Вибрация и удар. Экспериментальное определение механической подвижности. Часть5. Измерения, использующие ударное возбуждение возбудителем, не прикрепляемым к конструкции

Страница 1

ГОСТ ИСО 7626-5-99
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
Вибрация и удар
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ
Часть 5
Измерения, использующие ударное возбуждение возбудителем, не прикрепляемым к конструкции
И)данне официальное

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОВЕТ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ. МЕТРОЛОГИЯ И СЕРТИФИКАЦИИ Мине»

Страница 2

ГОСТ ИСО 7626-5-99
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 183 • Вибрация и удар»
ВНЕСЕН Госстандартом России
2 ПРИНЯТ Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол № 16-99 от 8 октября 1999 г.)
За принятие проголосовали:
П зим снопами г госуилрчна И ли не ни пи пи г нткопиьнаш оринл па с шилрш иини
Азербайджанская Республика Азгосстакдарт
Республика Армения Арм госстандарт
Республика Беларусь Госстандарт Беларуси
Грузия Грузсганаарз
Республика Казахстан Госсзандарт Республики Казахстан
Киргизская Республика К и рги зезшьч а р т
Республика Молдова М л и о нас танд арт
Российская Федерация Госстандарт России
Республика Таджикистан Талжи кгосстандарт
Республика Узбекистан Узгосстанларт
Украина Госстандарт Украины
3 Настоящий стандарт представляет собой аутентичный текст международного стандарта ИСО 7626-5—94 "Вибрация и удар. Экспериментальное определение механической подвижности. Часть 5. Измерения, используюшне ударное возбуждение возбудителем, не прикрепляемым к конструкции»
4 Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации и метрологии от 21 июня 2000 г. № 161 -ст межгосударственный стандарт ГОСТ ИСО 7626-5—99 введен в действие непосредственно в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 января 2001 г.
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
©ИПК Издательство стандартов.2000
Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания на территории Российской Федерации без разрешения Госстандарта России

Страница 3

ГОСТ И СО 7626-5-99
Содержание
1 Область применения............................>........................... I
2 Нормативные ссылки...........................................♦........... I
3 Определения.............................................................. '
4 Общие особенности метода ударного возбуждения................................. 2
5 Опора испытуемой конструкции.............................................. 4
Ь Приложение возбуждения.................................................... 5
7 Датчики................................................................. *
К Обработка сигналов датчиков ,.................................*........... 8
9 Контроль правильности измерений............................................ 14
Приложение Л Коррекиня результатов измерений, полученных с использованием зксноненниаль* НОЮ окна......,...........................,..................15
Приложение В Ьнблио! рафия................

Страница 4

ГОСТ ИСО 7626-5-99
Введение
Измерение частотных характеристик объекта, таких, как подвижность, ускоряемое™ или динамическая податливость, проводят, как правило, в целях решения следующих задач: ~ оценка реакции объекта на известное входное возбуждение;
~ определение модальных характеристик объекта (форм мод. собственных частот и коэффициентом демпфирования);
- описание динамического взаимодействия составных частей конструкций;
- проверка адекватности математических моделей;
* определение динамических свойств (комплексных модулей упругости) материалов.
Все положения настоящего стандарта справедливы для измерений любой частотно)! характеристики (подвижности, ускоряемости. динамической податливости и т.д.), однако для простоты везде в тексте использовано понятие подвижности. Для перехода от одной частотной характеристики к другой достаточно произвести соответствующие преобразования параметров движения, например виброускорения в виброскорость.
Распространение ударного метода возбуждения конструкции при измерении подвижности обусловлено его простотой и относительно низкой стоимостью реализации. К недостаткам этого метода относится сильная зависимость его точности от характеристик конструкции и испытательного оборудования. В некоторых случаях с помошью данного метода весьма затруднительно или даже невозможно получить точность, достигаемую с помошью непрерывного возбуждения присоединенным вибровозбуднтелем. Однако в ряде случаев применение ударного метода возбуждения может быть весьма полезным.
То. что в данном методе возбудитель не крепится к конструкции, позволяет проводить серию измерений подвижности, последовательно возбуждая рахшчные точки конструкции и измеряя отклик в одной фиксированной точке и в одном направлении. При выполнении принципа взаимности и линейности отклика исследуемого объекта такие измерения эквивалентны получаемым при возбуждении в той же фиксированной точке и фиксированном направлении и перемещении датчика вибрации по точкам конструкции. В ряде случаев, однако, бывает невозможно нанести удар по конструкции в необходимой точке и желательном направлении. Тогда целесообразно использовать ударное возбуждение в фиксированной точке и направлении и перемешать многокомпонентный датчик внбраиии по конструкции.
Следует учесть, что использование многокомпонентного датчика в фиксированной точке не позволяет получить информацию об отклике по разным направлениям в другой точке. Например, при проведении модальных испытаний, при установке измерительного преобразователя в фиксированной точке и применении ударного возбуждения в ряде точек в одном направлении можно получить только одну составляющую моды конструкции.
На основе настоящего стандарта могут быть разработаны методики выполнения измерений механической подвижности с использованием ударного возбуждения для конкретных объектов.
IV

Страница 5

ГОСТ ИСО 7626-5-99
Вибрация и улар
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ
Часть з
Измерения, использующие ударное возбуждение возбудителем, не прикрепляемым к конструкции
\'й1га110п ат1 зпоск. ЕхрсптеШа! <1с1сптлпа11оп оГ тссЬашса! тоЬНку. Рат1 5. Мса&игетпспс> ичш^ 1трас1 ехейаиоп лтШ ап схеисг »Мсп и по! аиасЬси1 ю 1пс мгисшге
Дага введения 2001-01—01
1 Область применения
Настоящий стандарт служит общим руководством для измерения входной и переходной механической подвижности и друз их частотных характеристик (ускоряемости. динамической податливости и тлт.) конструкций с помощью возбуждения импульсной силой, развиваемой возбудителем, не прикрепленным к испытуемой конструкини.
Методы возбуждения импульсным воздействием, требующие крепления возбудителя к конструкини. в данном стандарте не рассматриваются.
В настоящем стандарте рассматривается только обработка сигналов на основе дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Это не исключает использования, при необходимости, других методов анализа.
Настоящий стандарт не распространяется на методы получения качественных оценок без проведения калибровки измерительного тракта в целях, например, получения приближенных значений собственных частот или форм мод.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ ИСО 5347-1—% Вибрация. Калибровка датчиков вибрации и удара. Часть I. Первичная вибрационная калибровка методами лазерной интерферометрии
ГОСТ ИСО 7626-1—94 Вибрация и улар. Экспериментальное определение механической подвижности. Основные положения
ГОСТ ИСО 7626-2—94 Вибрация и удар. Экспериментальное определение механической подвижности. Измерения, использующие одноточечное поступательное возбуждение присоединенным вибровозбудителем
ГОСТ 24346—НО Вибрация. Термины и определения
3 Определения
В настоящем стандарте применяют термины по ГОСТ 24346.
Кроме того, в настоящем стандарте применяют следующие термины с соответствующими определениями и обозначениями:
3.1 частотная характеристика объекта: Отношение комплексной амплитуды отклика к комплексной амплитуде вынуждающей силы как функция частоты.
И1 данис официальное
1
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

Страница 6

ГОСТ ИСО 7626-5-99
Примечания
1 Отклик конструкции может быть выражен в единицах скорости, ускорения или перемещения. В соответствии с этим частотная характеристика называется подвижностью, ускорясмостью или динамической п од яг л и востью.
2 При выполнении принципа лииейносги можно дать эквивалентное определение частотной характеристики как комплексного отношения преобразования Фурье отклика к преобразованию Фурье вынуждающей силы. На практике в качестве приближенного преобразования Фурье используют дискретное преобразование Фурье. Ошибки такого приближения могут быть сведены до уровня, не превышающего других ошибок измерения, поэтому использование ДПФ не приводит к ограничениям па точность измерения.
3.2 входная (точечная) подвижность. ) : Частотная характеристика, определяемая отношением виброскорости в точке конструкции } к вынуждающей силе, приложенной в той же точке / когда на другие точки конструкции не наложено никаких дополнительных связей, препятствующих их перемещению, кроме техт которые определяются нормальным опиранием конструкции, соответствующим условиям ее эксплуатации. Измеряют в метрах на ньютон-секунду [м/(Н с)|.
Примечание — Здесь и далее под словом «точка* понимают как местоположение, так и напраатенис.
3.3 переходная подвижность, К : Частотная характеристика, определяемая отношением виброскорости в точке конструкции / к вынуждающей силе, приложенной в точке}. причем на все другие точки конструкции, за исключением точки у, не должно быть наложено никаких дополнительных связей, препятствующих их перемещению, за исключением тех, которые определяются нормальным опиранием конструкции, соответствующим условиям ее эксплуатации. Измеряют в метрах на ньютон-секунду |м/(Н с)|.
3.4 частотный диапазон измерений: Диапазон частот от самой низкой до самой высокой частоты, в пределах которого должны быть получены значения подвижности в данной серии измерений.
3.5 спектральная плотность энергии: Произведение спектральной плотности мощности на длину записи в секундах, которая используется при вычислении спектра переходного процесса.
Примечание— Данное определение предполагает, чго переходный сигнал содержится в записи полностью. Такое уточнение необходимо, для того чтобы значения спектральных составляющих не зависели от длины записи, используемой а конечном нреобраювании Фурье.
4 Общие особенности метода ударного возбуждения
4.1 Общее описание метода
Для проведения измерений с использованием ударного возбуждения требуется следующее оборудование:
- ударник с встроенным датчиком силы:
* один или несколько датчиков вибрации с согласующими усилителями:
- система реализации ДПФ-аналнза или анализатор, обеспечивающий ввод данных как минимум по двум каналам одновременно.
Схема измерительной системы приведена на рисунке I. В стандарте содержатся рекомендации по выбору и использованию компонентов этой системы.
Сигналы с датчиков силы и внбраиии после каждого удара поступают на фильтры нижних частот (ФНЧ). позволяющие избежать переноса высокочастотных составлявших в диапазон частот измерений при дискретизации, после чего производится их аналого-цифровое преобразование (АЦП) для формирования выборки. Каждая цифровая запись должна соответствовать одному ударному воздействию. Для каждой записи вычисляют ДПФ. Для улучшения опенки может быть применено усреднение по частотной области нескольких реал и мини частотной характеристики, полученных для одних и тех же точек измерения и возбуждения.
4.2 Преимущества н недостатки метода ударного возбуждения
Ударное возбуждение имеет по сравнению с непрерывным возбуждением посредством прикрепляемого вибровозбудителя следующие преимущества:
- оперативность измерения:
- отсутствие крепления;
- простота переноса возбуждения от точки к точке;
- минимальное влияние на испытуемую конструкцию со стороны возбудителя;
2

Страница 7

ГОСТ ИСО 7626-5-99
2

в
11

/ — датчик риордимм. 2 — мспмтусиач коиструкимя; .* — усгронстэ согмсовлмия. 4 — «диоынпдюшин осыиллогрлф. 5 — блик инилнзд; й ФНЧ; 7— ЛИ 11; .V ДПФ, рлсч?г чдеил »юЛ чнрдытгрисшкн; 9 — дисплей: № — псча шкниес
устройства; Н — »ыихш<к устройство
* относительная дешевизна аппаратуры;
- компактность и удобство проведения испытаний в местах и условиях эксплуатации испытуемого объекта.
С другой стороны, следует принимать во внимание недостатки ударного возбуждения:
* возможное влияние нелинейности конструкции;
* уменьшение отношения сигнал/шум;
* ограниченная разрешающая способность по частоте;
- проблемы, вызываемые демпфированием;
- зависимость получаемых результатов от квалификации оператора. Данные недостатки обсуждены в 4.2.1 — 4.2.5.
4.2.1 Ограничения метода вследствие нелинейности конструкции
Измерения механической подвижности конструкций, обладающих значительной нелинейностью, следует проводить с особой осторожностью. Целесообразно в таких случаях использовать вместо метода ударного возбуждения синусоидальное или случайное возбуждение присоединенным вибро-воэбудителем.
При осуществлении ударного возбуждения энергия, требуемая для возбуждения отклика достаточного уровня, подводится к конструкции в течение ограниченного периода времени. Поэтому в сравнении с синусоидальным или случайным возбуждением сила, развиваемая при уларе, должна быть много выше, что может способствовать проявлению нелинейности.
При измерениях подвижности систем со значительной нелинейностью важно поддерживать стабильность вынуждающей силы. С этой точки зрения также предпочтительнее синусоида.!ьное возбуждение. Так. при нанесении уларов обычным ручным молотком амплитуда силы может существенно варьироваться, что в условиях нелинейности системы не позволяет обеспечить хорошую повторяемость измерений. Малый диапазон изменения силы между уровнем недовозбуждения и уровнем перегрузки может усложнить получение однозначных и стабильных опенок характеристик конструкции.
4.2.2 Уменьшение отношения сигнал/шум
Поскольку при ударном возбуждении среднее квадратнческое значение анализируемого сигнала на интерпале измерения переходного процесса мало по сравнению с его пиковым значением, это накладывает требования малости внешнего шума и максимально возможного динамического диа-
Рисунок 1 — Блок-схема измерительной системы

Страница 8

ГОСТ ИСО 7626-5-99
пазона измерительной системы. Как правило, такие требования исключают использование аналоговой записи сигнала.
Существенные проблемы, связанные с шумом, могут появиться вследствие того, что хтитель-ность импульса силы мала в сравнении с обшей длиной записи. При этом собственный электрический шум измерительного тракта и фоновый шум механической природы в конструкции могут быть сравнимы по величине (среднему квадраттгческому значению) с вынуждающим вохтействием и сигналом от датчика силы. Для уменьшения влияния шума может быть использован метод временных окон, описанный в 8.5.
4.2.3 Ограничение разрешающей способности по частоте
Интервал дискретизации по частоте, определяемый дискретным преобразованием Фурье, в герцах, равен величине, обратной длительности записи, в секундах, в том числе и при анализе в ограниченной полосе частот для увеличения масштаба с помощью метода частотной «лупы». Поскольку каждая запись соответствует одному ударному возбуждению, длина записи ограничена временем спада отклика конструкции до уровня фонового шума. Вследствие этого достижимое разрешение по частоте зависит как от отклика конструкции, гак и от уровня фонового шума. В некоторых случаях может оказаться весьма затруднительным (и нецелесообразным) достижение такого же частотного разрешения, что и для метода возбуждения присоединенным возбудителем: однако в большинстве практических приложений могут быть получены точные значения подвижности на дискретных частотах с относительно высоким разрешением. Хорошее разрешение получить трудно, если плотность резонансов для испытуемой конструкции велика. В этом случае целесообразно использовать постоянное возбуждение и применить метод увеличения масштаба частоты при анализе.
Особенностью удара является то, что его спектр занимает область от нулевой частоты до некоторой верхней границы (см. раздел 6). Такая протяженность спектра ограничивает возможность использования метода увеличения масштаба для повышения разрешения по частоте, и это определяет требования к динамическому диапазону измерительной системы. Указанное обстоятельство повышает также опасность необнаруженных перегрузок (ограничения сигнала) в измерительной системе вследствие появления маскирующих составляющих с высокими амплитудами на частотах, выходящих за полосу частот системы (см. 6.3 и 8.4).
4.2.4 Проблемы, вызываемые демпфированием
Ограничения метода ударного возбуждения при испытании сильно демпфированных конструкций вызваны малой длительностью сигнала отклика, что, как было указано в 4.2.3, приводит к низкому разрешению по частоте. Это ограничение можно рассматривать и как следствие того, что данной силе удара соответствует отклик с более низкой энергией. Для сильно демпфированных конструкций может потребоваться непрерывное возбуждение с большой энергией, чтобы компенсировать значительное рассеяние энергии и обеспечить достаточный отклик.
Совершенно другая проблема возникает в случае конструкции с малым демпфированием. Частотная характеристика такой конструкции имеет острые резонансные пики, что требует высокого разрешения по частоте и применения метода увеличения масштаба, как указано в 4.2.3. Для таких конструкций полезным может оказаться применение окон с экспоненциальным затуханием, когда в данные вносится заранее известное «искусственное» затухание. При этом для определения подвижности следует воспользоваться методикой коррекции результатов, как описано в 8.5 и приложении Л.
4.2.5 Зависимость от квалификации оператора
Точность данных, полученных при измерении подвижности с помошью уларов ручным ударником молоткового типа, зависит от умения оператора наносить стабильные удары в точно определенное место в заданном направлении. Как правило, при тщательном проведении эксперимента влияние этого фактора невелико, но он может сказаться для конструкции малых размеров, требующей высокого пространственного разрешения.
Кроме того, оператор не должен допускать повторных ударов посте отскока ударника (см. 6.4).
5 Опора испытуемой конструкции
Измерения механической подвижности могут быть проведены как для конструкций в безопорном (свободно подвешенном) состоянии, так н для конструкций в опертом положении (с использованием одной или нескольких опор) в зависимости от целей испытаний.
5,1 Ьезопорная конструкция
Измерения в безопорном положении предполагают использование податливого подвеса для

Страница 9

ГОСТ ИСО 7626-5-99
испытуемой конструкции. Значения всех составляющих матрицы входных подвнжностей подвеса в точках крепления к конструкции должны по крайней мере в десять раз превышать значения соответствующих составляющих матрицы подвижности конструкции в тех же точках. 5.2 Конструкция в опертом положении
Данный тип измерений, если иное не определено, предполагает использование для конструкции опоры, аналогичной той. что используется при обычном эксплуатационном применении этой конструкции. В отчет об испытаниях следует включать описание и характеристики опоры и крепления.
6 Приложение возбуждения
6Л Конструкция ударника
Типичный ударник состоит из жесткой массы с прикрепленным к ней датчиком силы, на другой стороне которого крепят сменную насадку, как схематично изображено на рисунке 2. Жесткость насадки и массу ударника выбирают в соответствии с 6.3 таким образом, чтобы обеспечить необходимую длительность импульса силы и избежать отскоков ударника.
Если необходим ударник с малой массой, часто для этих целей используют ударник молоткового типа со сменными насадками и дополнительными сменными
массами, идпак этом точность и искусства оле| удары. Если исп для обеспечени: нии ударов в ну может погребов ляющего устрой ных конструкт энергия возбуж; зован ударник в
следует помнить, что при иерений будет зависеть от нора наносить точные ]туемая конструкция мала, повторяемости в нанесенной точке и направлении ться применение направив. Для испытаний круп* 1, где требуется большая имя, может быть исполь-видс большой массы либо

' — счгкмля плсааьд; 2 — ИЛ1ЧИК сиди. Л — основная чпеса; 4 — сиенит часса
Рисунок 2 — Типичный ударник
подвешенной на тросах, либо свободно падающей вертикально вниз. Масса ударника может быть уменьшена, если для придания
ей перед ударом высокой скорости используют дополнительные средства, например пружину, пневматический привод и т.д.
Площадь поверхности ударной насадки должна быть достаточно бол максимальной силы не приводили к деформациям насадки или испытуемой ко стороны, насадка с малой площадью поверхности необходима, когда гребу пространственное разрешение. Направление скорости ударника должно совпа тельности датчика силы и быть перпендикулярным к поверхности испытус максимальным отклонением в пределах 10 \ Выдержать направление удара, как длина корпуса ударника велика по сравнению с его поперечными размерами.
6.2 Характеристики спектра силы
Энергия реального импульса силы сосредоточена в конечном диапазоне частот, ширина которого обратно пропорциональна длительности импульса. При этом целесообразно выбирать этот диапазон таким образом, чтобы он не выхолил за пределы частотного диапазона измерений. На
силы имеет
11X1В
ДО
ооы удары и. С другой н> высокое >ю чуветви-струкцин с легче, если
практике спектр одино боковых лепестков на С рисунке 3 изображены Практически использу зависимости от частот частот, в котором спек*

рм\
. 1

врвого
гпестка на низкой частоте н бывает с ростом частоты. На ральная плотность энергии.
в диапазоне до 1000 Гц в )бычно учитывают диапазон минимума.

Страница 10

ГОСТ ИСО 7626-5-99
а» Н отфильтрованный сигнал силы б) Спектра;!ьная плотность энергии сигнала ииы
Рисунок 3 — Типичный импульс силы и его спектр
П р и м е ч а н и с — В ДПФ существует зависимость между разрешением по времени и разрешением но частоте. Дтя получения максимальной разрешающей способности по частоте необходимо, чтобы частотный диапазон анализатора не превышал максимальную частоту диапазона измерений. Известные соотношения параметров выборки (см. 8.3) исходят из тою, что классическая форма импульса силы задается только небольшим числом отсчезов значений уровня, используемых при ДПФ. Кроме того, форма импульса формируется фильтром нижних частот (ФНЧ). Эти факгоры делают цифровую запись малопригодной для контроля формы импульса силы при испытании данного вида (если золько диапазон анализа не превосходит значительно частотный диапазон, в котором сосредоточена основная энергии импульса). На рисунке 4 показан тот же импульс силы, что и на рисунке 3, но подвергшийся низкочастотной фильтрации. Следует отметить, что плотности энергии обоих импульсов хорошо согласуются между собой, хотя импульс, изображенный на рисунке 4. имеет совершенно другую форму и пиковое значение.

I) Сншал силы после прохождения ФНЧ (частота среза 625 Ги)
4М

«г*

б) Спектральная плотность энергии сигнала силы
Рисунок 4 — Влияние низкочастотной фильтрации на сигнал силы и сю спектр
6.3 Выбор частотного диапазона ■озбуждення
Для того чтобы оптимальным образом использопать динамический диапазон измерительной системы, целесообразно ограничить частотный диапазон возбуждения максимальной частотой измерений. Изменять диапазон возбуждения можно соответствующим подбором жесткости насадки и массы ударника. Уменьшение жесткости насадки и (или) увеличение массы ударника ведут к сужению частотного диапазона возбуждения.
Реально достижимый диапазон частот возбуждения зависит также от эффективной жесткости и эффективной массы конструкции в точке удара. Малая жесткость конструкции приводит к
б

Страница 11

ГОСТ И СО 7626-5-99
ограничению вохчожностн расширения диапазона частот за счет увеличения жесткости насадки. Более эффективным средством увеличения частотного диапазона в данном случае является уменьшение массы ударника*
Следует контролировать наличие составляющих спектров удара и отклика выше верхнего предела частотного диапазона измерения. Проверку проводят при возбуждении максимальной силой, используемой при испытаниях. Характеристики ударника должны быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить возбуждение в требуемом диапазоне частот,
6.4 Предотвращении повторных уларов
Если в пределах одной записи данных имеет место более одного удара, это приводит к уменьшению спектральных составляющих на определенных частотах, в результате чего на графике спектра силы появляются резкие впадины (рисунок 5), На указанных частотах ухудшается сошно шенне сигнал/шум, что. в свою очередь, может вызвать значительные погрешности в результатах измерения подвижности на л и\ частотах. Даже если удар по конструкции наносят очень аккуратно, не всегда удается избежать отскоков ударника, особенно если значение подвижности в точке улара велико, а ударник имеет относительно большую массу. Чтобы разрешить эту проблему, следует уменьшить массу ударника, после чего жесткость насадки подобрать таким образом, чтобы выдерживался заданный частотный диапазон возбуждения. Если повторный удар значительно слабее первого, в спектре силы вместо резких впадин будут наблюдаться слабые всплески. Небольшие впадины (до 3 дБ) в спектре силы можно считать допустимыми. Многократные удары проще всего обнаружить из анализа спектра силы в каждой точке нанесения удара. Кроме того, желательно контролировать форму импульса силы во временной области; для наблюдения за неотфильтроваи-ным сигналом силы (чтобы избежать маскировки повторных ударов «звоном* от первого улара, производимого фильтром нижних частот) можно применять запоминающий осциллограф.
а) Сигнал силы при наличии повторного улара 6) Спектральная плотность энергии сигнала силы
Рисунок 5 — Влияние повторного удара на спектр силы
Недопустимо ятя устранения повторных уларов в цифровой записи сигнала силы перед его обработкой с помощью преобразования Фурье использовать так называемое «окно силы- (см. 8.5). Если данное окно применяют для улучшения соотношения сигнал/шум, необходимо убедиться, что это не маскирует имеющие место повторные улары — такая маскировка приведет к погрешности в оценке частотной характеристики, поскольку используемая для расчетов запись отклика конструкции будет представлять собой результат воздействия многократных ударов.
7 Датчики
7.1 Общие сведения
Датчики и устройства согласования и формирования сигналов следует выбирать в соответствии с требованиями ГОСТ ИСО 7626-1 и ГОСТ И СО 7626-2. Для измерения подвижности с помощью ударного возбуждения особенно важно, чтобы системы преобразования сигнала имели низкий уровень шума и широкий линейный динамический диапазон. Крепление датчиков следует производить с учетом рекомендаций 111.
7

Страница 12

ГОСТ ИСО 7626-5-99
7.2 Калибровка
В начале и в конце каждой серии измерений, а также в случае изменения массы ударника или смены насадки проводят следующую рабочую калибровку, которая в основном соответствует методике, установленной в ГОСТ ИСО 7626-2.
Калибровку тракта измерения силы выполняют путем измерения подвижности либо ускоряе-мостн свободно подвешенного жесткого калибровочного блока известной массы* Измеренная частотная характеристика калибровочного блока должна соответствовать известному значению (например, для ускоряемости это значение должно быть равно 1//н, где т — полная масса калибровочного блока вместе с прикрепленными датчиками) в пределах ±5 % во всем диапазоне частот измерения. Коэффициент преобразования при калибровке подбирают таким образом, чтобы соотношение между силой и кинематическим откликом блока, измеренным с помошью датчика вибрации с известным коэффициентом преобразования, было равно известному значению подвижности (или восприимчивости). Предварительная калибровка датчика вибрации может быть осуществлена, например, в соответствии с требованиями ГОСТ ИСО 5347-1.
Аналогично проводят калибровку тракта измерения отклика при использовании дополнительных датчиков вибрании (например, многокомпонентных датчиков). В этом случае считают известным коэффициент преобразования датчика силы, полученный при его калибровке с помошью вышеописанной процедуры.
Измерительная система и ударник должны иметь ту же конфигурацию, что будет использована при измерении подвижности. Массу калибровочного блока следует выбирать таким образом, чтобы его подвижность находилась в диапазоне значений подвижности испытуемой конструкции.
Если в ходе процедуры калибровки не достигается постоянство ускоряемости во всем диапазоне частот измерения, необходимо выявить и устранить причину этого, перед тем как приступить к испытаниям.
8 Обработка сигналов датчиков
си
8.1 Фильтрация
Перед процедурами дискретизап сигналы, полученные с датчиков, должны прс составляющих, лежащих выше частотного диа интерпретированы при цифровом анализе данш менных промышленно выпускаемых анализам среза которых согласованы с частотными диаш наложения частот можно проверить с ломошыс подают на различных частотах вне диапазона ИЗ! мые спектры на наличие ложных частотных ко*
Другими важными характеристиками филь пне фаз в полосе пропускания. При этом в
преооразоват характеристик каналов може поеный сита каждой пары \ характеристик измерения. Ф Д
менять
1ГНДЛОВ.
к же. к
п. и по 1И
«х отноше.

4 1

ла и его обработки с помошью преобразования Фурье ройти через фильтр нижних частот дня подавления «апазона анализа, которые мот быть неправильно ных (эффект наложения частот). Большинство совре-ггоров снабжены встроенными фильтрами* частоты пазонамн анализатора. Качество защиты от эффекта ыо высокостабнлышго генератора сигналов* которые гзмереннй на вход анализатора, контролируя пол у чае-
■ диапазона.
диет усиления и согласовав я ициенты усиления каналов Процедура калибровки, описанная в 7.2. учитывает эти арактеристики измерительной системы. Идентичность 1Я этого на их входы подают один и гот же шнрокопо-й, после чего измеряют частотную характеристику для в на их выходах в частотной области). Данная частотная с чем на 5 % от единицы во всем диапазоне частот олжиа отличаться от нуля более чем на 5*. змического диапазона анализатора целесообразно пригни* составляющих, лежащих ниже диапазона частот 1яюшне сигналов можно подавить посредством исполь-у току. Особую важность это приобретает при исполь-сигналов (см. 8.5). Как и в случае низкочастотной
' 1льтров не ведет к амплитуд-

ЫЛ
фильтр вь измерения. Вчасп ювания входов ш зовании техники
фильтрации следует длиться, чти тпшьхши иым н фаювым искажениям в диапазоне частот ншерения. 8.2 Сничронииикя
Запись сигналов, получаемых в результате каждого удара, следует производить в режиме гинхронизаиин анализатора, с тем чтобы начато записи помешалось в начало блока ланных шализатора. В цифровой записи сигнала лат же и содержаться небольшой участок, соответствующий времени непосредственно до улара, что гарантирует качество записи переднего фронта ударного

Страница 13

ГОСТ ИСО 7626-5-99
Сити
-то
1—I—I—I—1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I I—г
в.ш 0.0$ 0&5 а$2
Ваеня. с
I»— нулгдоИ участок: 2 — точка мпуска пнгшнсИ синхроны 1ацнн: 3 — начала цифровой галиси Рисунок 6 — Запись сигнала силы с нулевым участком вначале
возбуждения (см. рисунок 6). Если возможность такой регистрации «предудара» для данного анализатора отсутствует* наилучшим решением будет внешняя синхронизация по неогфлльтрован-ному сигналу силы.
8.3 Соотношения параметров выборки
Каждая цифровая запись, предназначенная для последующей обработки посредством преобразования Фурье, содержит заданное число Л' равноотстоящих друг от друга дискретных отсчетов отфильтрованного аналогового сигнала. Как правило, для использования эффективных алгоритмов быстрого преобразования Фурье число Л берут равным степени числа 2, например 1024. Общая длина записи '/'определяется формулой
Г= Дд /
i!)
где д / -ЛПФ
временной интервал между соседними отсчетами. Величина.обратнаяД л называется частотой выборки.
позволяет получить (№2+1) комплексных значений коэффициентов Фурье, которые i
часто
Д/=
ЧТОб!
часто аналс среза Для (
частотные Фурье но синусоид. Как прави около I % Большей д. иость обр;1 короткой э или *\течк

i между составляющими ювине частоты выборки, нового фильтра нижних ■статной характеристики юрки превышает частоту стогной характеристики.
1Й.
я в цифровой записи, двлого преобразования ставляет собой сумму 1екоторого фонового шума, составляет к концу записи 1ть как компромисс: запись ге, по увеличивает погреш-ремя использование более четный как «просачивание»
21)
* также привозит к повышению погрешности обработки.

Страница 14

ГОСТ ИСО 7626-5-99

"и
си можно нар пиеделяется ]
1РОВ&П
вменяя размер йоель тоебтем
Р<
(см. 4.2.4). В

11,1С
ИСТ »АН<
5оркн N или диапазоном рки ограни-особенности дтании кон-рассмотреть
Из формулы (1) с, частот)* выборки. Одн; частот анализа, поэтох цена. В свою очередь используемого анализ: струкций с малым коз две дополнительные возможности:
а) ввести искусственное затухание посредством экспоненциального окна (см. 8.5);
б) использовать режим «увеличения масштаба» анализатора, при котором анализ осуществляют в ограниченном диапазоне частот с одновременным увеличением разрешения по частоте, т.е. уменьшением А/; это позволяет увеличивать длину записи без изменения А'.
8.4 Согласование по динамическому диапазону
При использовании метода ударного возбу» импульса* в том числе и приходящейся на частоты

ос
необходимо счи ванием). Оптим; что пиковые знэ Рекомендуется к графа пли. еслг диапазон частот контроль следуе сбору данных дл максимальному Реально ко рого участка иэь искажений сиги характеристик с»
ударного
.мп диапазона частот измерений, всегда а измерительной системой (клнппиро-зона измерительной системы означает. 1мально близко к уровню ограничения, а с похюшью запоминающего осцилло-I Фурье-анализатора. В любом случае максимальную частот)* сигнала. Такой режде чем приступать к испытаниям и те силы \'дара должно соответствовать
аыоя
жппирование можно только после прохождения сигналом некого-и (например, преобразователя с согласующим усилителем). Оценку участке можно осуществить на основании анализа технических о элементов.
-южиостей избежать ограничения сигнала, в том числе.

а.
- уменьшить коэффициент усиления согласующего усилителя;
- использовать датчик с более низким коэффициентом преобразования. 8.5 Использование окон
8.5.1 Применение окна силы при анализе сигнала силы
На участке цифровой записи импульс силы занимает очень маленький участок (как правило, менее I %). поэтому даже очень слабый шум может вызвать при измерении спектра силы значительные погрешности. Особенно это заметно в случае применения режима увеличения масштаба частоты или использования блока данных большого размера.
Для уменьшения атияния случайного шума обычно перед обработкой с помошью преобразования Фурье используют умножение оцифрованного сигнала силы на окно силы — весовую функцию, значение которой равно единице на участке записи, включающем в себя сигнал силы с учетом
хшно нулю
ч I
□гклнка фильтра, искажений, если I _ применением окна силы и без не значительная постоянная или п< приведет к уменьшению в спектре распределение шумовой составляй — из-за усечения непрерывного ^ шум, наблюдаемый на частотах з частоте или на сетевой частоте, в ную часть диапазона частот изме изменения формы окна таким обр однако наилучшим способом буде составляющих до умножения на < мольного окна силы в случае пео
оста
шея \

л юс оо не
.1:1

ды всех периодических оказан результат приме ума на частоте 60 Гц.
; появлению > импульса с к содержится 1ЛЫ* хотя и ызовет также те* (см. Х.З) ого эффекта » на нулевой л значнтель-«ена за счет 1ком резким, постоянных ения прямо
гго знач значени»
см
.14
1111iv 1
ЕЙ Об
си К СЮ МакСН
вой записи должно составлять окаю I % яендуется оценить отношение пикового иному значению. Это отношение должно
10

Страница 15

ГОСТ ИСО 7626-5 99

6.1-
0,1-
Ш
Чажав, Гц
Я а
Уязжни, Гц
а) Спектральная плотность энсрши в отсутствие окна силы
б) Спектральная плотность энсрши при использовании окна силы
Рисунок 7 — Влияние окна силы на спектр сигнала силы
Сим, Я
i) Сигнал силы и присутствии периодического шума б) Спектральная плотность энергии сигнала силы
с шумом
Сило. И
1ША
И
-звзА

о Сигнал силы посте применения окна силы
г) Спектральная плотность энсрши после применения окна силы
Рисунок X — •Просачивание», вышанное применением окна силы
II

Страница 16

ГОСТ ИСО 7626-5-99
Хсхаршнишя
№0-1-
•Увомшъ Гц
6) Ускоряемость (амплитуда и фат) в отсутствие окна
Рисунок 9 — Частотная характеристика, измеренная для кевзвешенного сигнала
быть равно примерное Г Увеличение этого отношения означает, что имело место усечение сигнала отклика.
Для конструкций с малым демпфированием выполнение указанного условия может оказаться невозможным или нежелательным, поскольку требует значительного увеличения размера выборки или анализа с увеличением масштаба в очень узкой полосе частот. Если такая высокая разрешающая способность по частоте не требуется, целесообразно перед использованием преобразования Фурье ввести в сигнал отклика искусственное затухание, умножая его на весовую функцию, экспоненциально спадающую от единицы в начале записи к некоторому заданному значению в конце.
На рисунках 9 и 10 показаны оценки частотной характеристики конструкции с малым демпфированием соответственно без использования экспоненциального окна и с применением такого окна, когда весовая функция спадает к концу записи до 0.05. Частотная характеристика, изображенная на рисунке 9. имеет все признаки «просачивания» при использовании ДПФ: значительные искажения в фазовом спектре и погрешности сглаживания в амплитудном, т.е. в отсутствие экспоненциального окна возможно получение заниженных значений частотной характеристики на резонансах. Значение такой погрешности невозможно предсказать заранее — оно будет определяться усечением во временной области конкретных мод конструкции. Искажения, присутствующие на рисунке 10, значительно меньше. Хотя и в данном случае значения характеристики на резонансах

Страница 17

ГОСТ И СО 7626-5-99

к Сигшш ускорении после применения 'экспоненциального окна

Га Ъхшшь Гм
б) Ускорясмосгь. пил учен пая после применения окна Рнсмшк 10 — Частотная характеристика после применения экспоненциального окна
занижены, их можно скорректировать в соответствии с могол икон, содержащейся в приложении Л. Принцип этой коррекции заключается в оценке для каждой моды вибрации вначале увеличенного (за счет применения экспоненциального окна) коэффициент л демпфирования, после чего истинное значение коэффициента демпфирования определяют, вычитая известное значение поправки*
Метод, связанный с умножением на весовую функцию, достаточно надежен, если в исходной записи отклика спад за счет собственного демпфирования конструкции достигает к концу записи 25 % первоначального значения и менее: в противном случае коррекция амплитудно-частотной характеристики становится весьма чувствительной к погрешностям определения коэффициентов демпфирования*
Применение данного метода может оказаться целесообразным даже в том случае, когда размеры блока данных позволяют полностью записать отклик конструкции, поскольку при этом улучшается отношение сигнал, шум за счет усиления сигнала на начальном участке, где его амплитуда высока.
8.6 Методы усреднения
Для улучшения оценки частотной характеристики рекомендуется производить усреднение данных в частотной области по нескольким ударам. Для этого по отдельности вычисляют усредненный взаимный спектр сигналов отклика и силы и усредненный спектр сигнала силы. Опенка
13

Страница 18

ГОСТ ИСО 7626-5-99
частотной характерней.! спектров позволяет выч1
Если уровень шум контроля правильности значительной мощности усреднения по больше?* увеличение числа ударо. реализации. Поэтому в предпочтительными мот оказатьс
При нанесении каждого пос отклика конструкции на предылуг •звоном* от предыдущего удара. Ко размеров можно погасить вручную.
чется
1-я .1и
\ак <
\ чт СВОД1
слу*
.к
ишен >геое1
ес эт]
к усре I (см.
енных
спектров. Усреднение

по ]рсм-лятн ударам для некореллиро ванн ого шума величення числа уларов и з виду, что существенное ударного возбуждения, как быстрота ить уровень фонового шума, более
(ия.
[имо убедиться в полном затухании тучае сигнал отклика будет искажен дым демпфированием или небольших
9 Контроль правильности измерений 9.1 Функция когерентности
Функция когерентности у2(/1 определяется выражением

!У2

(2)
где — усредненный взаимный спектр между сигналами силы и отклика; С <Л, СМ) — усредненные спектры сигналов силы и отклика соответственно.
Фу пк для каждое ности от е
■я когерентности показывает степень л астоты/и изменяется в интервале [0. I
лее; треоуемая точно {заниям (от пяти до; шзкой когерентносп
гйной зависимости между откликом и силой Значительное отклонение функции когерент-<ачестве проведения измерений, зависит как от ее собственного истинного оводили усреднение. Для высоких значений ь опенки может быть достигнута усреднением
гри испытаниях с использованием ударного
значения, так и от чиста ре. функций когерентности (0,9 г всего лишь по нескольким реал Возможными причинами возбуждения являются:
- шум в сигнале силы;
* шум в сигнале отклика:
- случайные изменения точки и направления приложения силы от удара к удару:
- нелинейное поведение конструкции.
Особо следует отметить падение значений функции когерентности на антирезс может являться следствием того, что отклик конструкции на данных частотах приближае собственного шчма нзмеоигелыюн системы и отношение сигнал/шум оезко \меньшае
1Сах. Это к уровню
Наличие шума в канале измерения отклика хотя и приводит к уменьшению значения функции когерентности, позволяет, тем не менее, получить достаточно точную оценку частотной характеристики за счет достаточно большого чиста усреднений (см. ГОСТ ИСО 7626-2. приложение Л).
Уменьшение шума в каналах измерения силы и отклика может быть осуществлено путем выбора соответствующего окна, как указано в 8.5.
Следует иметь в виду, что некоторые погрешности в проведении измерений могут быть не выявлены с помошью функции когерентности. К ним относятся:
* «просачивание* вследствие усечения отклика (неадекватное разрешение по частоте);
* некоторые виды нелинейности конструкции; - ограничение сигнала (клнппирование).
9.2 Контроль воспроизводимости
После завершения испытаний следует повторно провести хотя бы одно из начальных измерений с целью удостовериться в том, что результаты измерений вначале и в конце серии испытаний хорошо согласуются между собой. Эта проверка помогает выявить такие проблемы, как изменение самой
14

Страница 19

ГОСТ ИСО 7626-5-99
конструкции или граничных условий, влияние температуры, изменении коэффициента преобразо-пания измерительного тракта.
9.3 Проверка выполнения принципа взаимности
И) принципа взаимности следует, что для линейной конструкини подвижность межд>' двумя точками конструкини не зависит от того, к какой точке приложено возбуждение, а в какой измерен отклик, и сохраняется при перемене точек возбуждения и измерения местами. Если проверка этого принципа дает удовлетворительный результат, это является дополнительным подтверждением пра-вильности проведения измерений: отклонение же от принципы взаимности может говорить о таких проблемах, как чрезмерная локальная нагрузка легкой конструкини датчиком (или датчиками) или наличие определенных видов нелинейности.
9.4 Контроль линейности
Для выявления многих типов нелинейности рекомендуется повторить процедуру измерения подвижности для рахтнчных значений амплитуды возбуждения. Желательно, если это возможно, увеличить вынуждающую силу последовательно, как минимум, в десять раз и рассмотреть любые значительные отклонения в результатах измерения подвижности.
9.5 Сравнение с измерениями, при которых применяют прикрепляемый возбудитель
Такой вид проверки требует значительных дополнительных затрат, связанных с необходимостью использования другого оборудования, затратами времени на его установку и проведение измерений. Поэтому рекомендуется его использование только в тех случаях, когда есть сомнения в пригодности метода ударного возбуждения для испытаний конкретной конструкини.
ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное)
коррекция результатов измерении, полученных с использованием экспоненциального окна
Умножение сигнала на экспоненциальную весовую функцию применяют лли уменьшении влиянии погрешностей «просачивании» и шума на результаты измерении частотной характеристики с помощью ударного возбуждении. Поскольку результаты оценки частотной характеристики по «взвешенным» данным существенно отличаются от ее истинных значений, лли коррекции результатов измерений следует использовать нижеприведенную методику. 'Эта методика позиолист получить удовлетворительные результаты при выполнении следующих условий:
- линейное поведение конструкции:
- измерение коэффиццентов демпфировании каждой моды, реально возбуждаемой в диапазоне частот измерений, по «взвешенным» данным может быть проведено с достаточной точностью.
Задача собственно определения коэффициентов демпфировании но результатам измерения подвижности путем различных методов подгонки кривых относится к сфере модального анализа и в настоящем стандарте не рассматривает си.
Пусть линейная система, опнсываюшаи связь отклика х(г) с вынуждающей силой уЦ). определяется импульсной характеристикой /НО- Тогда для нулевых начальных условий (конструкция до удара находится в состоянии покоя) применима следующая формула:
л*/) - / /*и))И— и)***. (А.П
о
В результате умножении обеих частей уравнения (А. I) на е-"' получаем
хт7к- •" = / НыХ^уи-чйГ-*—*. (А.2)
о
Из уравнения (А2) видно, что при умножении сишалов силы и отклика на одну и ту же экспоненциальную весоиую функцию импульсная характеристика, связывающая эти два ^взвешенных* ситала. представляет собой произведение истинной импульсной характеристики линейной системы и той же самой экспоненциальной функции.
Импульсную характернойку линейной системы можно представить в виде суммы членов вида /^ехрЦЛ. где л, — комплексное число, действительная и мнимая части которого определяют соответственно скорость
15

Страница 20

ГОСТ ИСО 7626-5-99
затухания и собственную частоту с улетим демпфирования дли г-н милы внбраиии. .1.1- комплексная постоянная. Таким образом, в результате умножения на экспоненциальную функцию в импульсной характеристике происходит замена я* на (5г—в).
Пусть в результате измерений частотной характеристики с использованием экспоненциальною ^взвешивания и последующей обработки для г-й молы получена опенка коэффициента демпфирования ^ Тогда истинное значение коэффициента демпфирования ^определяют по формуле
{ш^-а/щ^ <А.З>
где — собственная частага системы с учетом демпфирования.
Коррекция значений подвижности осуществляется посредством синтеза с учетом полученных по формуле (А.З) значений коэффициентов демпфирования для всех мод. даюших вклад в колебание конструкции и диапазоне частот измерений. В случае далеко разнесенных мод с малым демпфированием значение частотной характеристики на резонансе обратно пропориионалыю коэффициенту демпфирования, поэтому коррекция частотной характеристики, полученной на основе 'взвешенных* данных, в области резонанса будет заключаться в ее умножении на коэффициент
На практике экспоненциальное взвешивание часто применяют только к ентналу отклика. Вследствие малой длительности сигнала силы действие экспоненциальною окна можно аппроксимировать умножением сигнала силы на постоянную, равную значению весовой функции в момент максимальною значения силы. Пели пик импульса расположен вблизи начни цифровой записи, то такой постоянной из-за ее близости к единице можно пренебречь. Если для рабочей калибровки по 7.2 применяется такое же окно и в цифровой записи используется такой же участок «предудара-. что и в процессе измерения подвижности, учет воздействия окна является составной частью калибровки тракта измерения силы.
ПРИЛОЖЕНИЕ В (справочное)
Библиография
111 ИСО 5348—98 Вибрапин н удар. Механическое крепление акселерометров
|2| оендат Дж . Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. — М.: Мир, 1974. — 464 с.
УДК 534.1:006.354 МКС 17.160 Т34 ОКСТУ0011
Ключевые слова: конструкции, экспериментальные исследования, частотная характеристика, вибрация, вынуждающая сила, возбуждение, вибровозбудители, управление, датчики, сигналы, измерительная система, обработка, контроль
Рс ид к юр Д. В. Афантеяка Технический рсяакюр В.Н. Пруеакоша Корректор М.И. Псршаяа Компыпернн* вережа СВ. Рябовай
Изд. дни № 02354 от 14.07.20(10. С ял но в набор 10.07.2000. Пояинсяно в печать 22.09.2000. У<я.пм.Н. 2.32. Уч.опд.1. 2,07.
Тира» 25.1 »). С 58% 3«. 813.
ИПК Иилмынп стиняарю*. 107076. Мосьия. Кодоэетный. пер.. 14. Набрано и II иле .ты; 1и- ил ПЭВМ Фшидл ИПК Иялитеяьстпо стаизарюп — гни "Московский печягник". 103062. Москва. Лилии пер.. 6.
Плр Ч> 0МН02