ГОСТ ИСО 7626-5-99 Вибрация и удар. Экспериментальное определение механической подвижности. Часть 5. Измерения, использующие ударное возбуждение возбудителем, не прикрепляемым к конструкции.
ГОСТ ИСО 7626-5-99
Группа Т34
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
Вибрация и удар
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ
Часть 5
Измерения, использующие ударное возбуждение
возбудителем, не прикрепляемым к конструкции
Vibration and shock.
Experimental determination of mechanical mobility. Part 5.
Measurements using impact excitation with an exciter which is not attached
to the structure
МКС 17.160
ОКСТУ 0011
Дата введения 2001-01-01
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 N 16-99 от 8 октября 1999 г.)
За принятие проголосовали:
|
|
Наименование государства | Наименование национального органа по стандартизации |
Азербайджанская Республика | Азгосстандарт |
Республика Армения | Армгосстандарт |
Республика Беларусь | Госстандарт Беларуси |
Грузия | Грузстандарт |
Республика Казахстан | Госстандарт Республики Казахстан |
Киргизская Республика | Киргизстандарт |
Республика Молдова | Молдовастандарт |
Российская Федерация | Госстандарт России |
Республика Таджикистан | Таджикгосстандарт |
Республика Узбекистан | Узгосстандарт |
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, использующие ударное возбуждение возбудителем, не прикрепляемым к конструкции"
4 Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации и метрологии от 21 июня 2000 г. N 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
Введение
Измерение частотных характеристик объекта, таких, как подвижность, ускоряемость 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 коэффициентов 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 частотной 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 помощью данного метода весьма затруднительно или даже невозможно получить точность, достигаемую с помощью непрерывного возбуждения присоединенным вибровозбудителем. 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 различные 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 перемещать многокомпонентный датчик вибрации 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.
1 Область применения
Настоящий стандарт служит общим руководством для измерения входной и переходной механической подвижности и других частотных характеристик (ускоряемости, динамической податливости и т.п.) конструкций с помощью возбуждения импульсной силой, развиваемой возбудителем, не прикрепленным к испытуемой конструкции.
Методы возбуждения импульсным воздействием, требующие крепления возбудителя к конструкции, 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 5347-1-96 Вибрация. Калибровка датчиков вибрации и удара. Часть 1. Первичная вибрационная калибровка методами лазерной интерферометрии
ГОСТ ИСО 7626-1-94 Вибрация и удар. 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 24346-80 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.
Примечания
1 Отклик конструкции может быть выражен в единицах скорости, ускорения или перемещения. В соответствии с этим частотная характеристика называется подвижностью, ускоряемостью или динамической податливостью.
2 При выполнении принципа линейности 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 на точность измерения.
Примечание - Здесь и далее под словом "точка" понимают как местоположение, так и направление.
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, что переходный сигнал содержится в записи полностью. Такое уточнение необходимо, для того чтобы значения спектральных составляющих не зависели от длины записи, используемой в конечном преобразовании 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-анализа или анализатор, обеспечивающий ввод данных как минимум по двум каналам одновременно.
Схема измерительной системы приведена на рисунке 1. В стандарте содержатся рекомендации по выбору и использованию компонентов этой системы.
1 - датчик вибрации; 2 - испытуемая конструкция; 3 - устройства согласования;
4 - запоминающий осциллограф; 5 - блок анализа; 6 - ФНЧ; 7 - АЦП; 8 - ДПФ, расчет частотной
характеристики; 9 - дисплей; 10 - печатающее устройство; 11 - выходное устройство
Рисунок 1 - Блок-схема измерительной системы
Сигналы с датчиков силы и вибрации после каждого удара поступают на фильтры нижних частот (ФНЧ), позволяющие избежать переноса высокочастотных составляющих 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 оценки может быть применено усреднение по частотной области нескольких реализаций частотной характеристики, полученных для одних и тех же точек измерения и возбуждения.
4.2 Преимущества и 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;
- 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 вибровозбудителем.
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 ударе, 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 синусоидальное возбуждение. Так, при нанесении ударов 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 оценок характеристик конструкции.
4.2.2 Уменьшение отношения сигнал/шум
Поскольку при ударном возбуждении среднее квадратическое значение анализируемого сигнала на интервале измерения переходного процесса мало по сравнению с его пиковым значением, это накладывает требования малости внешнего шума и максимально возможного динамического диапазона измерительной системы. Как правило, такие требования исключают использование аналоговой записи сигнала.
Существенные проблемы, связанные с шумом, могут появиться вследствие того, что длительность импульса силы мала в сравнении с общей длиной записи. При этом собственный электрический шум измерительного тракта и фоновый шум механической природы в конструкции могут быть сравнимы по величине (среднему квадратическому значению) с вынуждающим воздействием 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, так 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 А.
4.2.5 Зависимость от квалификации оператора
Точность данных, полученных при измерении подвижности с помощью ударов 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 после отскока ударника (см. 6.4).
5 Опора испытуемой конструкции
Измерения механической подвижности могут быть проведены как для конструкций в безопорном (свободно подвешенном) состоянии, так и для конструкций в опертом положении (с использованием одной или нескольких опор) в зависимости от целей испытаний.
5.1 Безопорная конструкция
Измерения в безопорном положении предполагают использование податливого подвеса для испытуемой конструкции. Значения всех составляющих матрицы входных подвижностей 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
6.1 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.
1 - сменная насадка; 2 - датчик силы; 3 - основная масса; 4 - сменная масса
Рисунок 2 - Типичный ударник
Если необходим ударник с малой массой, часто для этих целей используют ударник молоткового типа со сменными насадками и дополнительными сменными массами. Однако следует помнить, что при этом точность измерений будет зависеть от искусства оператора наносить точные удары. Если испытуемая конструкция мала, для обеспечения повторяемости в нанесении ударов в нужной точке и направлении может потребоваться применение направляющего устройства. Для испытаний крупных конструкций, где требуется большая энергия возбуждения, может быть использован ударник в виде большой массы либо 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.
Для получения доступа к полной версии без ограничений вы можете выбрать подходящий тариф или активировать демо-доступ.