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, регулируют уровень дисперсии в каждой полосе 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 создание 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 вычисляют по заданным значениям спектральной плотности ускорений и измеренным параметрам определяют значения коэффициентов усиления формирователей узкополосных случайных сигналов.

Указанный способ основан на модели вибрации, учитывающей лишь собственные спектральные плотности ускорений в контрольных точках изделия. Однако наиболее полное описание вибрации изделия дает модель, которая учитывает собственные и взаимные спектральные плотности ускорений и благодаря этому позволяет получить важную информацию о взаимной корреляции случайных колебаний в различных точках изделия. В связи с этим известный способ позволяет формировать требуемые значения собственных спектральных плотностей ускорений в контрольных точках изделия, однако не позволяет обеспечить требуемые значения взаимных спектральных плотностей ускорений в этих точках, что ограничивает качество формирования спектров случайной вибрации при виброиспытаниях изделия.

Решаемой технической задачей является повышение качества формирования спектров случайной вибрации изделия за счет обеспечения требуемых значений взаимных спектральных плотностей ускорений в 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 полосе частот рабочего диапазона задают значения взаимных спектральных плотностей ускорений в различных контрольных точках изделия, в каждой узкой полосе частот измеряют значения взаимных спектральных плотностей ускорений в различных контрольных точках изделия, по измеренным значениям взаимных спектральных плотностей ускорений определяют в каждой узкой полосе частот значения всех вычисленных попарно произведений комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках изделия на функции, являющиеся комплексно сопряженными к ним, определение коэффициентов усиления усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов осуществляют по заданным значениям собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений и полученным значениям квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках изделия, а также значениям всех вычисленных попарно произведений комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках изделия на функции, являющиеся комплексно сопряженными к ним.

Предлагаемое техническое решение удовлетворяет критериям "новизны" и "изобретательского уровня", 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 6-ти т./ Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.) -М.: Машиностроение, 1981 - Т. 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), причем каждую из них разбивают на Q полос частот (Q= N), где N - число контрольных точек. Таким образом, общее число узких полос частот, на которые разбивают каждую полосу частот рабочего диапазона частот, равно N².

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 и взаимных спектральных плотностей в полосах частот рабочего диапазона, а также измеренных в этих точках в каждой узкой полосе частот значений частотных характеристик вибротрактов, которые связаны между собой системой уравнений:

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;

где

положительные целые числа;
ω_m - среднее значение частоты m-й полосы рабочего диапазона;
Δω_m - ширина m-й полосы частот рабочего диапазона;
A_rqm - значение коэффициента усиления rqm-го 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 и предназначенного для формирования из него случайных узкополосных сигналов;

К_rqmn - значение комплексной передаточной функции вибротракта в n-й контрольной точке в rqm-й полосе частот;
^*- знак комплексной сопряженности.

Произведения K*r

_qmnK_rqmν определяют по формуле:


где

ω_rqm - среднее значение частоты rqm-й полосы частот;
Δω_rqm - ширина rqm-й полосы частот;
значение собственной (при n = ν) или взаимной (при ) спектральной плотности ускорений в n-й и ν-й контрольных точках в rqm-й полосе частот;

При n = ν произведения K*r_qmnK_rqmν дают квадраты модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках:

Таким образом, при формировании в изделии спектров случайной вибрации для обеспечения в каждой m-й полосе частот рабочего диапазона требуемых значений собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений в контрольных точках G_mnν задают значения коэффициентов усиления A_rqm усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов, например, равными 1, в контрольных точках в каждой rqm-й полосе частот измеряют значения собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений по формулам (2а) и (2) определяют значения квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках и значения вычисленных попарно произведений в различных контрольных точках соответственно, а затем решают систему уравнений (1) и находят искомые значения коэффициентов усиления A_rqm усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов.

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 частот рабочего диапазона N² случайных узкополосных сигналов. Формирователь случайных узкополосных сигналов 2 содержит MN² 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 и взаимных 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 фиг. 1.

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_rqm, 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 rqm-й полосовой фильтр 3 настроен на частоту ω_rqm и имеет полосу пропускания Δω_rqm. 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 8. 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 8, поступает в блок 12 памяти. Микроконтроллер 13 считывает из блока 12 памяти накопленные в нем данные измерений, определяет по ним значения собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений в контрольных точках в каждой узкой полосе частот, по которым с помощью формул (2а) и (2) в каждой узкой полосе частот определяет значения квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках и значения всех вычисленных попарно произведений комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках на функции, являющиеся комплексно сопряженными к ним, Κ*r

_qmnK_rqmν. Микроконтроллер 13 заносит эти значения в блок 12 памяти. (Вычисление значений собственных и взаимных спектральных плотностей в заданных 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 узкополосных случайных сигналов". Микроконтроллер 13 считывает с выходов задатчика 14 заданные в контрольных точках изделия значения собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений G_mnν 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 значения в каждой узкой полосе частот всех вычисленных попарно произведений комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках на функции, являющиеся комплексно сопряженными к ним, K*r

_qmnK_rqmν, 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 и взаимных спектральных плотностей ускорений G_mnν в каждой полосе частот рабочего диапазона и полученным в каждой узкой полосе частот значениям квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках и значениям всех вычисленных попарно произведений комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках на функции, являющиеся комплексно сопряженными к ним, Κ*r_qmnK_rqmν, решает систему уравнений (1) и определяет значения коэффициентов усиления A_rqm усилителей 4 формирователя случайных узкополосных сигналов 2. Сигналы с выходов микроконтроллера 13, соответствующие полученным значениям коэффициентов усиления A_rqm, поступают на управляющие входы усилителей 4 формирователя случайных узкополосных сигналов 2. (Решение системы уравнений в микроконтроллере 13 осуществляется известными способами. См. например, Н.С. Бахвалов. Численные методы. - М.: Наука, 1973, c. 323-400).

Способ позволяет формировать в изделии спектры случайной вибрации с требуемыми значениями собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений в контрольных точках, что обеспечивает более высокое, по сравнению с прототипом, качество формирования спектров случайной вибрации и открывает новые возможности для имитации эксплуатационной вибрации при виброиспытаниях изделий с помощью одного вибровозбудителя.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано 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 полосе частот рабочего диапазона задают значения взаимных спектральных плотностей ускорений в различных контрольных точках изделия. В каждой узкой полосе частот измеряют значения взаимных спектральных плотностей ускорений в различных контрольных точках изделия. По измеренным значениям взаимных спектральных плотностей ускорения определяют в каждой узкой полосе частот значения всех вычисленных попарно произведений комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках изделия на функции, являющиеся комплексно сопряженными к ним. Определение коэффициентов усиления усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов осуществляют по заданным значениям собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений и полученным значениям квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках изделия, а также значениям всех вычисленных попарно произведений комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках изделия на функции, являющиеся комплексно сопряженными к ним. 1 ил.

Способ формирования спектров случайной вибрации, заключающийся в том, что в каждой полосе частот рабочего диапазона формируют случайные узкополосные сигналы, в каждой полосе часто 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 полосе частот рабочего диапазона задают значения взаимных спектральных плотностей ускорений в различных контрольных точках изделия, в каждой узкой полосе частот измеряют значения взаимных спектральных плотностей ускорений в различных контрольных точках изделия, по измеренным значениям взаимных спектральных плотностей ускорений определяют в каждой узкой полосе частот значения всех вычисленных попарно произведений комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках изделия на функции, являющиеся комплексно сопряженными к ним, определение коэффициентов усиления усилителей формирователя случайных узкополосных сигналов осуществляют по заданным значениям собственных и взаимных спектральных плотностей ускорений и полученным значениям квадратов модулей комплексных передаточных функций вибротрактов в контрольных точках изделия, а также значениям всех вычисленных попарно произведений комплексных передаточных функций вибротрактов в различных контрольных точках изделия на функции, являющиеся комплексно сопряженными к ним.