Способ управления спектром возбуждаемой случайной одномерной вибрации

 

Изобретение относится к испытаниям на вибрацию и может быть использовано при испытаниях изделий на случайную одномерную вибрацию для уменьшения уровня мощности паразитной боковой вибрации при заданном уровне мощности в вертикальном направлении. Техническая задача, решаемая при создании изобретения, заключается в обеспечении возможности уменьшения уровня паразитной боковой вибрации при сохранении заданного уровня вертикальной вибрации испытуемого изделия, при испытаниях на вертикальную случайную одноточечную вибрацию. Способ управления спектром возбуждаемой случайной одномерной вибрацией заключается в том, что предварительно с входа вибровозбудителя до контрольной точки по трем ортогональным направлениям снимают амплитудно-частотные характеристики вибротракта, разбивают каждую частотную полосу на М частотных подполос равной ширины, вычисляют в каждой частотной подполосе средние значения амплитудно-частотных характеристик вибротакта по каждому из трех ортогональных направлений, вычисляют уровни спектра возбуждающего сигнала по формуле, при помощи полученного спектра возбуждают вибрацию в испытуемом изделии, поддерживают общий уровень дисперсии вертикальной вибрации в каждой частотной полосе в соответствии с заданным вектором дисперсий, сохраняя неизменным взаимосоотношение вычисленных коэффициентов умножения. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к испытаниям на вибрацию и может быть использовано при испытаниях изделий на вертикальную случайную вибрацию для уменьшения уровня мощности паразитной боковой вибрации при заданном уровне мощности в вертикальном направлении.

Известен способ испытания на гармоническую вибрацию с качающейся частотой, в котором сигнал управления формируется посредством векторного усреднения мгновенных пиковых значений ускорений трехкомпонентного виброизмерительного преобразователя (ВИП) [См. "Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара": Справочник. В 2-х кн. Кн. 2/ Под ред. В.В. Клюева.- М. : Машиностроение, 1978.- C. 157, рис.13.]. Сигнал управления может быть сформирован также в результате выделения из трех сигналов сигнала максимального уровня, или минимального уровня, или в результате вычисления среднего уровня всех сигналов, или среднеквадратичного значения сигналов. Таким образом, способ, в частности, позволяет автоматически поддерживать заданный уровень вибрации при сканировании частоты возбуждающего сигнала. Причем это может быть уровень вибрации в вертикальном направлении, или одном из боковых, или усредненный боковой, или усредненный по всем трем направлениям, или модуль векторной вибрации. Недостатком способа является отсутствие возможности уменьшения боковой вибрации при сохранении заданного уровня вибрации в основном направлении.

Наиболее близким к заявляемому является способ управления спектром одномерных случайных вибраций (См. "Вибрация в технике": Справочник в 6 т. / Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.) и др.- М.: Машиностроение, 1981.- Т.5 Измерения и испытания / Под ред. М.Д. Генкина, 1981. - С.461., рис.3). Способ заключается в том, что формируют возбуждающий сигнал следующим образом. Белый шум подают на формирующие каналы, каждый из которых состоит из формирующего фильтра и перемножителя. Выходные сигналы формирующих каналов складывают между собой и возбуждают вибрацию тем, что полученный сигнал через усилитель мощности подают на вибровозбудитель, на столе которого закреплено испытываемое изделие, в контрольной точке которого установлен виброизмерительный преобразователь. Устанавливают и поддерживают необходимый спектр вибрации следующим образом. Сигнал с виброизмерительного преобразователя подают на анализирующие каналы, каждый из которых состоит из анализирующего фильтра, выпрямителя и фильтра нижних частот, таким образом, на выходах анализирующих каналов получают оценку спектра, которую сравнивают с эталонным (заданным) спектром, при помощи дискриминатора получают сигнал ошибки и подают его через усилитель обратной связи и выпрямители на перемножители формирующих каналов, вследствие чего, спектр вибрации приближается к эталонному. Способ позволяет автоматически поддерживать случайную вибрацию в одной точке с заданным вектором дисперсий. Недостатком данного способа является отсутствие возможности уменьшения боковой вибрации при сохранении заданного уровня вибрации в основном направлении.

Техническая задача, решаемая при создании изобретения, заключается в обеспечении возможности уменьшения уровня паразитной боковой вибрации при сохранении заданного уровня одномерной вибрации испытываемого изделия, при испытаниях на вертикальную случайную одноточечную вибрацию.

В способе управления спектром возбуждаемой случайной одномерной вибрацией, заключающемся в формировании спектра возбуждающего случайного сигнала в виде ступенчатой функции по заданному вектору дисперсий, где D_i-дисперсия в i-й частотной полосе, N - число заданных полос, учитывающий паразитную боковую вибрацию, решение поставленной технической задачи достигается тем, что предварительно со входа вибровозбудителя до контрольной точки по трем ортогональным направлениям {x, y, z} (где z - направление основной вибрации; x, y - направления паразитной вибрации), снимают амплитудно-частотные характеристики K_x(ω),K_y(ω),K_z(ω) вибротракта, разбивают каждую i-ю частотную полосу (i - текущий номер полосы на М (где М - натуральное число от 2 и более: М = 2, 3,...) частотных подполос равной ширины Δω_i1= Δω_i2= ... = Δω_iM= Δω_ij, где ij-j-я частотная подполоса i-й частотной полосы, вычисляют в каждой ij-й частотной подполосе средние значения K_xij, K_yij, K_zij амплитудно-частотных характеристик вибротракта по каждому из трех ортогональных направлений {x, y z}, вычисляют уровни G_ij спектра возбуждающего сигнала из формулы G_ij= G₀Q²_ij, где Q_ij - коэффициенты усиления ij-ro канала формирования, которые вычисляют в соответствии с формулой где G_O - уровень спектра генератора белого шума, и формируют спектр возбуждающего случайного сигнала в соответствии с найденными уровнями G_ij, при помощи полученного спектра возбуждают вибрацию в испытываемом изделии, поддерживают общий уровень дисперсии вибрации в основном направлении в каждой i-й частотной полосе в соответствии с заданным вектором дисперсий, сохраняя неизменным взаимосоотношение соотношение коэффициентов умножения Q_ij, то есть домножая сигнал в каждом ij-м канале формирования на соответствующий его полосе коэффициент b_i = D_i/D_zi, где D_zi дисперсия вибрации в основном направлении z.

Для осуществления способа предварительно со входа вибровозбудителя до контрольной точки по трем ортогональным направлениям {x, y, z} (где z - направление основной вибрации; x, y - направления паразитной вибрации), снимают амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) K_x(ω), K_y(ω), K_z(ω) вибротракта. Для этого возбуждают гармонический сигнал с амплитудой U_{m вх} и частотой, равной нижней частоте заданного диапазона, подают гармонический сигнал на вход вибровозбудителя, измеряют сигнал на выходе виброизмерительного преобразователя в направлении x и находят соотношение затем разворачивают частоту гармонического сигнала от нижней ω_н до верхней ω_в частоты заданного диапазона, сохраняя при этом амплитуду U_{m вх} неизменной и находят частотную зависимость Так же находят Разбивают каждую i-ю частотную полосу (i - текущий номер полосы на M (где M - натуральное число 2 и более: M = 2, 3,...) частотных подполос равной ширины Δω_i1= Δω_i2=...= Δω_iм= Δω_ij (где ij - j-я частотная подполоса i-й частотной полосы). При этом выбирают число М настолько большим, насколько позволяют технические возможности.

Вычисляют в каждой ij-й частотной подполосе средние значения K_xij, K_yij, K_zij амплитудно-частотных характеристик вибротракта по каждому из трех ортогональных направлений { x, y, z}. Необходимость этого вызвана тем, что при обработке спектра используется ступенчатая аппроксимация. Поэтому АЧХ вибровозбудителя также записывают в ступенчатом виде


где



Запись АЧХ в ступенчатом виде представляют в виде таблицы.

Вычисляют уровни G_ij спектра возбуждающего сигнала из формулы
G_ij= G₀Q²_ij
где Q_ij(i ∈ [1,N]; j ∈ [1,M]), коэффициент умножения ij-го канала формирования, который вычисляют в соответствии с формулой

где G_O - уровень спектра генератора белого шума.

Формула для Q_ij выводится следующим образом. В качестве критерия оптимальности при выборе Q_ij используют отношение мощностей вибрации в основном и паразитном направлениях, то есть

где D_xi, D_yi, D_zi дисперсия вибрации в i-й полосе, в направлениях x, y, z соответственно.

Дисперсия пропорциональна мощности, так как

Подобный подход используется в радиолокации при согласованной фильтрации сигнала (См. , например, Теоретические основы радиолокации/ Под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978.- С. 457, рис.16.4), то есть устанавливают квадрат АЧХ формирователя пропорциональным отношению

Для обеспечения условия D_zi = D_i вводят нормирующий коэффициент c_i : Q_ij = c_iL_ij Коэффициент c_i выбирают исходя из уравнения формирователя и из заданной дисперсии

где G_O - спектр белого шума,
с учетом этого,

Формируют спектр возбуждающего случайного сигнала в соответствии с найденными уровнями G_ij. Для этого устанавливают коэффициенты умножения формирующих каналов в соответствии с найденными коэффициентами Q_ij. При помощи полученного спектра возбуждают вибрацию в испытываемом изделии. Поддерживают общий уровень дисперсии вертикальной вибрации в каждой i-й частотной полосе в соответствии с заданным вектором дисперсий, сохраняя неизменным взаимосоотношение вычисленных коэффициентов умножения Q_ij, то есть домножая сигнал в каждом ij-м канале формирования на соответствующий его полосе коэффициент b_i = D_i/D_zi, где D_zi - дисперсия вибрации в основном направлении z.

Предлагаемый метод позволяет уровни боковой вибрации в направлениях x и y уменьшить соответственно в k_xi и k_yi раз

где D^u_Xi исходная дисперсия вибрации в направлении x в i-й полосе, то есть дисперсия в случае, когда возбуждающий сигнал в i-й полосе имеет равномерный спектр,
G^u_XiCp - исходный средний спектр вибрации в направлении x в i-й полосе.

k_yi вычисляется аналогично и имеет вид

Предложенное техническое решение удовлетворяет критерию "изобретательский уровень", так как предложенные отличительные признаки позволяют получить "новое свойство" - в каждой из заданных N полос уменьшить уровень мощности боковой вибрации, при сохранении заданного уровня мощности вертикальной вибрации
На фиг. 1 приведены a) - спектр генератора белого шума, б) - схема разбиения диапазона частот на подполосы, в) - заданный спектр одномерной вибрации в виде ступенчатой функции G^за_zi^д_ср.
На фиг. 2 показаны АЧХ и спектры в одной, произвольно выбранной, i-й полосе: a) - ступенчатые аппроксимации АЧХ вибровозбудителя в трех направлениях, б) - спектры G_xij= G_oK²_xij, G_yij= G_oK²_yij, G_zij= G_oK²_zij вибрации, соответствующие показанным АЧХ, в) - АЧХ корректирующего эвена формирователя, пропорциональная величине L_ij, г) - спектры вибрации в трех направлениях после коррекции.

На фиг. 3 изображено устройство, позволяющее реализовать предлагаемый способ. Устройство содержит генератор 1 белого шума (ГБШ), N·M формирующих фильтров (ФФ) 2, первые входы которых подключены к выходу генератора 1 белого шума, N·M первых умножителей 3, первые входы которых подключены к выходам фильтров 2, а выходы - к N·M вторым умножителям 4 с коэффициентами умножения, регулируемыми вручную, выходы которых подключены к N·M входам сумматора 5, первый коммутатор 6, первый вход которого подключен к выходу сумматора 5, а второй - к выходу генератора 7 синусоидального сигнала (ГСС) с регулируемой вручную частотой сигнала, усилитель 8 мощности (УМ), выход которого подключен ко входу вибровозбудителя 9, на столе которого закреплено испытываемое изделие 10, в контрольной точке которого установлен трехкомпонентный виброизмерительный преобразователь (ВИП) 11, каждый из трех выходов которого подключен к соответствующему предусилителю 12, выходы трех предусилителей 12 подключены к трем входам второго коммутатора 13, выход которого подключен ко входу вольтметра 14, N анализирующих фильтров (АФ) 15, подключенных входами к первому выходу виброизмерительного преобразователя, сигнал которого соответствует виброускорению в вертикальном направлении z, выходы анализирующих фильтров 15 подключены ко входам N измерителей 16 дисперсии, выходы которых подключены к первым входам делителей 17, ко вторым входам которых подключены выходы блоков 18 эталонных дисперсий, каждый из N i-x выходов блоков 16 измерителей дисперсии подключен к М соответствующим i-й частотной полосе первым умножителям 3, а именно к их вторым входам.

Заявляемый способ может быть реализован при помощи устройства, представленного на фиг. 3. Работа устройства осуществляется следующим образом. Предварительно со входа вибровозбудитепя 9 до контрольной точки по трем ортогональным направлениям {x, y, z} (где z - направление основной вибрации; x, y - направления паразитной вибрации), снимают амплитудно-частотные характеристики K_x(ω), K_y(ω), K_z(ω) вибротракта. Для этого с выхода генератора 7 синусоидального сигнала с перестраиваемой частотой подают гармонический сигнал с амплитудой U_{m вх} и частотой, равной нижней частоте ω_н заданного диапазона, через первый коммутатор 6 и усилитель 8 мощности на вход вибровозбудителя 9, снимают сигналы с выходов виброизмерительного преобразователя 11, пропускают сигнал через предусилители 12 второй коммутатор 13, при этом управление вторым коммутатором 13 осуществляют вручную, измеряют сигнал на выходе виброизмерительного преобразователя 11 в направлении x и находят соотношение

затем разворачивают частоту гармонического сигнала от нижней ω_н верхней ω_в частоты заданного диапазона, сохраняя при этом амплитуду U_{m вх} неизменной и находят амплитудно-частотную характеристику вибровозбудителя 9 в направлении x

Так же находят амплитудно-частотные характеристики вибровозбудителя в направлении y и z

Разбивают каждую i-ю частотную полосу (i - текущий номер полосы на M (где M - натуральное число 2 и более: M = 2, 3,...) частотных подполос равной ширины Δω_i1= Δω_i2=...= Δω_iм= Δω_ij ij - j-я частотная подполоса i-й частотной полосы). При этом число M узкополосных формирующих фильтров 2 выбирают настолько большим, насколько позволяют технические возможности (минимально возможная ширина полосы пропускания и число имеющихся фильтров).

Вычисляют (вручную, с применением микрокалькулятора или иным способом) в каждой ij-й частотной подполосе средние значения K_xij, K_yij, K_zij амплитудно-частотных характеристик вибротракта по каждому из трех ортогональных направлений {x, y, z}



Вычисляют вручную уровни G_ij спектра возбуждающего сигнала из формулы G_ij= G₀Q²_ij, где Q_ij коэффициент умножения j-го канала формирования, который вычисляют вручную в соответствии с формулой

где G_O- уровень спектра генератора белого шума.

Для этого в формирователе в каждой ij-й подполосе устанавливают коэффициент усиления Q_ij(i ∈ [1,N]; j ∈ [1,M]), который находят следующим образом. Критерием оптимальности выбирают отношение мощностей полезной и паразитной вибрации, то есть

где D_xi, D_yi, D_zi - дисперсия вибрации в i-й полосе, в направлениях x, y, z соответственно).

Вычисляют вручную величину

Для обеспечения условия D_zi = D_i вычисляют вручную нормирующий коэффициент c_i, который находят исходя из уравнения формирователя и из заданной дисперсии

где G_O - спектр белого шума,
Вычисляют вручную коэффициенты умножения Q_ij вторых умножителей 4:

и устанавливают его при помощи ручек управления коэффициентом умножения умножителей 4. Формируют спектр возбуждающего случайного сигнала в соответствии с найденными уровнями G_ij. Возбуждают вибрацию с равномерным спектром при помощи генератора 1 белого шума, при помощи формирующих фильтров 2, полосы пропускания которых представляют собой набор частотных подполос перекрывающих заданный частотный диапазон [ω_н, ω_в], разбивают белый шум на совокупность узкополосных случайных сигналов. В каждом канале пропускают сигнал через первые умножители 3 (число которых равно N·M), коэффициенты умножения которых первоначально имеют значение b₁ = b₂ = ... = b_i = b_N = 1, при помощи вторых умножителей 4 (число которых равно N·M), с регулируемыми вручную коэффициентами умножения, умножают каждый ij-й узкополосный сигнал в Q_ij раз, где

складывают узкополосные сигналы в сумматоре 5, подают суммарный сигнал через коммутатор 6 и усилитель 8 мощность на вибровозбудитель 9 и возбуждают вибрацию в изделии 10, закрепленном на столе вибровозбудителя 9, при помощи виброизмерительного преобразователя 11, закрепленного в контрольной точке изделия, снимают сигнал, пропорциональный виброускорению в вертикальном направлении, подают сигнал на входы анализирующих каналов, состоящих из последовательно включенных анализирующих фильтров 15 и измерителей 16 дисперсии, при помощи делителей 17 сравнивают измеренные дисперсии D_zi с эталонными, которые представлены в виде постоянных электрических напряжений на выходе блоков 18 эталонных дисперсий, и находят N коэффициентов b_i = D_i/D_zi которые подают на умножители 3 и тем самым компенсируют разницу между измереными и эталонными дисперсиями, затем снова возбуждают вибрацию, измеряют дисперсии и находят новые коэффициенты b_i и так далее.

Устройство может быть реализовано следующим образом. Генератор 1 составляют из первичного источника шума, в качестве которого используют тепловой шум p-n-перехода и усилителя, формирующие фильтры 2, умножители 3 и 4 сумматор 5, коммутатор 6 могут быть реализованы на операционных усилителях серии К564. В качестве генератора 7 синусоидального сигнала может использоваться промышленно выпускаемый генератор Г6-15. Используют имеющийся ЭДВ 9 и согласованный с ним усилитель 8 мощности, например, ЭДВ и согласованный с ним усилитель мощности, входящие в комплект отечественного вибростенда "ВЭДС-10". Выбирают подходящий по массе, чувствительности и точности трехкомпонентный ВИП (акселерометр) 11, например модель 4321 фирмы "Брюль и Къер". Предусилители 12 и коммутатор 13 могут быть реализованы на базе устройства "Виброизмеритель 00 036" фирмы "Robotron". В качестве вольтметра 14 может быть использован промышленно выпускаемый вольтметр ВЗ-57. Анализирующие фильтры 15, измерители 16 дисперсии, делители 17 могут быть реализованы на операционных усилителях серии К564. Блоки 18 эталонных дисперсий могут быть выполнены на калиброванных резисторах переменного сопротивления, подключенных к источнику стабилизированного напряжения.

Формула изобретения

Способ управления спектром возбуждаемой случайной одномерной вибрации, заключающийся в формировании спектра возбуждающего случайного сигнала в виде ступенчатой функции по заданному вектору

дисперсий,
где D_i - дисперсия в i-й частотной полосе,
N - число заданных полос, учитывающий паразитную боковую вибрацию,
отличающийся тем, что предварительно с входа вибровозбудителя до контрольной точки по трем ортогональным направлениям {x, y, z} (где z - направление основной вибрации; х, у - направления паразитной вибрации), снимают амплитудно-частотные характеристики K_x(ω),K_y(ω),K_z(ω) вибротракта, разбивают каждую i-ю частотную полосу (i - текущий номер полосы на М (где М - натуральное число 2 и более: М = 2, 3,...) частотных подполос равной ширины Δω_i1= Δω_i2= ... = Δω_iM= Δω_ij (ij - j-я частотная подполоса i-й частотной полосы), вычисляют в каждой ij-й частотной подполосе средние значения К_хij, К_уij, К_zij амплитудно-частотных характеристик вибротракта по каждому из трех ортогональных направлений { x, y, z}, вычисляют уровни G_ij спектра возбуждающего сигнала по формуле G_ij= G₀Q²_ij, где Q_ij - коэффициент умножения ij-го канала формирования, который вычисляют в соответствии с формулой

где G_о - уровень спектра генератора белого шума,
и формируют спектр возбуждающего случайного сигнала в соответствии с найденными уровнями G_ij, при помощи полученного спектра возбуждают вибрацию в испытуемом изделии, поддерживают общий уровень дисперсии вертикальной вибрации в каждой i-й частотной полосе в соответствии с заданным вектором дисперсий, сохраняя неизменным взаимосоотношение вычисленных коэффициентов умножения Q_ij, т.е. домножая сигнал в каждом ij-м канале формирования на соответствующий его полосе коэффициент b_i= D_i/D_zi, где D_zi - дисперсия вибрации в основном направлении z.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4