Способ определения динамической характеристики объекта и установка для его осуществления

 

Союз Советских

С щиалистических

Республик

ОписАние изоБретения -994948

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт..свид-ву— (22) Заявлено 090281 (21) 3245072/25-28

Р М g э

С 01 М 7/00 с присоединением заявки ¹ —Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (23) Приоритет—

Опубликовано 070283. Бюллетень М9 5

)$3) УДК 620.178.7 .(088.8 ) Дата опубликования описания 07.02.83

Научно-исследовательский институт интроскопии (71) Заявитель (54 ) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ОБЪЕКТА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

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 объекта при испытаниях на удар, заключающийся в том, что на объект воздействуют одиночным ударным импульсом в виде он-функции или одиночного скачка, регистрируют отклик объекта и определяют динамическую характеристику объекта, например, в виде комплексного коэффициента передачи

M(Jm) - K(w)e

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

Однако при этом подразумевается, что внешнее воздействие является либо гармоническим, либо иным периодичес- 25 ким процессом. Если же входные воздействия не являются периодическими, то неизбежна погрешность в определении динамических характеристик, которая зависит от степени отклонения 30 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 отклика объекта, а затем аналитически вычисляют характеристику ударного спектра, пользуясь соотношениЕм .

S (f ) м.2 Х f IF (f ) (., где S (f ) - ударный спектр, 1f (f ) 1 — модуль спектра Фурье.

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

Установка для определения динаМической характеристики объекта в аналоговой форме, содержит устройство для приложения одиночного ударного импульса к исследуемому объекту, устанавливаемый на исследуемом объек-, те датчик ускорения, выход которого соединен через согласующее устройство с анализатором спектра, содержа-, щим устройство,для среза верхних частот, представляющее собой один фильтр нижних частот, .... блок полосовых фильт994948 ров, блок амплитудных детекторов,4 устройство отображения, ко входам которого подключены выходы блока амплитудных детекторов. Эта установка обеспечивает сопоставление аналитически рассчитанного ударного спект.— ра с суммарным спектром сигнала отклика j2 3.

Недостатком известных способа определения динамической характеристики объекта и установки для его осущест° ..вления являются необходимость воэ10 действия на объект ударным импульсом строго нормированной формы, 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 2S импульс отклика объекта, а анализ импульса отклика производят многократно, причем в каждом последующем

k цикле анализа одновременно изменяют верхнюю граничную частоту 30

Fkпъц„ импульса отклика и ширину лГ„, полосы пропускания фильтров анализатора так, чтобы выполнялось соотношение Fj, = 2 d Г,„, где m пк х целое положительное число, не рав- 3$ ное 1, и измеряют пиковые значения амплитуд на резонансных частотах фильтров, по которым определяют ударный спектр °

Для достижения этой цели в уста- 40 новке для определения динамической характеристики объекта, содержащей,. 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, устройство для среза верхних частот выполнено в виде блока параллельно соединенных фильтров нижних частот, блок полосовых фильтров выполнен в виде матрицы, в каждой строке которой содержится m параллельно соединенных полосовых фильтров, а в каждом столбце-ф) к параллельно .соединенных полосовых фильтров, причем каждая строка матрицы полоссвых фильтров подключена к выходу соответствующего фильтра нижних частот, каждый столбец матрицы g$ полосовых фильтров подсоединен к входу блока амплитудных детекторов, а полоса пропускания 4Г„ каждого из m полоссвых фильтров и верхняя граничная частота F каждого из

В тих фильтров нижних частот выбраны из соотношения õ

Е п)Ф 2m-1 где m — целое положительное число, не равное 1.

На фиг. 1 показана блок" схема пред» лагаемой установки для определения динамической характеристики объекта; на фиг. 2 — изменение характера спек» тра импульса для различных соотношений времени Т регистрации .одиночного импульса длительностью ь (а — ли;. нии спектра Ak(au) с дискретностью

27

Я = за время регистрации Т = 5»; б — линии спектра Ak(uv) с дискрет2У ностью Я = эа время регистраT ции Т = 2 ; В - линии спектра Ak(u))

2Т( с дискретностью Я =

T эа время регистрации Т = 4/ЗС; Ъ вЂ” линии спектра Ak(м) с дискретностью

27 д = — за время регистрации T=V/.

Т

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, сос-. тоящим 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 6 полосовых фильтров выполнен в виде матрицы. Каждая из k строк матрицы, содержащая m параллельно соединенных полосовых фильтров, подключена к соответствующему k выходу устройства 5 среза верхних частот, Каждый иэ m столбцов матрицы, содержащий k параллельно соединенных полосовых фильтров, подсоединен к соответствующим k входам блока 7 амплитудных детекторов. Верхняя граничная частота F Äкаждого из фильтров нижних частот устройства

5 среза верхних частот связана с полосой .пропускания ьГ,„, каждого из

m полосовых фильтров, составляющих

k-ю строку матрицы блока 6 полосовых фильтров ; ооотиовееием т веют еК »= 994948 где m- целое положительное число, ие равное 1.Ф выходов блока 7 амплитудных детекюторов подключены соответственно к k входам устройства 8 отображения.

Предлагаемый способ основан на следующем.

Импульс одиночного удара, например, прямоугольной формы, длительностью за время Т регистрации реакции объекта на ударный импульс, имеет решетчатую, с дискретностью спектра

Я= — 1 спектральную характеристику

2л

Т (фиг . 2a ), которая затухает лишь при бесконечно больших величинах аргумента .ы = М?, где Я;основная частота.

Из спектрограммы (фиг. 2а ) следует, что изменение времени Т регистрации импульса длительностью приводит °

T к изменению скважности и к изменению плотности дискретных сос.тавляющих. Однако форма огибающей дискретного спектра остается неизменной.

При достаточно большой плотности 25 этих линий, когда между узлами размешается по крайней мере несколько гармонических составляющих, что справедливо при T», ширину спектра можно считать такой же, как и для - 30 одиночного импульса.

Если Т изменяется (фиг. 26, Ь ), приближаясь к М, то спектры Фурье анализа окажутся различными по шири- 35 не. В предельном случае при Т = Y (фиг. 2 ) в спектре остается одна линия на частоте ш = О, остальные же линии спектра окажутся в узлах с амплитудами, равными нулю. 40

Очевидно, что если ширину полосы частот gf резонаторов объекта считать расстоянием между линиями дискретного спектра, что вытекает из физической модели объекта как сово- 45 купности резонаторов, то при возбуждении объекта одиночным .ударным импульсом, пиковые значения амплитуд откликов резонаторов могут быть определены путем многократного анализа 5п зарегистрированного за интервал наблюдения импульса, если его скваж. ность — изменяется любым произволь

Т юф ным образом. Таким образом,для определения удар«55 ного спектра аналоговым путем необходимо выт.олнить следующие операции: возбудить исследуемый объект одиночным ударным импульсом, произвольной формы длительностью т; многократно ® анализировать отклик объекта так, чтобы в каждом последующем цикле анализа одновременно изменялись ширина

bf nonoma пропускания фильтров анали™затора и верхняя граничная частота 65 щд импульса отклика, так, чтобы выполйялось соотношение

F< õ 2 п1с

m-1 измерить пиковые значения амплитуд сигналов, определяющие ударный спектр, на резонансных частотах фильтров.

Для определения ударного спектра цифровым путем на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ ) разрешающая способность по частоте af может быть выражена так

- l

hf

" 4 цнцли за

1ll где и = 2 = const, m = 1, 2, 3,..., M — объем буфера БПФ;

at частота дискретизации при. анализе импульса.

В то же время дискретность резонаторов объекта и спектра импульса вы2Л рая ают ся как Я = — T= и реэонат

Таким образом, для того, чтобы разрешающая способность анализатора совпадала с разрешающей способностью, резонаторов, необходимо, чтобы выполнялось условие а анцлиза = fpe3oHax

Откуда следует, что

1 . 2_#_ анализа . " wanga

T т=2Вн.at .Таким образом, при необходимости изменения скважности путем изменения Т н,„„и „ достаточно, чтобы

gt „«<> = va r i a °

Если М налиьа= К 4 люиема, р где о = 2, k =. 1,2..., что следует из принятой дискретной модели, то

Танализа"= 2 ™ М a tnpNQMc%

Таким образом, если а,„ „ изменяется на каждом цикле анализа, за- регистрированного . за Т период наблюдения импульса длительностью С, то это приведет к изменению скважности, что, в свою очередь, вызовет изменение. разрешающей способности ре- зонаторов, однако при И const все дискретные спектры значиьы, так как . их разрешающая способность совпадает с разрешающей способностью анализатора.

При этом необходимо, чтобы выпол-. нялось условие теоремы Котельникова

1 анолиэа д ю»мк

1 откуда,Р приема

Таким образом, на каждом цикле анализа при k = 1,2...,п, где .. 1F„F„

1 1

4Фприенм=gF Мх 2ФФ1 р

994946 тот устройства 5 среза верхних частот и блока б полосовых фильтров различны. Вследствие различия постоянных времени фильтров .нижних частот и полосовых фильров.в анализаторе осущеатвляется 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. C k выходов блока 7 амплитудных детекторов сигналы, пропорциональные ударному спектру, поступают на входы уст15 ройства 8 отображения, где осуществляется. 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.

Таким образом, если при анализе импульса длительностью,Т, зарегистрированного на интервале наблюдения Т с частотой дискретизации деп„„е„, одновременно изменять час- 20 тоту дискретизации ю „и и верхнюю граничную частоту Г спектра аналиmax эируемогс импульса в соответствии с указанным условием, то при неизменном числе аналйзаторов получают диск- 25 ретные спектры резонаторов объекта пиковые значения которых, отнесенные к Их собственным частотам, образуют ударный спектр.

Способ осуществляется следующим 3О образох.

В момент соударения устройства 1 для приложения одиночного ударного импульса 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. 4О

С k выходов устройства 5 среза верхних частот на k входов блока б полосовых фильтров поступают сигналы, ширина спектров которых ограничена веРхней гРаничной частотой Г4 п,е „ 45 фильтров нижних частот.

Каждый из полосовых фильтров матрицы блока б выделяет из поступившего сигнала текущее значение амплитуды дискретных спектров сигналов. Параллельное соединение фильтров нижних частот и полосовых фильтров позволяет осуществлять многократный анализ отклика. объекта так, что одновременно .в каждой параллельной цепи анализатора спектра, состоящей из фильтра нижних частот и одной строки матрицы блока б полосовых фильтров, выполняетсЯ соотношение F+ „ 2 ЪЕп 1 .

В результате на ™М входов блока 7 амплитудных детекторов с k выходов .блока б полоссвых фильтров поступают сигналы, пропорциональные значениям дискретных амплитуд спектра отклика, сдвинутые во времени, поскольку постоянные времени фильтров нижних час- 4$

Формула изобретения что означает, что верхняя граничная частота спектра импульса должна уменьшаться пропорционально 2, а ширина полосы пропускания фильтров анализатора как

2р, 8.2 .dt. Я 2 8.2 Е прием где N 2 const; m = const;

k 1,2,3,...,n.

Таким образом, р

to+4-1

Ы»» F„

1. Способ определения динамической характеристики объекта, заключающийся в том, что на объект воздействуют одиночным ударным импульсом, регистрируют и анализируют импульс отклика объекта, о т л и ч а ю щ и й-. с я тем, что, с целью аппаратурного определения ударного спектра объекта при нагружении импульсом произвольной формы, анализ импульса отклика производят многократно, причем в каждом последующем к цикле анализа одновременно изменяют верхнюю граничную частотуГ „импульса отклика и ширинуЫ,„.1,полосы пропускания фильтров анализатора так, чтобы выполнялось соотношение Г1, N-1 % пнях

2 -И„,, где в — целое положительное число, не равное 1, и изме-. ряют 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 по». лосовых 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 нагру994948

10 женин импульсом произвольной форье., устройство для среза верхних частот выполнено в виде блока параллельно соединенных % фильтров нижних частот, блок полосовых фильтров выполнен в виде матрицы, в каждой строке которой содержится m параллельно соединенных полосовых фильтров, а в каждом столбце — параллельно соединенных- полосовых фильтров, причем каждая строка матрицы полосовых !

О фильтров подключена к выходу соответствующего фильтра нижних частот, каждый столбец матрицы полосовых фильтров подсоединен к входу блока . амплитудных детекторов, а полоса 15 пропускания Ы„, каждого из m ропосових фильтров и верхняя граничная частота Е,„ „каждого из фильтров нижних частот выбраны из соотношения

F актах

К 2 .где ю — целое положительное число, не равное 1.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Батуев Г.С., Голубков l0.В., Ефремов А.К., Федосов A.A. Инженерные методы исследования ударных процессов. М., "Машиностроение". 1977, с. 239.

2. Каталог фирмы "Брюль и Къер".

Раздел "Анализирующие и выравнивающие системы для автоматического испытания на случайные вибрации и механические удары". Модели 3378, 3379, 3380, 1975.(прототип).

994948

Редактор Н.Бобкова

Заказ 629/27 Тираж 871

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ф T/À/

Г g /À I

Lf

Составитель В.Ковальский

Техред С.Мигунова Корректор М. Коста