СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СПЕКТРОВ СЛУЧАЙНОЙ ВИБРАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК G01M7/00 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам формирования спектров случайной вибрации, и может быть использовано в машиностроении.

Известен способ формирования спектра случайных вибраций (а.с. СССР N 862018, кл. G 01 М 7/00, 1981, бюл. N 33), по которому формируют узкополосные случайные сигналы, задают значения дисперсии в каждой полосе частот, регулируют уровень дисперсии в каждой полосе частот и корректируют отрегулированные по дисперсии сигналы в соответствии с частотной характеристикой вибровозбудителя.

Известный способ позволяет формировать заданную спектральную плотность в узких полосах частот, однако способ не обеспечивает создания требуемого спектра вибрации в контрольных точках изделия с помощью одного вибровозбудителя.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ формирования спектра случайных вибраций (а.с. СССР N 1249363, кл. G 01 М 7/00, 1986, бюл. N 29), заключающийся в том, что измеряют АЧХ частотно-зависимых элементов формирователей узкополосных случайных сигналов и вибротрактов в контрольных точках изделия и по заданным спектральной плотности ускорений и измеренным параметрам определяют коэффициенты усиления формирователей узкополосных случайных сигналов.

Способ позволяет сформировать в контрольных точках изделия вибрацию с требуемыми значениями спектральных плотностей ускорений, однако не дает возможности минимизировать значения взаимных спектральных плотностей ускорений в этих точках, что является необходимым в задачах виброиспытаний при формировании с помощью одного вибровозбудителя слабо коррелированных колебаний в различных точках изделия.

Решаемой технической задачей является повышение качества формирования спектра случайных вибраций изделия за счет формирования случайной вибрации с минимальными значениями взаимных спектральных плотностей ускорений в различных контрольных точках изделия.

Решение технической задачи в способе формирования спектров случайной вибрации, заключающемся в том, что в каждой полосе частот рабочего диапазона формируют случайные узкополосные сигналы, в каждой полосе частот рабочего диапазона задают значения собственных спектральных плотностей ускорений в контрольных точках изделия, создают вибрации изделия в полосах частот рабочего диапазона, в каждой узкой полосе частот измеряют значения собственных спектральных плотностей ускорений в контрольных точках изделия, в каждой узкой полосе частот определяют значения квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках изделия и определяют значения коэффициентов усиления усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов, достигают тем, что в каждой узкой полосе частот определяют значения всех вычисленных попарно произведений модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках изделия, определение значений коэффициентов усиления усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов осуществляют по заданным в каждой полосе частот рабочего диапазона значениям собственных спектральных плотностей ускорений, по полученным в каждой узкой полосе частот значениям квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках изделия и всех вычисленных попарно произведений модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках изделия, а также при условии, что в каждой полосе частот рабочего диапазона модули взаимных спектральных плотностей ускорений в различных контрольных точках изделия достигают минимальных значений.

Предлагаемое техническое решение удовлетворяет критериям "новизна" и "изобретательский уровень", так как предложенные отличительные признаки позволяют повысить качество формирования спектров случайной вибрации.

Термины "собственная спектральная плотность" и "спектральная плотность" являются общепринятыми и рассматриваются как эквивалентные. Однако для того чтобы избежать неоднозначного толкования терминов "спектральная плотность" и "взаимная спектральная плотность", в данной заявке вместо наиболее распространенного термина "спектральная плотность" применяется термин "собственная спектральная плотность" (см. , например, Вибрации в технике: Справочник. В шести томах/Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.). -М.: Машиностроение, 1981. - T. 5; Измерения и испытания/Под ред. М.Д. Генкина, 1981, с. 325).

Сущность способа заключается в следующем.

Каждую из М полос частот рабочего диапазона разбивают на R полос, R = (N(N+1)/2, где N - число контрольных точек.

Для возбуждения в изделии случайной вибрации в полосах частот рабочего диапазона формируют случайный сигнал. Этот сигнал представляет собой сумму случайных узкополосных сигналов, которые формируют в узких полосах частот, полученных в результате разбиения полос частот рабочего диапазона. Дисперсии случайных узкополосных сигналов регулируют с помощью усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов. Значения коэффициентов усиления усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов определяют исходя из заданных в контрольных точках изделия значений собственных спектральных плотностей в полосах частот рабочего диапазона, измеренных в этих точках в каждой узкой полосе частот значений квадратов модулей передаточных функций вибротрактов и всех вычисленных попарно произведений модулей передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках, при условии, что в каждой полосе частот рабочего диапазона модули взаимных спектральных плотностей ускорений в различных контрольных точках изделия достигают минимальных значений. Система уравнений, связывающая эти значения, и указанное условие, записанные совместно, имеют вид:

где G_mn - значение собственной спектральной плотности ускорения в n-й контрольной точке в m-й полосе частот рабочего диапазона;


целые положительные числа;
ω_m - среднее значение m-й полосы частот рабочего диапазона;
Δω_m - ширина m-й полосы частот рабочего диапазона;
K_rmn - значение комплексного передаточного коэффициента вибротракта в n - контрольной точке в rm-й полосе;

где

ω_rm - среднее значение rm-й полосы частот;
Δω_rm - ширина rm-й полосы частот;
A_rm - значение коэффициента усиления rm-то усилителя формирователя случайных узкополосных сигналов;
G_0m - значение спектральной плотности случайного сигнала в m-й полосе частот рабочего диапазона, действующего на входе формирователя случайных узкополосных сигналов;

Значение квадрата модуля комплексной передаточной функции вибротракта в n-й контрольной точке в rm-й полосе частот определяют по формуле:
(3)
где G_rmn - спектральная плотность ускорения в n-й контрольной точке, измеренная в rm-й полосе частот;

Произведение модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в n-й и ν-й контрольных точках в rm-й полосе частот определяют по формуле
(4)
Выполнение условия (2) гарантирует обеспечение в каждой полосе частот рабочего диапазона минимальных значений модулей взаимных спектральных плотностей ускорений в различных контрольных точках изделия. Это следует из известного соотношения

где G_mnν - значение собственной (при n= ν или взаимной (при n ≠ ν ) спектральной плотности ускорений в n-й и ν-й контрольных точках в m-й полосе частот рабочего диапазона;

(cм. , например, Дж. Бендат, А. Пирсол. Применение корреляционного и спектрального анализа. - М.: Мир, 1983, с. 65-66).

Обеспечение минимальных значений модулей взаимных спектральных плотностей в соответствии с условием (2) не требует определения комплексных передаточных функций вибротрактов, что позволяет упростить осуществление способа.

Таким образом, для определения значений коэффициентов усиления A_rm усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов предварительно задают значения коэффициентов усиления A_rm усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов, например, равными 1, в контрольных точках изделия в каждой rm-й полосе частот измеряют значения собственных спектральных плотностей ускорений G_rmn, по которым в каждой rm-й полосе частот с помощью формул (3) и (4) определяют значения квадратов модулей квадратов модулей передаточных функций вибротрактов в контрольных точках изделия и все вычисленные попарно произведения модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках Затем по заданным значениям собственных спектральных плотностей ускорений G_rmn и полученным значениям решают систему уравнений (1) при одновременном обеспечении условия (2) и получают значения коэффициентов усиления усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов, позволяющие сформировать в изделии случайную вибрацию, при которой значения собственных спектральных плотностей ускорений в контрольных точках соответствуют заданным, а колебания в различных контрольных точках являются слабо коррелированными.

Способ может быть осуществлен с помощью устройства, представленного на чертеже. Устройство содержит генератор 1 случайных широкополосных сигналов, формирователь случайных узкополосных сигналов 2, который предназначен для формирования в каждой из М полос рабочего диапазона частот N² случайных узкополосных сигналов. Формирователь случайных узкополосных сигналов 2 содержит MN(N+1)/2 каналов, каждый из которых образован последовательно включенными полосовым фильтром 3 и усилителем 4. Входы полосовых фильтров 3 подключены к выходу генератора 1 случайных широкополосных сигналов и являются входом формирователя случайных узкополосных сигналов 2. Выходы фильтров 3 подключены к входам усилителей 4, выходы которых подключены к входам сумматора 5. Выход сумматора 5 является выходом формирователя случайных узкополосных сигналов 2. Выход сумматора 4 соединен с входом усилителя 6 мощности, выход которого подключен к входу вибровозбудителя 7, который служит для формирования случайной вибрации изделия 8. В контрольных точках изделия 8 установлены вибродатчики 9, которые подключены к коммутатору 10 и служат для преобразования механических колебаний в электрические сигналы. Коммутатор 10 служит для поочередного подключения вибродатчиков к входу АЦП 11, выходы которого подключены к входам блока 12 памяти, выходы которого подключены к микроконтроллеру 13, с помощью которого осуществляется определение значений коэффициентов усиления усилителей 4. Задатчик 14 служит для ввода требуемых значений собственных спектральных плотностей ускорений в микроконтроллер 13. Генератор 15 тактовых импульсов служит для синхронизации работы коммутатора 10, АЦП 11, блока 12 памяти и микроконтроллера 13. Выходы, микроконтроллера 13 соединены с управляющими входами усилителей 4 формирователя случайных узкополосных сигналов 2.

Рассмотрим осуществление способа с помощью устройства, представленного на чертеже.

Микроконтроллер 13 приводит устройство в режим "Определение частотных характеристик вибротрактов". Для этого сигналы с выходов микроконтроллера 13 поступают на управляющие входы усилителей 4 и устанавливают значения их коэффициентов усиления A_rm равными, например, 1. Одновременно генератор 1 вырабатывает случайный сигнал со спектральной плотностью G_0m в каждой полосе частот рабочего диапазона, который поступает на входы полосовых фильтров 3 формирователя случайных узкополосных сигналов 2. Каждый rm-й полосовой фильтр 3 настроен на частоту ω_rm и имеет полосу пропускания Δω_rm. С выходов полосовых фильтров 3 случайные узкополосные сигналы поступают на входы усилителей 4. Сигналы с выхода усилителей 4 поступают на входы сумматора 5. На выходе сумматора 5 действует случайный сигнал в полосах частот рабочего диапазона, представляющий собой сумму случайных узкополосных сигналов, который затем усиливается усилителем 6 мощности, сигнал с выхода которого поступает на вход вибровозбудителя 7 с закрепленным на его платформе изделием 8. Вибровозбудитель 7 формирует в изделии 8 случайную вибрацию в полосах частот рабочего диапазона. Вибродатчики 9 формируют электрические сигналы, пропорциональные мгновенным значениям ускорений в контрольных точках изделия. Сигналы вибродатчиков 9 поступают на входы коммутатора 10, который по сигналам, вырабатываемым генератором 15 тактовых импульсов, поочередно подключает их к входам АЦП 11. Цифровой код, соответствующий мгновенным значениям ускорений в контрольных точках изделия, поступает в блок 12 памяти. Микроконтроллер 13 считывает из блока 12 памяти накопленные в нем данные измерений, определяет по ним значения собственных спектральных плотностей ускорений G_rmn в каждой узкой полосе частот, по которым с помощью формул (3), (4) в каждой узкой полосе частот определяет значения квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках изделия а также значения всех вычисленных попарно произведений модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках Микроконтроллер 13 заносит эти значения в блок 12 памяти. (Вычисление значений собственных и взаимных спектральных плотностей в полосах частот осуществляется известными способами. См. , например, Дж. Бендат, А. Пирсол. Применение корреляционного и спектрального анализа. - М.: Мир, 1983, с. 81-87.)
Затем микроконтроллер 13 приводит устройство в режим "Определение значений коэффициентов усиления усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов". Микроконтроллер 13 считывает с выходов задатчика 14 заданные в контрольных точках изделия значения собственных спектральных плотностей ускорений G_mn в каждой полосе частот рабочего диапазона. (Задатчик 14 может быть реализован на базе известных устройств ввода данных.) Микроконтроллер 13 считывает из блока 12 памяти значения квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках изделия а также значения всех вычисленных попарно произведений модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках которые были получены и записаны в блок 12 памяти в результате функционирования устройства в режиме "Определение частотных характеристик вибротрактов". Затем микроконтроллер 13 по заданным в контрольных точках изделия значениям собственных спектральных плотностей ускорений G_mn в каждой полосе частот рабочего диапазона и полученным значениям в каждой узкой полосе частот квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках изделия значений всех вычисленных попарно произведений модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках решает систему уравнений (1) при условии обеспечения в каждой полосе частот рабочего диапазона минимальных значений модулей взаимных спектральных плотностей ускорений в различных контрольных точках (2) и определяет значения коэффициентов усиления A_rm усилителей 4 формирователя случайных узкополосных сигналов 2. Сигналы с выходов микроконтроллера 13, соответствующие полученным значениям коэффициентов усиления A_rm, поступают на управляющие входы усилителей 4 формирователя случайных узкополосных сигналов 2. (Решение системы уравнений при обеспечении условия, ограничивающего область допустимых значений решений, в микроконтроллере 13 осуществляется известными способами. См., например, Н.С. Бахвалов. Численные методы. - М.: Наука, 1973, c. 405-440.)
Способ позволяет формировать спектры случайной вибрации изделия, при которых механические колебания в различных точках изделия являются слабо коррелированными, что обеспечивает более высокое, по сравнению с прототипом, качество формирования спектров случайной вибрации и открывает новые возможности при проведении виброиспытаний изделий с помощью одного вибровозбудителя.

Изобретение предназначено для использования в машиностроении. Техническим результатом является повышение качества формирования спектров. В каждой полосе частот рабочего диапазона формируют случайные узкополосные сигналы. Задают значения собственных спектральных плотностей ускорений в контрольных точках изделия. Создают вибрации изделия в полосах частот рабочего диапазона. В каждой узкой полосе частот измеряют значения собственных спектральных плотностей ускорений в контрольных точках изделия. Определяют значения квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках изделия. В каждой узкой полосе частот определяют значения всех вычисленных попарно произведений модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках изделия. Определение значений коэффициентов усиления усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов осуществляют по заданным в каждой полосе частот рабочего диапазона значениям собственных спектральных плотностей ускорений, по полученным в каждой узкой полосе частот значениям квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках изделия и всех вычисленных попарно произведений модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках изделия, а также при условии, что в каждой полосе частот рабочего диапазона модули взаимных спектральных плотностей ускорений в различных контрольных точках изделия достигают минимальных значений. 1 ил.

Способ формирования спектров случайной вибрации, заключающийся в том, что в каждой полосе частот рабочего диапазона формируют случайные узкополосные сигналы, в каждой полосе частот рабочего диапазона задают значения собственных спектральных плотностей ускорений в контрольных точках изделия, создают вибрации изделия в полосах частот рабочего диапазона, в каждой узкой полосе частот измеряют значения собственных спектральных плотностей ускорений в контрольных точках изделия, в каждой узкой полосе частот определяют значения квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках изделия и определяют значения коэффициентов усиления усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов, отличающийся тем, что в каждой узкой полосе частот определяют значения всех вычисленных попарно произведений модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках изделий, определение значений коэффициентов усиления усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов осуществляют по заданным в каждой полосе частот рабочего диапазона значениям собственных спектральных плотностей ускорений, по полученным в каждой узкой полосе частот значениям квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках изделия и всех вычисленных попарно произведений модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в различных
контрольных точках изделия, а также при условии, что в каждой полосе частот рабочего диапазона модули взаимных спектральных плотностей ускорений в различных контрольных точках изделия достигают минимальных значений.