Способ измерения комплексных частотных характеристик колебательных систем

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕПЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

r«>662821

" . " i i-""= - armesee

Г, ;„1 16 1 Ъ

F л .! (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) 3аявлено 250775 (21) 2158717/25-28 !. с присоединением заявки М— (51)М. Кл.2

G 01 Н 3/08

Государствеииый комитет

СССР

Во делам иэобретеиий и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 1505.79. Бюллетень HP 18

Дата опубликования описания 150579 (53) УДК 534.08: е534 632 (088 .8)В.Н.Каровецкий, В,Т.Ляпунов и Ю.П.Медведев (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ЧАСТОЫЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ CHCTEM

Изобретение относится к области ,виброиэмерительной техники и мажет найти применение при измерении комплексных частотных характеристик различных колебательных систем, ..например средств вибро- и звукоизоляции и звукопоглощения, йри изме-. .рении механических импедансов и т.д.

Известен способ измерения вибрационных характеристик колебательных систем, заключающийся в том, что возбуждают указанные системы широкополосным сигналом, исследуют анализатором спектры сигналов на входе и выходе колебательной системы, например цифровыМ методом, с усреднением периодограмм выборок конечной длительности после детектирования.

Этот способ имеет малый динамйческий диапазон анализа, так как структура сигнала (белый шум) не отличается от структуры собственных шумов аппаратуры, и недостаточное отношение сиг-, нал/шум при синусоидальной помехе, так как несмотря на то, что при сужении полосы анализирующего фильтра уровень шумового сигнала гадает, уровень синусоидадьной помехи остается неизменным (1) .

С целью повышения точности измерения и увеличения динамического диапазона анализа, в качестве широкопоJIocHoro сигнала используют периодический импульсный сигнал и синхронизируют им анализатор спектра.

Кроме того, с целью повышения помехозащищенности измерений, усреднение производят до определения модулей спектральных составляющих путем комплексного усреднения выборок, также с целью контроля отношения сигнал/помеха, длительность выборки анализируемых сигналов выбирают в целое число раз большей периода им пульсного сигнала возбуждения.

На чертеже изображена блок-схема" . устройства, реализующая данный способ. устройство состоит из генератора

1 частоты дискретизации (во времени) анализируемых сигналов, являющегося составной частью цифрового анализатора спектров 2, выход генератора 1через делитель 3 частоты соединен со входом генератора 4 возбуждения, выход которого .соединен с устройством 5 возбуждения колебательной

:системы б и с одним из входов схемы

7 совпадения. На колебательной

662821 системе 6 установлены входной и выходной датчики 8 и 9, выходы которых соединены со входами арифметического, устройства 10, выход которого подсоединен ко входу регистратора 11. Второй вход схемы 7 совпадения соединен с выходом источника 12 сигналов запуска анализатора. Выход схемы 7 совпадения соединен со входом запуска цифрового спектроанализатора 2.

Предложенный способ заключается в следующем. 10

Колебательную систему 6 возбуждают устройством 5 возбуждения, возбуждение осуществляют широкополосным сигйалом в виде периодической последов ат ел bBoc TH импул ьсов . 15

Колебания в двух точках колебатель ной системы принимают с помощью датчиков 8 и 9, а затем анализируют цифровым анализатором спектров 2, причем цифровой анализатор спектра синхрони- gg зируют с указанной периодической последовательностью импульсов. Периодограммы.колебаний, полученные из выборок конечной длительности, усредняют, йричем усреднение производят до определенйя модулей и фазы спектраль.ных составляющих путем комплексного усреднения выборок. Длительность каждой выборки анализируемых колебаний выбирают в целое число раз большей периода следования импульсов возбуждения.

Эффективйость предложенного способа объясняется следующим.

Цифровой анализ спектра, осуществляющий дискретное преобразование

Фурье, можно уподобить анализатору †параллельно действия с числом эквивалентных фильтров, равным половине числа отсчетов в выборке анализируе-. мого процесса. В результате такого 40

:анализа получается дискретная спектрограмма, обычно называемая периодограммой, отсчетные точки которой, О т.е. частоты настройки эквивалентных фильтров, расположены равномерно на 45 частотной оси с шаром

1д

sf= — т

К где дй — шаг отсчетов ло оси частот, f* — частота дискретизации анализи- 50 руемых сигналов, N-число отсчетов выборки сигнала, используемых при одном цикле анализа.

Если на спектральный анализ подать лерйодический" импульсный сигнал, 55 обладающий дискретным спектром, составляющие которого расположены на частотах строго кратных дт, то эти составляющие будут находиться точно на частотах настройки эквивалентных фильтров. Следовательно, при любой ширине йолосы эквивалентных фильтров и любой их частотной характеристике, симметричной относительно частоты настройки этих фильтров, для

:такого сигнала не возникнут частот- 65 ные и фазовые искажений в процессе спектрального анализа.

Форма огибающей спектра сигнала возбуждения не имеет значения, т.к. измеряемая частотная характеристика есть отношение спектров. Важно то, что положения составляющих спектра возбуждающего сигнала на частотной оси и частоты настройки эквивалентных фильтров спектроанализатора совпадают благодаря синхронизации цифрового спектрального анализа и импульсного возбуждения.

С помощью комплексного усреднения комплексных спектров достигнуто повышение помехозащищенности измерения, такое усреднение комплексных спектров позволяет сузить полосу эквивалентного фильтра.

Можно показать, что в результате, комплексного усреднения M комплексных спектров; полученных при синхронном возбуждении, результирующая полоса эквивалентного фильтра сужается в М раз. Однако, если анализируемые выборки Flå синь1 онизированы, то усредняемые фазовые спектры выборок различны, и усреднение может не дать накопления полезного сигнала. Благодаря синхронизации сигнала возбуждения с началом выборки для спектральнбго анализа, спектры фаз и амплитуд полезного сигнала, измеренные спектроанализатором, постоянны.

Поэтому комплексное усреднение спектров .позволяет повысить помехоустойчивость измерения за счет синхронного накопления. Перестановка операций усреднения и спектрального анализа позволяет значительно сократить. время анализа, причем выигрыш во. временИ анализа тем больше, чем выше число осредняемых выборок. Предлагается выбирать период следования возбуждающих импульсов в целое число раз. К (К12) меньше длительности выборки цифрового спектроанализатора..

При этом составляющие спектра воз .буждения будут расположены на частотной оси через К отсчетных точек спектрального анализа. Это позволяет непосредственно во время измерения контролировать результирующее отношение сигнал/помеха. путем сравнения отсчетов амплитуд на частотах, совпадающих с частотами составляющих спектра возбуждения, и отчетов амплитуд на соседних частотах, которые определяются только помехами.

Таким образом предложенный способ позволяет повысить помехозащищенность измерения комплексных частотных характеристик как по отношению к синусоидальным помехам, частоты которых не кратны частоте дискретизации, так и по отношению к помехам со сплошным спектром.

Одним из важных преимуществ предлагаемого способа является возмож662821

Сост авит ель П . Юров

Техред Л.Алферова Корректор Н. Стец

Редактор Е.Зубистова

Заказ 2685/44 Тираж 765: Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 8-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППГ Патент, r.Óæãîðîä, ул,йроектная,4

5 ность использования в нем .одноканального цифрового спектроанали затора, что обусловлено стационарностью колебательной системы и детерминированным характером ее возбуждения, синхронизированного со спектральным анализом.

При этом спектры сигналов с выходов датчиков могут быть определены в разное время с учетом имеющейся возможности контроля отношения сигнал/помеха.

Формула и з обретения

1. Способ измерения комплексных частотных характеристик колебательных систем, заключающийся в том, что возбуждают указанные системы широкополосным сигналом, исследуют аналиэато- 5 ром спектры сигналов на входе и на выходе колебательной системы, например цифровым методом, с усреднением периодограмм выборок конечной длительности,отличающийся тем,что.,20 с целью повышения точности измерения и увеличения динамического диапазона анализа, в, качестве широкополосного сигнала используют периодический импульсный сигнал и синхронизируют им анализатор спектра.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения помехоэащищенности измерений, усреднение производят до определения модулей спектральных составляющих путем комплексного усреднения выборок .

3. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью контроля отношения сигнал/помеха, длительность выборки. анализируемых сигналов выбирают в. целое число .раэ большей периода импульсного сигнала возбуждения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент СИР 9 3504531, кл. G 01 M 7/00, 1970.