Способ определения динамической характеристики объекта и установка для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01M7/00 

Изобретение относится -к испытательной технике, в частности к испытаниям на воздействие одиночного удара, а именно к способам и устройствам для определения динамических характеристик объектов. ; .

Известен способ определения динамической характеристики объек-га при испытаниях на удар, заключакхдайся в том, что на объект воздействуют одиночным ударным импульсом в виде сЛ-функции или одиночного скачка, регистрируют отклик объекта и определяют динамическую характеристику объекта, например, в виде комплексного коэффициента передачи

W(juj) K(uj).

Указанная характеристика однозначно функционально связывает внешние воздействия и выходную реакцию объекта 1 3.

Однако при этом подразумевается, что внешнее воздействие является либо гармоническим, либо иным периодичес.КИМ процессом. Если же входные воздействия не являются периодическими, то неизбежна погрешность в определении динамических характеристик, которая зависит от степени отклонения

входного воздействия от единичного скачка или импульсной функции Дирака.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения динамической ха- ; рактеристики объекта, заключающий-, ся в том,, что на объект воздействуют одиночным ударным импульсом, регистрируют и анализируют импульс откли10ка объекта, а затем аналитически вычислит характеристику ударного спектра, пользуясь соотношением S(f ) 2 J7 f |F(f )| , где S(f)-ударный спектр, lF( f)l - модуль спектра Фурье.

15 Способ определения динамической характеристики объекта может быть осуществлен как аналоговой, так и цифровой установкой.

Установка для определения динами20ческой характеристики объекта в аналоговой форме, содержит устройство для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту, устанавливаемый на исследуемом объек-.

25 те датчик ускорения, выход которого соединен через согласукяаее устройство с анализа ором спектра, содержа- ; щим устройство.дпя среза верхних частот , Ттредставляюшее собой один

30 нижних частот,.- блок полосовых фильтров, блок амплитудных детекторов,-й устройство отображения, ко входам которого подключены выходы блока амплитудных детекторов. Эта установка обеспечивает сопоставление аналитически рассчитанного ударного сПект ра с суммарным спектром сигнала отклика 2 D.

Недостатком известных способа определения динамической характеристик объекта и установки для его осуществления являются необходимость воздействия На объект ударным импульсом строго нормированной фор.мы, а также необходимость аналитического,либо графоаналитического (по номограмме ; вычисления ударного спектра. Кроме того, в установке невозможно аппаратурное определение ударного спектра.

Цель изобретения - аппаратурное определение ударного спектра объекта при нагружении импульсом произвольной формы.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу на объект воздействуют одиночным ударным им. пульсом, регистрируют и анализируют импульс отклика объекта, а анализ импульса отклика производят многократно, причем в каждом последующем k цикле анализа одновременно из- . меняют верхнюю граничную частоту импульса отклика и ширину полосы пропускания фильтров анализатора так, чтобы выполнялось соотношение , где m целое положительное число, не равное 1, и измеряют пиковые значения амплитуд на резонансных частотах фильтров, по которым определяют ударный спектр..

Для достижения этой цели в установке для определения динамической характеристики объекта, содержащей ,. устройство для приложенная одиночного ударного импульса к исследуемому объекту, устанавливаемый на исследуе мом объекте датчик ускорения, выход которого соединен через согласующее устройство с анализатором спектр содержащим устройство для.среза верхних частот, блок полосовых фильтров и блок .амплитудных детекторов, и устройство отображения, к входам которого подключены выходы блока амплитудных детекторов, устройство для среза верхних частот выполнено в виде блока параллельно соединенных k фильтров нижних частот, блок полосовых фильтров выполнен в виде матрицы , в каждой строке которой содержится m параллельно соединенных полосовых фильтров, а в каждом столбцек параллельно -соединенных полосовых фильтров, причем каждая строка матрицы полосовых фильтров подключена к выходу соответствующего фильтра нижних частот, каждьтй столбец матрицы

полосовых фильтров подсоединен к входу блока амплитудных детекторов, а полоса пропускания Af каждого из m полосовых фильтров и верхняя граничная частота Р :аждого из k фильтров нижних частот выбраны из соотнсниения

Af Ji.Hrnqg, mi m - целое положительное число,

не равное 1.

На фиг. 1 показана блок-схема прелагаемой установки для определения динамической характеристики объекта; на фиг. 2 - изменение характера спектра импульса для различных сботно щений времени Т регистрации одиноч ного импульса длительностью t (а - лиНИИ спектра Ak(uj) с дискретностью

5 за время регистрации Т б - линии спектра Ak(iio) с дискретностью 52 за время регистрации Т 2у; Ь - линии спектра Ak («))

2

с дискретностью

за время

и ля,

т

регистрации Т V - линии спектра Ak(w) с дискретностью

7/i

5 -- за время регистрации .

Установка для осуществления способа определения динамической характеристики объекта содержит устрой.ство 1 для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту 2, на котором устанавливают датчик 3 ускорения, выход которого соединен через согласующее устройство 4 с анализатором спектра, состоящим из устройства 5 среза верхних частот, блока 6 полосовых фильтров , блока 7 амплитудных детекторов и устройства 8 отображения.

Устройство 5 среза верхних частот выполнено в виде блока параллельно соединенных фильтров нижних частот, имеющего . k входов и k выходов. Блок б полосовых фильтров выполнен в виде матриць. Каждая из k стро1 матрицы, содержащая m параллельно соединенных полосовых фильтров, подключена к соответствующему k выходу устройства 5 среза верхних частот. Каждый из m Столбцов матрицы, содержащий k параллельно соединенных полосовых фильтров, подсоединен к соответствующим k входам блока 7 амплитудных детекторов. Верхняя граничная частота K|j каждого из k фильтров нижних частот устройства 5 среза верхних частот связана с полосой пропускания dfni1 каждого из m полосовых фильтров , составляющих k-ю строку матрицы блока 6 полосовых

. F

фильтров, соотнсзшением г

тпК

где m- целое положител-ьное число, не равное 1. )с выходов блока 7 амплитудных детекторов подключены соответственно к k входам устройства 8 отображения,

Предлагаемый способ основан на следующем.

Импульс одиночного удара, наприме прямоугольной формы, длительностью С за время Т регистрации реакции объекта на ударный импульс, имеет решетчатую, с дискретностью спектра спектральную характеристику (фиг. 2а ), которая затухает лишь при бесконечно больших величинах аргумента u) k57, где Л-основная частота Из спектрограммы (фиг. 2а) следует, что изменение времени Т регистрации импульса длительностью Т приводит к изменению скважности и к изменению плотности дискретных сос. тавляющих. Однако форма огибаклцей дискретного спектра остается неизменной . При достаточно большой плотности этих линий, когда между узлами размещается по крайней мере несколько гармонических составляющих, что спр ведливо при , ширину спектра 4u можно считать такой же, как и для одиночного импульса. . Если Т изменяется (фиг. 26, .В), приближаясь к t , то спектры Фурье анализа окажутся различными по ширине. В предельном случае при 1 1 (фиг. 2 ) в спектре остается одна линия на частоте ш О, остальные же линий спектра окажутся в узлах с амплитудами, равныкщ нулю. Очевидно, что если ширину пОлоси частот 4f резонаторов объекта считать расстоянием между линиями дискретного спектра, что вытекает из физической модели объекта как совокупности резонаторов, то при возбуждении объекта одиночным ударным импульсом,пиковые значения амплитуд откликов резонаторов могут быть определены путем многократного анализа зарегистрированного за интервал наблюдения импульса, если его скважность изменяется любым произволь ным образом. Таким образом,для определения уда ного спектра аналоговым путем нёобходимо выполнить следующие операции возбудить исследуемый объект одиночным ударным импульсом, произвольной формы длительностью г многократно анализировать отклик объекта так, чтобы в каждом последующем цикле ана лиза одновременно изменялись ишрина лffn пoлocы пропускания фильтров анализатора и верхняя граничная частота

km«x импульса отклика, так, чтобы выполнялось соотношение

FlcrTK.,lc , ..

измерить пиковые значения амплитуд сигналов, определяющие ударный спектр, на резонансных частотс1Х фильтров.

Для определения ударного спектра цифровым путем на осйове быстрого преобразования Фурье (БПФ; разрешающая способность по частоте uf может быть выражена так ««: f dwi/vH где N 2 const , . m 1, 2,3 , . ,. , М - объем буфера БПФ Л4не«лизо1 частота дискре- тизации при. анализе импульса. В то же время дискретность резонаоров объекта и спектра импульса вы27Гражаются Таким образом для того, чтобы разешающая способность анализатора совпадала с разрешающей способностью, езона горов, необходимо, чтобы выполнялось условие анс51лиза резонат рткуда следует,что . T 2JrN-4t, анализа . ожалиус Таким образом, при необходимости изменения скважности путем изменения Тд ддиза достаточно, чтобы AtaHoiAn}a varia. Если dt(jK{|Auia. eC Д поиема где ot 2, k 1,2..., что следует из принятой дискретной модели, то Танал и 3 «г 2 Jot N д t при е « Таким образом, если изменяется на каждом цикле анализа, зарегистрированного за Т период наблюдения импульса длительностью tr, то это приведет к изменению скважности, что, в свою очередь, вызовет изменение, разрешающей способности резонаторов, однако при N const все дискретные спектры значимы, так как . их разрешающая способность совпгщает с разрешающей способностью анализатора. При этом необходимо, чтобы выпол-. нялось условие теоремы Котельникова анализе,-2,. 1 -1 откуда ,F icmax l.,, Таким образом, иа каждом цикле анализа при k 1,2... ,ii,. -- г;г 5 J приеме 2F 2 что означает, что верхняя граничная частота спектра импульса должна уменьшаться пропорционально 2, а ширина полосы пропускания фильтров анализатора как --..flc-r m -. N-2 приеме где N 2™- const; m k 1,2,3,...,n. Таким образом. nx.x. lТаким образом, если при анализе импульса, длительностью .tr , зарегистрированного на интервале наблюдения Т с частотой дискретизации /atnp,eMc(f одновременно изменять частоту дискретизации 4Ц5 „д1„оИ верхнюю граничную частоту 5.™ vCneKTpa анали MiCl зируемого импульса в соответствии с указанным условием, то при неизмен ном числе анализаторов получают дис ретные спектры резонаторов объекта, пиковые значения которых, отнесенны к их собственным частотам, образуют ударный спектр. Способ осуществляется следующим образом,.. В момент соударения устройства 1 для приложения одиночного ударногоимпульса с исследуемым объектом 2 ударное воздействие преобразуется датчиком 3 ускорения в импульсный электрический сигнал, который через согласующее устройство 4 поступает на k параллельных входов устройства 5 среза верхних частот. С k выходов устройства 5 среза верхних частот на k входов блока б полосовых фильтров поступают сигналы ширина спектров которых ограничена верхней граничной частотой Р/, фильтров нижних частот. Каждый из полосовых фильтров мат рицы блока б выделяет из поступивше го сигнала текущее значение амплитуд дискретных спектров сигналов. Парал лельное соединение фильтров нижних частот и полосовых фильтров позволяет осуществлять многократный анализ отклика, объекта так, что одновременно в казкдой параллельной цепи анализатора спектра, состоящей из фильтра нижних частот и одной строки матрицы блока б полосовых фильтров, выполня2 -r4f it. ется соотнсяиение В результате на к входов блока 7 амплитудных детекторов с k выходов .блока б полосовых фильтров поступают сигналы, пропорциональные значениям дискретных амплитуд спектра отклика сдвинутые во времени, поскольку постоянные времени фильтров нижних частот устройства 5 среза верхних частот и блока б полосовых фильтров различны. Вследствие различия постоянных времени фильтров нижних частот и полосовых фильров.в анализаторе осущес вляется функция кратковременного запоминания сигнала отклика. В-каждом из k каналов блока 7 амплитудных детекторов выделяются, пиковые значения амплитуд дискретных спектров, совокупность которых представляет собою ударный спектр. С k выходов бЛрка 7 амплитудных детекторов сигналы, пропорциональные ударному спектру, поступают на входы устройства 8 отображения, где осуцествдяется их регистрация. Использование предлагаемых способа и установки для его осуществления позволит получать действительные ударные спектры объектов в процессе их испытаний, что сократит время иСйытаний, повысит коэффициент использования испытательного оборудования. Формула изобретения 1.Способ определения динамической характеристики объекта, заключающийся в том, что на объект воздействуют одиночным, удйрным импульсом, регистрируют и анализируют импульс отклика объекта, отличающийся тем, что, с цельюаппаратурного определения ударного спектра объекта при нагружении импульсом произвольной формы, анализ импульса отклика производят многократно, причем в каждом последующем 1 цикле анализа одновременно изменяют верхнюю граничную частотуР..,импульса отклика и ширину (4 полосы пропускания фильтров анализатора так, чтобы выполнялось соотнсмиение 2 -4fntit t 1яе m - целое положительное число, не равное 1, и измеряют пиковые значения амплитуд на резонансных частотах фильтров, по которым определяют ударный спектр. 2.Установка-для определения динамической характеристики объекта, содержащая устройство для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту, устанавливаемый на исследуемом объекте датчик ускорения, выход которого соединен через согласующее устройство с анализатором спектра, содержащим устройство для среза верхних частот, блок полосовых фильтров и блок амплитудных детекторов, и устройство отображения, к входам которого подключены выходы блока амплитудных детекторов, отличающаяся тем, что, с целью аппаратурного определения ударного спектра объекта при нагружении импульсом проиэвсхпьной формьт, устройство для среза верхних частот выполнено в виде блока параллельно соединенных It фильтров нижних частот блок полосовых фильтров выполнен в виде матрицы, в каждой строке которой содержится т параллельно соединенных полосовыхфильтров, а в каждом столбце - 1с параллельно соединенных полосовых фильтров, причем каждая строка матрищл полосовых фильтров подключена к выходу соответствующего фильтранижних частот, каждый столбец матрицы пoлocoвыk фильтров подсоединен к входу блока . амплитудных детекторов, а полоса пропускания й, каждого из m полосовых фильтров и верхняя граничная частота Р1(,каждого из 1 фильтров

нижних частот выбраны из соотноше Umax

й

mic ,m-i

где m - целое положительное число,

не равное 1. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Батуев Г.С., Голубков Ю.В., Ефремов А.К,, Федосов А.А. Инженерные методы исследования удар.ных процессов. М., Машиностроение. 197.7, с. 239.

2.Каталог фирмы Брюль и Къер. Раздел Анализирующие и выравнив.ающие система для автоматического испытания на случайные вибрации и механические удары. Модели 3378, 3379 3380, 1975 (прототип).

I

L

I

-ЕЭ