефлекторно вызванные изменения вегетативной иннервации. Для получения рефлекторного ответа необходимо подвергнуть раздражению большей или меньшей интенсивности тот или иной участок тела.

П. К. Анохин [9] полагает, что возбуждение распространяется не диффузно, а в пределах систем, функционирующих в данный момент. Доказано, что массаж определенных сегментарных зон вызывает разнообразные ответные реакции соответствующих внутренних органов - сердечно-сосудистой системы, органов пищеварения (Щербак А. Е., 1903; Глезер О. и Долихо А. В., 1965; Дубровский В. И., 1973, 1977, 1982, и др.).

Массаж вызывает также положительные сдвиги в нервно-мьшечной системе, снимает утомление, улучшает проведение импульсов, повышает сократительную способность мышц, работоспособность (Заблудовский И. В., 1882; Гуревич М. С., 1925; Дубровский В. И., 1977, 1980, 1982). Стома М. Ф. (1958) указывает, что при массаже происходит растяжение нервно-мышечных волокон, что ведет к рефлекторным изменениям в нервно-мышечном аппарате. После сильной физической нагрузки достаточно десятиминутного массажа, чтобы не только восстановить первоначальную работоспособность мышц, но и увеличить ее. По данным экспериментальных исследований работоспособность утомленных мышц после массажа может возрасти в 5-7 раз.

Исходя из учения И. П. Павлова и И. М. Сеченова о нервизме, следует отметить, что в механизме действия массажа на организм определяющая роль принадлежит нервной системе с ее богатыми рецепторными, воспринимающими аппаратами, заложенными в различных тканях и органах. Под действием массажных приемов происходит первый этап трансформации механической энергии в энергию нервного воздействия, дающую начало сложной цепи рефлекторных реакций.

В практической медицине широкое применение находит классический массаж (Заблудовский И. В., Залесова Е. Н., Гомолицкий В. В., Слетов В. В., Соловьев К. Г., Вербов А. Ф., Саркизов-Серазини И. М., Дубровский В. И. и др.). Он включает четыре основных приема (Вербов А. Ф., 1966): поглаживание (прием оказывает воздействие на кожу), растирание (влияет на кожу и подкожно-жировой слой), разминание (стимулирует кожу, кожно-жировую ткань и мышцы), вибрация (воздействует на сосудисто-нервные пучки, нервные стволы).

Еще в конце девятнадцатого и в начале прошлого столетия широко применялся вибрационный массаж. Он обладает наиболее выраженным рефлекторным действием и, был признан чуть ли не универсальным методом лечения многих заболеваний, особенно нервной системы [13,86]. Однако, в связи с несовершенством предложенных в то время вибраторов, трудностью дозировки процедур, вибрационный массаж был постепенно заменен новыми, более современными методами аппаратной физиотерапии. В результате многочисленных достижений исследователей в объяснении механизма физиологического действия механической вибрации на организм (М.Р.Могендович, А.Ф.Вербов, Н.А.Белая, А.Я.Креймер, в.Со££еу и др.) было показано, что строго дозированное по интенсивности и ограниченное во времени действие механических вибрации может быть исключительно полезным в различных областях медицины.

Различные рефлексогенные зоны, затронутые вибрацией, дают возможность получить различные реакции по типу кожно-висцеральных, моторно-висцеральных и висцеро-висцеральных рефлексов (М. Р. Могендович, 1963). Одним из первых исследователей, наиболее полно изучивших реакцию ЦНС на вибрацию, был профессор А. Е. Щербак. Им было доказано, что, даже если вибрация имеет локальное применение, все равно она оказывает рефлекторное воздействие на другие органы и системы организма спортсмена.

Механическая вибрация, действуя на организм, вызывает определенные сосудистые реакции, находящиеся в зависимости от частоты колебаний. Известно [60], что низкочастотные механические колебания, как менее затухающие при распространении по телу, охватывают большую зону, чем высокочастотные вибрации.

Благодаря особенности специфического действия, механические вибрации распространяются не только на тонкодифференцированные кожные экстерорецепторы, но и на более глубоколежащие рецепторные аппараты — проприорецепторы, рецепторы сухожилий, интерорецепторы сосудов и т.д. Это и определяет характер рефлекторных ответов.

Под влиянием вибрации изменяется скорость проведения нервных импульсов по рефлекторной дуге, а ответная реакция организма человека на механические вибрации зависит как от физических характеристик колебательного процесса, так и от продолжительности контакта тела с вибрирующими поверхностями. Известно [60], что гармонические колебания переносятся организмом лучше, чем неупорядоченные или ударные колебания. А такой, на первый взгляд, слабый раздражитель, как аппаратный массаж кожи, действующий в течение 5-15 мин., уже вызывает повреждение определенных ферментативных систем. Это стимулирует защитные рефлекторные реакции, направленные на восстановление нарушенного постоянства внутренней среды и целостности организма. В начальный период действия общей вибрации (25 Гц) наблюдается резкое повышение функциональной активности нейросекреторной системы. В механизме лечебного эффекта вибраций большое значение имеет их обезболивающее действие.

Вибромассаж оказывает влияние на различные системы и функции организма. Так воздействие на нервную систему заключается в том, что вибрация возбуждает нервы, которые перестали выполнять свои функции; слишком возбужденные нервы вибрация способна успокоить. Слабые вибрации стимулируют нервную деятельность, сильные же, наоборот, сдерживают ее.

Благоприятные воздействия оказывает вибромассаж на нервно-мышечный аппарат. Вибромассаж способен повысить работоспособность уставших мышц, т. к. он вызывает положительные реакции нервной системы и улучшает кровоснабжение мышц, а также улучшает окислительно-восстановительные процессы в мышечной ткани. Выявлено [59, 77], что постепенное повышение частоты колебаний (10-И00 Гц) в процессе вибромассажа позволяет управлять функциональным состоянием нервно-мышечного аппарата в сторону ускорения восстановительных процессов (улучшается электровозбудимость мышц, нормализуется периферическое кровообращение).

Вибромассаж оказывает воздействие на сосудистую систему, он улучшает кровообращение, нормализует сердечно-сосудистую деятельность. Доказано, что низкие колебательные частоты (до 50 Гц) способны вызвать понижение артериального давления, а высокочастотные колебания (до 100 Гц), наоборот, поднимают артериальное давление, а также увеличивают число сердечных сокращений.

Аппаратная вибрация улучшает работу органов дыхания, активизирует обменные процессы в организме.

Научно доказано, что ежедневное использование вибромассажа приводит к длительному повышению работоспособности человека. Вибромассаж оказывает тонизирующее воздействие на массируемые ткани, а также противоспалительное и обезболивающее. Для достижения максимального эффекта применять аппаратный массаж лучше всего на биологически активных точках (БАТ) и сегментарно-рефлекторных зонах.

Аппаратная вибрация применяется при лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата, последствий переломов и травм, бронхитов и бронхиальной астмы, ЛОР заболеваний, радикулитов, остеохондрозов, заболеваний центральной нервной системы.

Широко применяется аппаратная вибрация в спортивном массаже для ускорения восстановительных процессов и стимуляции работоспособности перед тренировками и после них.

Таким образом, приведенные экспериментальные и клинические данные указывают на то, что вибромассаж является мощным лечебным и профилактическим методом, при помощи которого можно эффективно влиять на дальнейшее восстановление измененных функций различных органов и систем, а также воздействовать на весь организм в целом, усиливая его защитные и регуляторные функции.

Для проведения вибромассажа изобретено множество приспособлений, которые передают массируемой поверхности колебательные движения различной амплитуды и частоты. Степень воздействия вибрации на организм зависит от частоты и амплитуды колебаний, а также от продолжительности воздействия.

Все аппараты, применяемые при вибромассаже, можно разделить на аппараты для локальной (частной) вибрации и аппараты для общей вибрации [20]. Кратко рассмотрим аппараты, позволяющие осуществлять локальное воздействие на организм человека. В массажной практике получил широкое распространение вибрационный аппарат Н. Н. Васильева, с помощью которого можно выполнять вибрации с частотой от 0 до 30 Гц (рис. 5). На основе этого аппарата созданы и другие аппараты, имеющие несколько иную конструкцию вибратодов и более мощный двигатель; эти аппараты выполняют не только приемы вибрации, но и приемы разминания.

Вибрационный аппарат конструкции П. Л. Берсенева снабжен электродвигателем, вращающим гибкий вал с эксцентриком. Возникающие при этом колебательные движения передаются вибратоду. Частота вибраций этого аппарата также может изменяться.

Широко применяются переносные вибрационные аппараты ВМП-1 и электроприбор «Вибромассаж» (ВМ). Оба аппарата конструктивно схожи и представляют собой электромагнитное устройство, работающее от сети переменного тока. Приборы имеют регуляторы интенсивности вибрации и несколько вибратодов различной формы. Аппарат сходной конструкции «МлБзепеЬ) выпускается в Германии. Он имеет удобную ручку с выключателем и снабжен шестью различными по форме и степени упругости вибратодами.

С помощью массажного аппарата конструкции М. Г. Бабия (рис. 6) помимо вибрации можно воспроизводить различные приемы массажа. Аппарат состоит из стойки, подвесной рамы, электродвигателя, редуктора и набора насадок.

Кроме того, используется в массажной практике работающий от сети аппарат «Тонус», снабженный

Рис.5. Вибрационный аппарат Васильева

Рис.6. Массажный аппарат конструкции М. Г. Бабия массажным поясом, передающим вибрацию на массируемый участок тела. Частоту колебаний, создаваемых аппаратом, можно регулировать.

В последние годы заслуженное признание получил вибрационный биостимулятор «СТИМ» (рис. 7), который обеспечивает эффективный глубокий массаж и выбор наилучшего режима работы в каждом случае. Конструкция стимулятора позволяет изменять частоту и амплитуду вибрационного воздействия, а благодаря сменным насадкам - характер и площадь воздействия.

Применяются в массаже вибрационные аппараты, которые, кроме вибрации, оказывают тепловое воздействие на массируемую поверхность. Они способны менять не только частоту колебаний, но и температуру сменной насадки. Так термовибромассажер «Чародей» меняет частоту механических колебаний дискретно с интервалом в 5 Гц в пределах от 10 до 100 Гц, а температуру насадки - от 20 до 50 °С.

Ручные массажные приборы МО 20, МО 40 позволяют проводить одновременно вибромассаж и инфракрасный массаж.

Все перечисленные аппараты относятся к аппаратам для локальной вибрации и применяются для массажа отдельных участков тела.

Общая вибрация производится с помощью таких аппаратов, как вибрационный стул, в котором колебательные движения создаются при помощи электромотора. Кроме того, в массажной практике применяются вибрационная кушетка, велотраб Гоффа. различные массажные кресла. С помощью массажного кресла и вибрационной кушетки можно провести и локальный массаж, включив для этого только нужную часть данного аппарата.

Рис.7. Вибрационный биостимулятор «СТИМ - 2»

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Подводя итог сказанному, можно отметить, что в арсенале у научных и медицинских работников имеется аппаратура, позволяющая проводить измерения параметров вязкоупругих сред. В таких исследованиях используются волновые и импедансные методы измерения. Однако большинство этих методов не эффективны, особенно когда необходимо провести оперативную оценку состояния определенной зоны объекта. В этих случаях может быть развит подход, связанный с измерением реологических свойств среды непосредственно под штампом излучателя.

В последние годы выделяется перспективное направление, обеспечивающее контроль изменений реологических свойств вязкоупругих сред. Реализация этого направления стала возможна с применением средств вычислительной техники, позволяющей создавать системы, ориентированные на отображение диагностической информации в реальном режиме времени, измерение и расчет информативных параметров, хранение и документирование результатов.

Однако в настоящее время не существует метода оперативного измерения параметров вязкоупругой среды под штампом вибратора. Кроме того, еще нет механотерапевтических комплексов, позволяющих оперативно отслеживать динамику изменения реологических характеристик биологической ткани.

Таким образом, в настоящий момент задача создания диагностического комплекса, осуществляющего вибровоздействие на вязкоупругую среду с одновременной диагностикой ее реологических свойств, является весьма актуальной. Для этого необходимо изучить динамику системы «вибратор - среда», а так же определить режимы работы и алгоритмы обработки информации.

Цель работы: создание и исследование свойств технологичного в использовании программно-аппаратурного вибродиагностического комплекса, позволяющего оперативно определять вязкоупругие и нелинейные свойства объекта под штампом вибратора.

В соответствии с указанной целью сформулируем задачи, которые необходимо решить для достижения положительных результатов.

Задачи исследования:

1. Исследование методов и средств вибрационной диагностики вязкоупругих сред.

2. Определение типа вибратора и создание его конструкции.

3. Создание математической модели взаимодействия вибратора с вязкоупругой средой.

4. Разработка методов оперативной диагностики нелинейных и вязкоупругих свойств среды в процессе вибродиагностики.

5. Создание экспериментального образца программно-аппаратурного вибродиагностического комплекса, обеспечивающего вибротерапию с одновременной диагностикой реологических характеристик мягких биологических тканей для медицинских целей.

Научная проблема: выявление закономерностей динамических процессов в механической системе «вибратор - среда» для определения алгоритмов оперативной диагностики реологических характеристик объекта в процессе вибровоздействия. Научная новизна:

- создание математической модели динамической системы электродинамический вибратор - вязкоупругая среда;

- создание методов и алгоритмов вибрационной диагностики реологических свойств среды на базе решения задач идентификации параметров модели «вибратор - среда».

Практическая значимость:

- конструкция вибратора на базе серийно выпускаемых электродинамических динамиков;

- программно-аппаратурный механотерапевтический комплекс для диагностики вязкоупругих характеристик объекта под штампом.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. математическая модель динамической системы «вибратор - вязкоупругая среда»;

2. двухчастотный метод и алгоритм диагностики вязкоупругих и нелинейных свойств среды в процессе вибровоздействия;

3. алгоритм определения вязкоупругих свойств среды в процессе вибровоздействия резонансным вибратором;

4. структурная схема и конструкция модельного образца программно-аппаратурного диагностико-терапевтического комплекса.

Результаты работы могут быть также использованы при разработке миниатюрных электродинамических вибраторов.

Автор благодарит за помощь научного руководителя, сотрудников кафедры, а также всех, принимавших участие в рождении и обсуждении данной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена разработке и созданию программно-аппаратурного вибродиагностического комплекса, позволяющего осуществлять оперативное определение параметров вязкоупругих сред. Вибрационное воздействие предложено осуществлять посредством миниатюрного электродинамического вибратора, конструктивно состоящего из двух электродинамических преобразователей.

В данной работе:

1. Создана математическая модель взаимодействия электродинамического вибратора с вязкоупругой средой с учетом воздействия собственной акустической активности среды, нелинейных вязкоупругих свойств среды и с учетом подключения вибратора к ЭВМ;

2. Разработан двухчастотный метод оперативного определения реологических свойств вязкоупругой среды, а так же решена задача определения нелинейных свойств среды;

3. Проведено имитационное математическое моделирование взаимодействия вибратора с вязкоупругой средой с применением программных средств МАТЬАВ и 81МиЬШК, которое подтвердило целесообразность использования алгоритмов определения реологических свойств среды на базе линейной модели;

4. Предложена конструктивная схема и разработан пилотный образец электродинамического нерезонансного вибратора;

5. Создан алгоритм определения реологических свойств вязкоупругой среды резонансным вибратором;

6. Проведены экспериментальные исследования, которые показали удовлетворительную точность определения реологических свойств опытных образцов.

Разработанная методика применима в различных областях исследовательских работ (геологоразведочной, биологической и др.). Использование разработанного программно-аппаратурного диагностико-терапевтического комплекса возможно в медицинских учреждениях, что позволит совершенствовать методы лечения, оптимизировать и объективизировать процессы реабилитации больных и тренировочный режим у спортсменов.

1. А. С. 588973 СССР. Устройство для определения тонуса мышц при динамическом воздействии / Косько И. К., Личин А. Я., Головач А. Г. и др. // Открытия. - 1978. - №3. - С. 10.

2. A.C. 150573. Прибор для определения упруго-вязких свойств мышц / Федоров B.JL, Талышев Ф.М. Опубл. вБ.И.- 1962.-№19.-С.29.

3. Аксенова Р.Х., Антонец В.А., Клочков Б.Н. Локальная регистрация колебаний мягких тканей контактным способом // Тезисы докл. Всесоюз. конф. «Волновые и вибрационные процессы в машиностроении». Горький, 1989. - Ч. 2. - С. 23 - 24.

4. Алдошина И.А. Электродинамические громкоговорители. М.: Радио и связь, 1989.-142 с.

5. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы: Учеб. пособие для вузов по спец. «Автоматика и управление в техн. системах». М.: Высш. шк., 1989263 е.: ил.

6. Антонец В. А., Анишкина Н. М. Пьезоакселерометры ПАМТ // Виброакустические поля сложных объектов и их диагностика: Сб. науч. тр. / ИПФ АН СССР. Горький, 1989.-С. 191-203.

7. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Электрогидравлические и гидравлические вибрационные механизмы. — М.: Машиностроение, 1977. — 326 с.

8. Белая H.A., Петров И. Б. Массаж лечебный и оздоровительный. Практической пособие. М.: ИТФ «Т-Око», 1994, 272 с.

9. Биомеханика на зашите жизни и здоровья человека / Тиманин Е. М., Антонец В. А., Шишков А. В., Фадеева М. А. // Тезисы докладов 1-й Всерос. конф.-ярмарки.- Н. Новгород, 1992. Т. 2. - С. 238-239.

10. Биофизические характеристики тканей человека. Справочник / Березовский В.А., Колотилов Н.Н; Отв. ред. и авт. предисл. Костюк И.Г. Киев: Наук, думка, 1990.- 224 с.

11. Бирюков C.B., Гуляев Ю.В., Крылов В.В., Плесский В.П. Поверхностные акустические волны в неоднородных средах. // М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1991.-416 с.

12. Боришпольский Е.С. О лечении дрожанием и приборах, употребляемых при этом лечении // Терапевт, вестн. — 1891. — №1. С. 23 — 31.

13. Бреховских J1.M., Годин O.A. Акустика сплошных сред. М.: Наука., Гл. ред. физ-мат. лит., 1989. - 416 с.

14. Буевич Ю. А., Изаков В. Я., Ясников Г. П. Механическое поведение вязкоупругого пористого биологического материала. // Тез. докл. III Всесоюз. конф. по пробл. биомеханики. Рига, 1983.-Т. 1.-С.88-89.

15. Бурьян Ю.А., Капелюховский A.A. Диагностика вязко-упругих свойств мягких биологических тканей резонансным вибратором // Динамика систем, механизмов и машин: Материалы II Международной научно-технической конференции. -Омск: ОмГТУ, 1997.-С. 153

16. Бурьян Ю.А., Фадеев А.И., Капелюховский A.A. Комплексный метод оценки функционального состояния мышечной ткани / III Всероссийская конференция по биомеханике. Тезисы докладов. Том 1. Нижний Новгород, 1996. С. 93 - 94.

17. Васичкин В.И., Васичкина JI.H. Методики массажа М.: ЗАО Изд-во ЭКСМО-Пресс, 2000 - 384 с.

18. Васюков Г.В. Исследование упруго-вязких свойств скелетных мышц человека: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1967. - 18 с.

19. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Под ред. В. Н. Челомея. М.: Машиностроение, 1978 - 1981. - Т.5: Измерения и испытания / Под ред. Генкина М.Д. — 1981. - С. 314.

20. Вибрационная биомеханика. Использование вибрации в биологии и медицине / Фролов К.В., Миркин A.C., Машанский В.Ф. и др: М.; Наука, 1989. - 142 с.

21. Викторов И. А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М.; Наука, 1981.- 196 с.

22. Влияние различных факторов на упруго-вязкие свойства мышц и точность управления движениями / Талышев Ф.М., Васюков Г.В., Федина Т.И. и др. // Физиологические основы управления движениями. М., 1977. — С.130-147.

23. Генкин М.Д., Русаков A.M., Яблонский В.В. Электродинамические вибраторы. -М.; Машиностроение, 1975. 94 с. с ил.

24. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 288 е.: ил.

25. Дрейманис А. П. Структурные аспекты в механике скелетных мышц // Современные проблемы биомеханики. Рига, 1985. - Вып. 2 - С. 179-207.

26. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 528 с.

27. Дьяченко А.И., Любимов Г.А. Распространение звука в легочной паренхиме // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1988. - №5. - С. 3 - 15.

28. Зациорский В.М., Аруин A.C. Биомеханические свойства скелетных мышц (обзор: методы и результаты исследований) // Теория и практика физической культуры 1978. - №9. - С.21-35.

29. Исследование динамики поверхностных возмущений скелетных мышц человека / Кузнецов В.В., Синяков B.C., Кожевникова М.И., Орлова И.В., и др. // Медицинская биомеханика. Рига, 1986. - Т.1. - С.229-234.

30. Казаков В. В. Ультразвуковые фазовые измерители виброперемещений // Виброакустические поля сложных объектов и их диагностика: Сб. науч. тр. / ИПФ АН СССР, Горький, 1989. С. 178-190.

31. Казаков В. В., Клочков Б. Н. О низкочастотных механических свойствах мягкой ткани руки человека // Биофизика, 1989. Т. 34. - №4. - С. 688-692.

32. Казаков В.В., Клочков Б.Н. Измерение акусто-механических параметров мягких тканей человека // Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение: Материалы 9-й Всесоюз. конф. М., 1989. С. 73.

33. Казаков В.В., Клочков Б.Н. Нелинейные акустические свойства мягких биологических тканей в звуковом диапазоне частот // Проблемы нелинейной акустики. XI международный симпозиум по нелинейной акустики. -Новосибирск., 1987. ч.2. - С. 29-31.

34. Капелюховский A.A. Определение реологических характеристик мягкой биологической ткани электродинамическим вибратором // Динамика систем, механизмов и машин: Материалы III Международной научно-технической конференции. Омск: ОмГТУ, 1999. - С. 230-231.

35. Капелюховский A.A., Ситников Д.В. Диагностика мягкой биологической ткани электродинамическим вибратором // Прикладные задачи механики: Сб. научн. ст. -Омск, 1999.-С. 81-84.