Устройство для виброиспытаний изделий Советский патент 1986 года по МПК G01M7/00 

«

Изобретение относится к вибрационным испытаниям изделий, а именно к устройствам для формирования спектра случайной вибрации с автоматическим поддержанием заданной спектральной плотности ускорений.

Цель изобретения - повышение точности воспроизведения заданного спетра вибраций за счет анализа спектра неравномерности типа всплеск в спектре подавляемых частот вместо анализа спектра соответствующей неравномерности типа провал в спектре воспроизводимых вибраций.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройстваJ на фиг. 2а - спектр G (и)) сигнала на выходе генератора белого шума; на фиг.26 - спектр G, (и)) сигнала на выходах полосовых формирующих фильтров; на фиг. 2в - спектр G (oJ) сигнала на выходе мно- говходового сумматораJ на фиг. 2г - амплитудно-частотная характеристика тракта вибростенд-изделие; на фиг. 2д - спектр G (uJ) сигнала на выходе вибродатчика, на фиг. 2е - спектр G (uJ) сигнала подавляемых частот, на фиг. 3 - зависимости погрешности анализа (К,j) от уровня всплеска (провала) в спектре анализируемого сигнала и соотношения полос измеряемого узкополосного участка спектра и анализирующего фильтра .

Устройство содержит каналы формирования случайного сигнала, каждый из которых вьшолнен в виде последовательно соединенных генератора 1 белого шума, полосового фор- мир яощего фильтра 2 и регулируемого усилителя 3, последовательно соединенные многовходовый сумматор 4, подключенный к выходам регулируемых усилителей 3, усилитель 5 мощности и вибростенд 6, вибродатчик 7, уста- .навлив.аемый на столе вибростенда 6, подключенньй к выходу вибродатчика 7 многоканальньй анализатор спектра, калвдый из каналов которого выполнен в виде последовательно соединенных полосового анализирующего фильтра 8, измерителя 9 дисперсии, управляемого ключа 10 и блока 11 сравнения, второй вход которого преназначен для соединения с соответствующим выходом задатчика программы, а выход соединен с управляющим входом соответствующего регулируемо10

20

25

26103

го усилителя 3, и дополнительного блока 12 сравнения, первый вход которого соединен с выходом измерителя 9 дисперсии, а выход - с управля- J ющим входом управляемого ключа 10, последовательно соединенные дифференциальный усилитель 13, первый вход которого соединен с входом усилителя 5 мощности, а второй - с выходом вибродатчика 7, и дополнительный многоканальный анализатор спектра, каждый из каналов которого выполнен в . виде последовательно соединенных дополнительного полосового анализиру- J5 ющего фильтра 14, дополнительного измерителя 15 дисперсии и блока 16 вычитания, выход которого соединен с вторым входом соответствующего управляемого ключа 10, канального сумматора 17, первый вход которого соединен с вторым выходом соответствующего регулируемого усилителя 3, а выход - с вторым входом блока 16 вычитания, и аттенюатора 18, выход которого соединен с вторым входом канального сумматора 17, а вход - с первым входом канального сумматора 17 предыдущего канала , и измеритель 19 общей дисперсии, вход которого соединен с выходом вибродатчика 7, а выход - с соединенными между собой вторыми входами дополнительных блоков 12 сравнения.

Устройство работает следующим разом.

Случайные сигналы с раторов 1 белого шума, рых представлен на фиг ют на входы полосовых формирующих фильтров 2, где в результате частотной селекции осуществляется преобразование широкополосных входных случайных сигналов в N независимых узкополосных случайных сигналов (спектры представлены на фиг. 26), которые поступают на соответствующие входы регулируемых усилителей 3 и далее на-входы многовходового сумматора 4. В результате суммирования N независимых узкополосных случайных сигналов с весовыми коэффициентами, соответствующими значениям коэффициентов усиления регулируемых усилителей 3, на выходе многовходового сумматора 4 получается широкополосный случайньй сигнал (спектр представлен на фиг. 2в для случая равенства коэффициентов усиления всех регулируемых усилителей 3.) . С выхода многовхо30

35

обвыходов генеспектр кото. 2а, поступа40

45

50

5$

3

дового сумматора 4 широкополосный случайньй сигнал поступает через усилитель 5 мощности на вход вибростенда 6, механ1тческие колебания стла которого преобразуются вибродат- чиком 7 в э: 1ектрический сигнал, спектр которого (фиг. 2д) пропорционален квадрату амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) тракта вибростенд-изделие. На фиг. 2г представ- лен пример АЧХ тракта вибростенд - изделие с провалом на частоте iJ; и всплеском на частоте tJ . С выхода вибродатчика 7 широкополосный случайный сигнал, спектр которого пред ставлен на фиг. 2д, поступает на входы полосовых анализирующих фильтров 8, с выхода которых узкополосные случайные сигналы поступают на входы измерителей 9 дисперсии. С вы хода измерителей 9 дисперсий постоянные напряжения, величины которых пропорциональны значениям спектров узкополосных сигналов

00

го ....

;.U) -Jc CuJW; }

ucJ

где полоса пропускания i-ro

анализирующего фильтра;

M (aJ)- АЧХ i-ro анализирующего

фильтра 8,

поступают на первые входы дополнительных блоков 12 сравнения и на первые входы управляемых ключей 10. Одновременно широкополосный случай- ный сигнал поступает на вход измерителя 19 общей дисперсии, с выхода которого постоянное напряжение, пропорциональное спектру широкополое

ного случайного сигнала

)cluJ

G, --UQ

где Д$7 - рабочая полоса частот, поступает на вторые входы всех дополнительных блоков 12 сравнения.

При превьплении значения спектра с выхода полосового анализирующего фильтра 8 над спектором с выхода измерителя 19 общей дисперсии (фиг. 2д, G. Gjp ) на выходе дополнительного блока I2 сравнения будет сигнал единичного уровня, который поступает на управляющий вход уп- равляемого ключа 10 и разрешает прохождение сигнала с выхода измерителя 9 дисперсии на выход управляемо

5 10 15 20

л

25

30

5

0

0 5

10.34

го ключа 10 и далее на вход соответствующего блока 11 сравнения, на другой вход которого поступает сигнал, с соответствующего выхода задат- чика программы. При превьш1ении значения над спектром с выхода полосового анализирующего фильтра 8 (фиг. 2д, ) на выходе дополнительного блока 12 сравнения будет сигнал нулевого уровня и на выход управляемого ключа 10 поступает сигнал с выхода блока 16 вычитания, ко- торьй образуется следующим образом.

На первый и второй входы дифференциального усилителя 13 поступают сигналы соответственно с выхода вибродатчика 7 и с входа усилителя 5 мощности. Образующийся при этом на его выходе разностный сигнал, спектр которого представлен на фиг. 2е, называемый далее спектром подавляемых частот G (cj) и соответствующий разности спектров сигнала на входе усилителя 5 мощности и сигнала на выходе вибродатчика 7, поступает на входы дополнительных полосовых анализирующих фильтров 14 дополнительного многоканального анализатора. Характерным для спектра подавляемых частот G (cJ) является наличие всплесков в тех полосах частот, где в выходном спектре сигнала вибродатчика 7 были провалы и наоборот (фиг. 2д и 2е в полосах частот uuJ и ДиЗ ). С выхода дополнительных полосовых анализирующих фильтров 14 узкополос-, ные сигналы поступают на входы соответствующих дополнительных измерителей 15 дисперсии, на выходе KOTOPEJX образуются постоянные напряжения, пропорциональные значениям спектров в полосах дополнительных анализирующих фильтров 14. С выхода дополнительных измерителей 15 дисперсии сигналы поступают на. первые входы соответствующих блоков 16 вычитания, на вторые входы которых поступают сигналы с выходов канальных сумматоров 17, на первые входы которых поступают сигналы с дополнительных выходов соответствующих регулируемых усилителей 3, а на вторые входы поступают сигналы через аттенюаторы I8 с дополнительных выходов соответствующих соседних регулируемых усилителей 3. При этом коэффициенты передачи аттенюаторов 18 пропорциональны перекрытию квадратов АЧХ соседних формирующих фильтров 2, а величины сигналов на выходах канальных сумматоров 17 соответствуют значениям спектров в соответствующих формирующих поло- сак частот. В результате вычитания двух сигналов на выходах блоков 16 вычитания образуются сигналы, спектры которых соответствуют разности спектра на входе усилителя 5 мощное- ти и спектра подавляемых частот, т.е соответствуют спектру сигнала на выходе вибродатчика 7. Таким образом, на выходе i-ro управляемого ключа 10 присутствует сигнал, равный значению спектра провала, но измеренному через спектр всплеска подавляемых частот. С блоков 11 сравнения разностный сигнал поступает на управляющие входы соответствующих регулируемых усилителей 3.

Измерение уровня всплеска в спектре анализируемого сигнала точнее, чем измерение соответствующего уровня провала. Поэтому такая оценка спектра вибраций, получаемая на выходах управляемых ключей 10, будет выше.

Оценку повьппения точности можно произвести следующим образом.

Представим спектр на выходе вибродатчика 7 в виде

G (.4 -Кехр{ - I )L H(

где G, (uJ) - спектр на выходе уси- лителя 5 мощности (для простоты анализа, равномерен, т.е. ); К - параметр, характеризу- ющий уровень всплеска (провала)относительно среднего уровня G (cJ) (К. -1);

u- o - резонансная частота всплеска (провала).

При спектр на частоте о. имеет провал до нулевого уровня, при G (uJ)G (uJ) . Выражение в KB ад paTHbfx скобках представляет собой АЧХ тракта вибратор-изделие.

Тогда Gj, (uJ) - спектр подавляемых частот можно определить из выражения G,.)G, (J)-G, (u))

или Cr(uJ)-K - n-Ke«p|-ТТ f-J-uJ. Мп2

AuJ

)}1

Учитывая, что спектральный анализ ведется с помощью параллельного анализатора спектра, на выходе дополнительного полосового анализирующего фильтра имеем

Ga()G,.,(-))/4; (juJ) , где I Ц/ (j)ijJ)l - АЧХ дополнительного

U;

анализирующего фильтра,

() }.

где К - коэффициент усиления дополнительного полосового анализирующего фильтра; - частота настройки; AUL O полоса пропускания. Дисперсия процесса на выходе дополнительного полосового анализирующего фильтра

Гг f f f 1 D;.2jK-1-2Ke.p{--( }о

г г yuJ-uJ-i , г Г iT/LJ-yJ ) , -Kexf {-Tr(,.(

При К«. 1 после преобразования по ,2 1 v2u jJA (хЛ. I)..,--()AJ,-7k l/AJo.

(r F(aJ,-uJI,) 1 .,2uu- -AuJ« J-Ii(

}-i

acJ -SucJ , ди) 1 u4V u.j

Поделив D на полосу пропускания фильтра ucJ , получим измеренное значение усредненного спектра подавляемых частот

ь:,са)).(к:-7)-7к :.expf-

Li

i /

iTZUjVuuJ ;

exp

I irM-cJj l

U J +floj /

1ди1 -ь2Да)

50

55

Относительная погрешность оценки спектра

1-О

G,,()

где G ((JL)) - истиное значение спектра

.....к.(;| Н-(П-к

()-2K ...(-lT(c.-uJjM .,г 4uJ,,p; (cJ.-cJj

°N/uuJ + ДuJ -2ДcJ / V/AuJ - uu3 -

: - -41(

Введем обозначения

При

x-

(Kj-ij-fZKTT,

к

li-J Vi + j.

(к -я-гк-к фиг. 3 видно, что пбгрешность измерения провала в спектре () анализируемого сигнала не превьшает (3) 20 jo%, тад как при оценке спектра подавляемых частот происходит измерение не провала в спектре, который На фиг. 3 приведены зависимости имеет место в спектре сигнала-на погрешности SG от К при t , , .выходе вибродатчика 7, а всплеска . построенные по формуле (3). Из в спектре подавляемых частот.

фуг.

--,4 ( iPuz.2